Un material dilatante ( / d aɪ ˈ l eɪ t ə n t / , / d ɪ -/ ) (también denominado espesamiento por corte ) es aquel en el que la viscosidad aumenta con la tasa de deformación por corte . Un fluido espesante de este tipo , también conocido con las iniciales STF , es un ejemplo de fluido no newtoniano . Este comportamiento no suele observarse en materiales puros, pero puede ocurrir en suspensiones .
Un dilatante es un fluido no newtoniano donde la viscosidad de corte aumenta con la tensión de corte aplicada . Este comportamiento es sólo un tipo de desviación de la ley de viscosidad de Newton y está controlado por factores tales como el tamaño, la forma y la distribución de las partículas. Las propiedades de estas suspensiones dependen de la teoría de Hamaker y de las fuerzas de Van der Waals y pueden estabilizarse electrostática o estéricamente. El comportamiento de espesamiento por cizallamiento ocurre cuando una suspensión coloidal pasa de un estado estable a un estado de floculación . Gran parte de las propiedades de estos sistemas se deben a la química superficial de partículas en dispersión, conocidas como coloides .
Esto se puede ver fácilmente con una mezcla de maicena y agua (a veces llamada oobleck ), que actúa de manera contraria a la intuición cuando se golpea o arroja contra una superficie. La arena completamente empapada de agua también se comporta como un material dilatante; esta es la razón por la que al caminar sobre arena mojada aparece una zona seca directamente bajo los pies.
La reopectia es una propiedad similar en la que la viscosidad aumenta con el estrés acumulativo o la agitación a lo largo del tiempo. Lo opuesto a un material dilatante es un pseudoplástico .
Hay dos tipos de desviación de la ley de Newton que se observan en los sistemas reales. La desviación más común es el comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento, donde la viscosidad del sistema disminuye a medida que aumenta la velocidad de cizallamiento . La segunda desviación es el comportamiento de espesamiento por cizallamiento donde, a medida que aumenta la velocidad de cizallamiento, también aumenta la viscosidad del sistema. Este comportamiento se observa porque el sistema cristaliza bajo tensión y se comporta más como un sólido que como una solución. [1] Por lo tanto, la viscosidad de un fluido espesante por corte depende de la velocidad de corte. La presencia de partículas suspendidas a menudo afecta la viscosidad de una solución. De hecho, con las partículas adecuadas, incluso un fluido newtoniano puede presentar un comportamiento no newtoniano. Un ejemplo de esto es la maicena en agua y se incluye en la sección Ejemplos a continuación.
Los parámetros que controlan el comportamiento de espesamiento por cizallamiento son: tamaño de partícula y distribución de tamaño de partícula, fracción de volumen de partícula, forma de partícula, interacción partícula-partícula, viscosidad de fase continua y el tipo, velocidad y tiempo de deformación. Además de estos parámetros, todos los fluidos espesantes por cizallamiento son suspensiones estabilizadas y tienen una fracción de volumen de sólido que es relativamente alta. [2]
La viscosidad de una solución en función de la velocidad de corte viene dada por la ecuación de la ley de potencia , [3]
El comportamiento dilatante ocurre cuando n es mayor que 1.
A continuación se muestra una tabla de valores de viscosidad para algunos materiales comunes. [4] [5] [6]
Una suspensión se compone de una fase de partículas finas dispersadas en una fase heterogénea y diferente. El comportamiento de espesamiento por cizallamiento se observa en sistemas con una fase sólida de partículas dispersa dentro de una fase líquida. Estas soluciones se diferencian de un coloide en que son inestables; las partículas sólidas en dispersión son lo suficientemente grandes para la sedimentación , lo que hace que eventualmente se asienten. Mientras que los sólidos dispersos dentro de un coloide son más pequeños y no se sedimentan. Existen múltiples métodos para estabilizar suspensiones, incluidos electrostáticos y estéricos.
En una suspensión inestable, la fase de partículas dispersas saldrá de la solución en respuesta a fuerzas que actúan sobre las partículas, como la gravedad o la atracción de Hamaker. La magnitud del efecto que tienen estas fuerzas al sacar la fase de partículas de la solución es proporcional al tamaño de las partículas; para una partícula grande, las fuerzas gravitacionales son mayores que las interacciones entre partículas, mientras que ocurre lo contrario para las partículas pequeñas. El comportamiento de espesamiento por cizallamiento se observa típicamente en suspensiones de partículas sólidas pequeñas, lo que indica que la atracción de Hamaker entre partículas es la fuerza dominante. Por lo tanto, la estabilización de una suspensión depende de la introducción de una fuerza repulsiva contraria.
La teoría de Hamaker describe la atracción entre cuerpos, como las partículas. Se descubrió que la explicación de las fuerzas de Van der Waals podría ampliarse desde la explicación de la interacción entre dos moléculas con dipolos inducidos hasta cuerpos de escala macro sumando todas las fuerzas intermoleculares entre los cuerpos. Al igual que las fuerzas de Van der Waals, la teoría de Hamaker describe la magnitud de la interacción partícula-partícula como inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Por lo tanto, muchas suspensiones estabilizadas incorporan una fuerza repulsiva de largo alcance que es dominante sobre la atracción de Hamaker cuando los cuerpos que interactúan están a una distancia suficiente, evitando efectivamente que los cuerpos se acerquen entre sí. Sin embargo, en distancias cortas, domina la atracción de Hamaker, lo que hace que las partículas se coagulen y se salgan de la solución. Dos fuerzas comunes de largo alcance utilizadas en la estabilización de suspensiones son la electrostática y la estérica.
Las suspensiones de partículas con carga similar dispersadas en un electrolito líquido se estabilizan mediante un efecto descrito por el modelo de doble capa de Helmholtz. El modelo tiene dos capas. La primera capa es la superficie cargada de la partícula, que crea un campo electrostático que afecta a los iones del electrolito. En respuesta, los iones crean una capa difusa de carga igual y opuesta, lo que efectivamente hace que la carga de la superficie sea neutra. Sin embargo, la capa difusa crea un potencial alrededor de la partícula que difiere del electrolito en masa.
La capa difusa sirve como fuerza de largo alcance para la estabilización de las partículas. Cuando las partículas se acercan unas a otras, la capa difusa de una partícula se superpone con la de la otra partícula, generando una fuerza repulsiva. La siguiente ecuación proporciona la energía entre dos coloides como resultado de las interacciones de Hamaker y la repulsión electrostática.
A diferencia de la electrostática, las suspensiones estéricamente estabilizadas se basan en la interacción física de cadenas de polímeros unidas a la superficie de las partículas para mantener la suspensión estabilizada; Las cadenas de polímero adsorbidas actúan como un espaciador para mantener las partículas suspendidas separadas a una distancia suficiente para evitar que la atracción de Hamaker domine y saque las partículas de la suspensión. Los polímeros normalmente se injertan o se adsorben sobre la superficie de la partícula. Con los polímeros injertados, la columna vertebral de la cadena polimérica está unida covalentemente a la superficie de la partícula. Mientras que un polímero adsorbido es un copolímero compuesto de una región liófoba y liófila, donde la región liófoba se adhiere de forma no covalente a la superficie de la partícula y la región liófila forma el límite estérico o espaciador.
La dilatación de un coloide, o su capacidad de ordenarse en presencia de fuerzas de corte, depende de la relación de fuerzas entre partículas. Mientras dominen las fuerzas entre partículas, como las fuerzas de Van der Waals , las partículas suspendidas permanecen en capas ordenadas. Sin embargo, una vez que dominan las fuerzas de corte, las partículas entran en un estado de floculación y ya no se mantienen en suspensión; comienzan a comportarse como un sólido. Cuando se eliminan las fuerzas de corte, las partículas se separan y vuelven a formar una suspensión estable.
El comportamiento de espesamiento por cizallamiento depende en gran medida de la fracción de volumen de partículas sólidas suspendidas dentro del líquido. Cuanto mayor es la fracción de volumen, menos cizallamiento se requiere para iniciar el comportamiento de espesamiento por cizallamiento. La velocidad de corte a la que el fluido pasa de un flujo newtoniano a un comportamiento de espesamiento por corte se conoce como velocidad de corte crítica.
Cuando se corta una solución estabilizada concentrada a una velocidad de corte relativamente baja, las interacciones repulsivas entre partículas mantienen las partículas en una estructura de equilibrio ordenada y en capas. Sin embargo, a velocidades de corte elevadas por encima de la velocidad de corte crítica, las fuerzas de corte que empujan las partículas juntas superan las interacciones repulsivas entre partículas, forzando a las partículas a salir de sus posiciones de equilibrio. Esto conduce a una estructura desordenada, provocando un aumento de la viscosidad. [7]
La velocidad de corte crítica aquí se define como la velocidad de corte a la que las fuerzas de corte que empujan las partículas juntas son equivalentes a las interacciones de partículas repulsivas.
Cuando las partículas de una suspensión estabilizada pasan de un estado inmóvil a un estado móvil, pequeños grupos de partículas forman hidroclusters, lo que aumenta la viscosidad. Estos hidroclusters están compuestos de partículas momentáneamente comprimidas entre sí, formando una cadena de partículas irregular en forma de varilla, similar a un atasco o un atasco de tráfico. En teoría, las partículas tienen espacios entre partículas extremadamente pequeños, lo que hace que este hidrocúmulo momentáneo y transitorio sea incompresible. Es posible que se formen hidroclusters adicionales mediante la agregación. [8]
La maicena es un agente espesante común que se usa en la cocina. También es un muy buen ejemplo de sistema de espesamiento por cizallamiento. Cuando se aplica una fuerza a una mezcla 1:1,25 de agua y maicena, la mezcla actúa como un sólido y resiste la fuerza.
Las nanopartículas de sílice se dispersan en una solución de polietilenglicol . Las partículas de sílice proporcionan un material de alta resistencia cuando se produce la floculación. Esto permite su uso en aplicaciones como chalecos antibalas líquidos y pastillas de freno.
Los materiales dilatantes tienen ciertos usos industriales debido a su comportamiento de espesamiento por cizallamiento. Por ejemplo, algunos sistemas de tracción total utilizan una unidad de acoplamiento viscoso llena de líquido dilatante para proporcionar transferencia de potencia entre las ruedas delanteras y traseras. En carreteras con superficies de alta tracción, el movimiento relativo entre las ruedas motrices primarias y secundarias es el mismo, por lo que el corte es bajo y se transfiere poca potencia. Cuando las ruedas motrices primarias comienzan a patinar, la cizalla aumenta, lo que hace que el líquido se espese. A medida que el fluido se espesa, el par transferido a las ruedas motrices secundarias aumenta proporcionalmente, hasta que se transfiere la máxima cantidad de potencia posible en el estado completamente espesado. (Ver también diferencial de deslizamiento limitado , algunos tipos funcionan según el mismo principio). Para el operador, este sistema es completamente pasivo, activa las cuatro ruedas para conducir cuando es necesario y vuelve a la tracción en dos ruedas una vez que la necesidad ha pasado. Este sistema se utiliza generalmente para vehículos de carretera en lugar de vehículos todoterreno, ya que la viscosidad máxima del fluido dilatante limita la cantidad de par que puede pasar a través del acoplamiento.
Varias entidades corporativas y gubernamentales están investigando la aplicación de fluidos espesantes para su uso como chalecos antibalas . Un sistema de este tipo podría permitir al usuario flexibilidad para un rango normal de movimiento y, al mismo tiempo, proporcionar rigidez para resistir perforaciones de balas , puñaladas con cuchillos y ataques similares. El principio es similar al de la armadura de malla , aunque la armadura corporal que usa un dilatante sería mucho más ligera. El líquido dilatante dispersaría la fuerza de un golpe repentino sobre un área más amplia del cuerpo del usuario, reduciendo el traumatismo por fuerza contundente. Sin embargo, el dilatante no proporcionaría ninguna protección adicional contra ataques lentos, como una puñalada lenta pero contundente, que permitiría que se produjera el flujo. [9]
En un estudio, se comparó el tejido de Kevlar estándar con una armadura compuesta de Kevlar y un fluido espesante patentado. Los resultados mostraron que la combinación Kevlar/fluido funcionó mejor que el material de Kevlar puro, a pesar de tener menos de un tercio del espesor de Kevlar. [9]
Cuatro ejemplos de materiales dilatantes que se utilizan en equipos de protección personal son Armourgel, D3O , ArtiLage (espuma de cartílago artificial) y el "Sistema de protección activa" fabricado por Dow Corning . [10]
En 2002, investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU . y la Universidad de Delaware comenzaron a investigar el uso de armaduras líquidas , o un fluido espesante en armaduras corporales. Los investigadores demostraron que los tejidos de alta resistencia como el Kevlar pueden volverse más a prueba de balas y de puñaladas cuando se impregnan con el fluido. [11] [12] El objetivo de la tecnología de “armadura líquida” es crear un nuevo material que sea de bajo costo y liviano y que al mismo tiempo ofrezca propiedades balísticas equivalentes o superiores en comparación con el tejido Kevlar actual. [13]
Por su trabajo sobre armaduras líquidas, el Dr. Eric Wetzel, un ingeniero mecánico de la ARL, y su equipo recibieron el Premio Paul A. Siple 2002, el premio más alto del Ejército por logros científicos, en la Conferencia Científica del Ejército. [14]
La empresa D3O inventó un material no newtoniano que ha experimentado una amplia adaptación en una amplia gama de aplicaciones estándar y personalizadas, incluidos equipos de protección para motocicletas y deportes extremos, ropa de trabajo industrial, aplicaciones militares y protección contra impactos para dispositivos electrónicos. Los materiales permiten flexibilidad durante el uso normal, pero se vuelven rígidos y protectores cuando reciben un impacto fuerte. Si bien algunos productos se comercializan directamente, gran parte de su capacidad de fabricación se destina a vender y otorgar licencias del material a otras empresas para que lo utilicen en sus propias líneas de productos de protección.
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