Un material dilatante ( / d aɪ ˈ l eɪ t ə n t / , / d ɪ -/ ) (también denominado espesante por cizallamiento [1] ) es uno en el que la viscosidad aumenta con la tasa de deformación por cizallamiento . Un fluido espesante por cizallamiento de este tipo , también conocido por las siglas STF , es un ejemplo de un fluido no newtoniano . Este comportamiento no suele observarse en materiales puros, pero puede darse en suspensiones .
Un dilatante es un fluido no newtoniano en el que la viscosidad de corte aumenta con la tensión de corte aplicada . Este comportamiento es solo un tipo de desviación de la ley de viscosidad de Newton y está controlado por factores 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 corte ocurre cuando una suspensión coloidal pasa de un estado estable a un estado de floculación . Una gran parte de las propiedades de estos sistemas se deben a la química de la superficie de las partículas en dispersión, conocidas como coloides .
Esto se puede ver fácilmente con una mezcla de almidón de maíz y agua (a veces llamada oobleck ), que actúa de manera contraria a la intuición cuando se golpea o se arroja contra una superficie. La arena que está completamente empapada con agua también se comporta como un material dilatante : esta es la razón por la que al caminar sobre arena húmeda, aparece una zona seca directamente debajo de los pies.
La reopectía es una propiedad similar en la que la viscosidad aumenta con la acumulación de estrés o agitación a lo largo del tiempo. Lo opuesto a un material dilatante es un pseudoplástico .
Existen dos tipos de desviación de la ley de Newton que se observan en 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. [2] Por lo tanto, la viscosidad de un fluido espesante por cizallamiento depende de la velocidad de cizallamiento. La presencia de partículas suspendidas a menudo afecta la viscosidad de una solución. De hecho, con las partículas adecuadas, incluso un fluido newtoniano puede exhibir un comportamiento no newtoniano. Un ejemplo de esto es el almidón de maíz en agua y se incluye en § Ejemplos a continuación.
Los parámetros que controlan el comportamiento del espesamiento por cizallamiento son: tamaño de partícula y distribución del 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 sólidos relativamente alta. [3]
La viscosidad de una solución en función de la velocidad de corte se da mediante la ecuación de la ley de potencia , [4] donde η es la viscosidad, K es una constante basada en el material y γ̇ es la velocidad de corte aplicada.
El comportamiento dilatante ocurre cuando n es mayor que 1.
A continuación se muestra una tabla de valores de viscosidad para algunos materiales comunes. [5] [6] [7]
Una suspensión está compuesta por una fase particulada fina dispersa en una fase heterogénea diferente. El comportamiento de espesamiento por cizallamiento se observa en sistemas con una fase particulada sólida 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 como para sedimentar , lo que hace que finalmente se sedimenten. Mientras que los sólidos dispersos dentro de un coloide son más pequeños y no se sedimentan. Existen múltiples métodos para estabilizar suspensiones, incluidos la electrostática y la estérica.
En una suspensión inestable, la fase particulada dispersa saldrá de la solución en respuesta a fuerzas que actúen sobre las partículas, como la gravedad o la atracción de Hamaker. La magnitud del efecto que tienen estas fuerzas al extraer la fase particulada de la solución es proporcional al tamaño de las partículas; para una partícula grande, las fuerzas gravitacionales son mayores que las interacciones partícula-partícula, mientras que lo opuesto es cierto para 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 partícula-partícula es la fuerza dominante. Por lo tanto, la estabilización de una suspensión depende de la introducción de una fuerza repulsiva contrarrestante.
La teoría de Hamaker describe la atracción entre cuerpos, como las partículas. Se descubrió que la explicación de las fuerzas de Van der Waals podía ampliarse a partir de la explicación de la interacción entre dos moléculas con dipolos inducidos para cuerpos a escala macro, sumando todas las fuerzas intermoleculares entre los cuerpos. De manera similar a 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, lo que evita de manera efectiva que los cuerpos se acerquen entre sí. Sin embargo, a distancias cortas, la atracción de Hamaker domina, lo que hace que las partículas se coagulen y se desprendan de la solución. Dos fuerzas de largo alcance comunes que se utilizan para estabilizar suspensiones son la electrostática y la estérica.
Las suspensiones de partículas con carga similar dispersas 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 hace que la carga superficial sea neutra. Sin embargo, la capa difusa crea un potencial que rodea a la partícula que difiere del electrolito en masa.
La capa difusa actúa como fuerza de largo alcance para la estabilización de las partículas. Cuando las partículas se acercan entre sí, la capa difusa de una partícula se superpone con la de la otra, lo que genera una fuerza repulsiva. La siguiente ecuación proporciona la energía entre dos coloides como resultado de las interacciones de Hamaker y la repulsión electrostática.
dónde:
A diferencia de la electrostática, las suspensiones estabilizadas estéricamente se basan en la interacción física de las cadenas de polímeros adheridas a la superficie de las partículas para mantener la suspensión estabilizada; las cadenas de polímeros 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 en la superficie de la partícula. Con polímeros injertados, la estructura principal de la cadena de polímero está unida covalentemente a la superficie de la partícula. Mientras que un polímero adsorbido es un copolímero compuesto por una región liofóbica y liófila, donde la región liofóbica se adhiere de manera 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 para ordenarse en presencia de fuerzas de cizallamiento, depende de la relación de fuerzas entre partículas. Mientras predominen las fuerzas entre partículas, como las fuerzas de Van der Waals , las partículas suspendidas permanecerán en capas ordenadas. Sin embargo, una vez que predominen las fuerzas de cizallamiento, las partículas entrarán en un estado de floculación y ya no se mantendrán en suspensión; comenzarán a comportarse como un sólido. Cuando se eliminen las fuerzas de cizallamiento, las partículas se separarán y volverán a formar una suspensión estable.
El comportamiento de espesamiento por cizallamiento depende en gran medida de la fracción de volumen de partículas sólidas suspendidas en el líquido. Cuanto mayor sea la fracción de volumen, menor será el esfuerzo cortante necesario para iniciar el comportamiento de espesamiento por cizallamiento. La velocidad de cizallamiento a la que el fluido pasa de un flujo newtoniano a un comportamiento de espesamiento por cizallamiento se conoce como velocidad de cizallamiento crítica.
Al cizallar una solución concentrada y estabilizada a una velocidad de cizallamiento relativamente baja, las interacciones repulsivas entre partículas mantienen a las partículas en una estructura de equilibrio ordenada y estratificada. Sin embargo, a velocidades de cizallamiento elevadas por encima de la velocidad de cizallamiento crítica, las fuerzas de cizallamiento que empujan a las partículas entre sí superan las interacciones repulsivas entre partículas, lo que obliga a las partículas a salir de sus posiciones de equilibrio. Esto conduce a una estructura desordenada, lo que provoca un aumento de la viscosidad. [8]
La velocidad de corte crítica aquí se define como la velocidad de corte a la cual las fuerzas de corte que empujan las partículas entre sí son equivalentes a las interacciones repulsivas de las partículas.
Cuando las partículas de una suspensión estabilizada pasan de un estado inmóvil a un estado móvil, pequeñas agrupaciones de partículas forman hidroagrupaciones, lo que aumenta la viscosidad. Estas hidroagrupaciones están compuestas de partículas que se comprimen momentáneamente entre sí, formando una cadena irregular de partículas con forma de varilla, similar a un atasco de tráfico. En teoría, las partículas tienen espacios entre partículas extremadamente pequeños, lo que hace que esta hidroagrupación momentánea y transitoria sea incompresible. Es posible que se formen hidroagrupaciones adicionales mediante agregación. [9]
La maicena es un agente espesante común que se utiliza en la cocina. También es un muy buen ejemplo de un sistema de espesamiento por cizallamiento. Cuando se aplica una fuerza a una mezcla de agua y maicena en proporción 1:1,25, 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 blindaje corporal líquido 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 en las cuatro ruedas utilizan una unidad de acoplamiento viscoso llena de fluido dilatante para proporcionar transferencia de potencia entre las ruedas delanteras y traseras. En superficies de carreteras de alta tracción, el movimiento relativo entre las ruedas motrices primarias y secundarias es el mismo, por lo que el esfuerzo cortante es bajo y se transfiere poca potencia. Cuando las ruedas motrices primarias comienzan a resbalar, el esfuerzo cortante aumenta, lo que hace que el fluido 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. (Véase también diferencial de deslizamiento limitado , algunos tipos de los cuales funcionan según el mismo principio). Para el operador, este sistema es completamente pasivo, ya que activa las cuatro ruedas para conducir cuando es necesario y vuelve a la tracción en dos ruedas una vez que ha pasado la necesidad. 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 se puede transmitir a través del acoplamiento.
Varias entidades corporativas y gubernamentales están investigando la aplicación de fluidos espesantes por cizallamiento para su uso como armadura corporal . Un sistema de este tipo podría permitir al usuario flexibilidad para un rango normal de movimiento, pero proporcionar rigidez para resistir perforaciones por balas , golpes de cuchillo y ataques similares. El principio es similar al de la armadura de malla , aunque la armadura corporal que utiliza un dilatador sería mucho más liviana. El fluido dilatador 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 dilatador no proporcionaría ninguna protección adicional contra ataques lentos, como una puñalada lenta pero contundente, que permitiría que se produzca el flujo. [10]
En un estudio, se comparó el tejido estándar de Kevlar con una armadura compuesta de Kevlar y un fluido patentado que espesa la tela al cizallamiento. Los resultados mostraron que la combinación de Kevlar y fluido tuvo un mejor desempeño que el material de Kevlar puro, a pesar de tener menos de un tercio del espesor del Kevlar. [10]
Cuatro ejemplos de materiales dilatantes que se utilizan en equipos de protección personal son Armourgel, D3O , ArtiLage (espuma de cartílago artificial) y "Active Protection System" fabricado por Dow Corning . [11]
En 2002, los investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. y de la Universidad de Delaware comenzaron a investigar el uso de blindaje líquido , o un fluido espesante por cizallamiento en los blindajes corporales. Los investigadores demostraron que los tejidos de alta resistencia como el kevlar pueden hacerse más a prueba de balas y resistentes a las puñaladas cuando se impregnan con el fluido. [12] [13] El objetivo de la tecnología de “blindaje líquido” es crear un nuevo material que sea de bajo costo y liviano, pero que al mismo tiempo ofrezca propiedades balísticas equivalentes o superiores en comparación con el tejido de kevlar actual. [14]
Por su trabajo sobre blindaje líquido, el Dr. Eric Wetzel, ingeniero mecánico de ARL, y su equipo recibieron el Premio Paul A. Siple 2002, el máximo galardón del Ejército por logros científicos, en la Conferencia Científica del Ejército. [15]
La empresa D3O inventó un material no newtoniano que ha sido ampliamente adaptado a una amplia gama de aplicaciones estándar y personalizadas, que incluyen 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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