Reducción de espesor por cizallamiento

Comportamiento de fluidos no newtonianos

Clasificación de fluidos con esfuerzo cortante en función de la velocidad de corte : pseudoplástico, plástico de Bingham y pseudoplástico de Bingham muestran una reducción en la viscosidad aparente al aumentar la velocidad de corte.

En reología , el adelgazamiento por cizallamiento es el comportamiento no newtoniano de los fluidos cuya viscosidad disminuye bajo tensión de cizallamiento . A veces se considera sinónimo de comportamiento pseudoplástico , [ ^{1] [2]} y generalmente se define como la exclusión de los efectos dependientes del tiempo , como la tixotropía . ^[3]

El adelgazamiento por cizallamiento es el tipo más común de comportamiento no newtoniano de los fluidos y se observa en muchas aplicaciones industriales y cotidianas. ^[4] Aunque el adelgazamiento por cizallamiento generalmente no se observa en líquidos puros con baja masa molecular o soluciones ideales de moléculas pequeñas como sacarosa o cloruro de sodio , a menudo se observa en soluciones de polímeros y polímeros fundidos, así como en fluidos complejos y suspensiones como ketchup , crema batida , sangre , ^[5] pintura y esmalte de uñas .

Teorías detrás del comportamiento pseudoplástico

Aunque no se conoce con exactitud la causa del adelgazamiento por cizallamiento, se considera que se debe a pequeños cambios estructurales en el fluido, de modo que las geometrías a microescala del fluido se reorganizan para facilitar el cizallamiento . ^[6] En los sistemas coloidales, la separación de fases durante el flujo conduce al adelgazamiento por cizallamiento. En los sistemas poliméricos, como los polímeros fundidos y las soluciones, el adelgazamiento por cizallamiento se debe al desenredo de las cadenas de polímeros durante el flujo. En reposo, los polímeros de alto peso molecular están enredados y orientados aleatoriamente. Sin embargo, cuando se agitan a una velocidad lo suficientemente alta, estas cadenas de polímeros altamente anisotrópicas comienzan a desenredarse y alinearse a lo largo de la dirección de la fuerza de cizallamiento. ^[7] Esto conduce a una menor interacción entre moléculas y partículas y a una mayor cantidad de espacio libre, lo que disminuye la viscosidad. ^[4]

Modelo de ley de potencia

Reducción de la viscosidad por cizallamiento en un sistema polimérico: dependencia de la viscosidad aparente con la velocidad de cizallamiento. η ₀ es la viscosidad a velocidad de cizallamiento cero y η _∞ es la meseta de viscosidad a cizallamiento infinita.

Tanto a velocidades de cizallamiento suficientemente altas como a velocidades de cizallamiento muy bajas, la viscosidad de un sistema polimérico es independiente de la velocidad de cizallamiento. A velocidades de cizallamiento altas, los polímeros se desenredan por completo y el valor de viscosidad del sistema se estabiliza en η _∞ , o la meseta de viscosidad de cizallamiento infinito. A velocidades de cizallamiento bajas, el cizallamiento es demasiado bajo para verse impedido por enredos y el valor de viscosidad del sistema es η ₀ , o la viscosidad de velocidad de cizallamiento cero. El valor de η _∞ representa la viscosidad más baja alcanzable y puede ser órdenes de magnitud menor que η ₀ , dependiendo del grado de adelgazamiento por cizallamiento.

La viscosidad se grafica en función de la velocidad de corte en un gráfico log(η) vs. log( ), donde la región lineal es el régimen de pseudoplástico y se puede expresar utilizando la ecuación de la ley de potencia de Ostwald y de Waele: ^[8] ${\displaystyle {\dot {\gamma }}}$

${\displaystyle \tau =K(T)\left({d\gamma \over dt}\right)^{n}=K(T){\dot {\gamma }}^{n}}$

La ecuación de Ostwald y de Waele se puede escribir en forma logarítmica:

${\displaystyle \log(\tau )=\log(K)+n\log \left({\dot {\gamma }}\right)}$

La viscosidad aparente se define como , y puede introducirse en la ecuación de Ostwald para obtener una segunda ecuación de ley de potencia para la viscosidad aparente: ${\displaystyle \eta ={\tau \over {\dot {\gamma }}}}$

${\displaystyle \eta =K(T){\dot {\gamma }}^{n-1}}$

Esta expresión también se puede utilizar para describir el comportamiento dilatante (espesamiento por cizallamiento), donde el valor de n es mayor que 1.

Modelo Herschel-Bulkley

Los plásticos de Bingham requieren que se supere una tensión de corte crítica para comenzar a fluir. Este comportamiento se observa generalmente en micro y nanocompuestos de polímero/sílice, donde la formación de una red de sílice en el material proporciona una respuesta similar a la de un sólido a baja tensión de corte. El comportamiento de pseudoplástico de los fluidos plásticos se puede describir con el modelo de Herschel-Bulkley, que agrega un componente de tensión de corte umbral a la ecuación de Ostwald: ^[8]

${\displaystyle \tau =\tau _{y}+K(T){\dot {\gamma }}^{n}}$

Relación con la tixotropía

Algunos autores consideran que el adelgazamiento por cizallamiento es un caso especial de comportamiento tixotrópico, porque la recuperación de la microestructura del líquido a su estado inicial siempre requerirá un tiempo distinto de cero. Sin embargo, cuando la recuperación de la viscosidad después de la perturbación es muy rápida, el comportamiento observado es el clásico adelgazamiento por cizallamiento o pseudoplasticidad, porque tan pronto como se elimina el cizallamiento, la viscosidad vuelve a la normalidad. Cuando la viscosidad tarda un tiempo medible en recuperarse, se observa un comportamiento tixotrópico. ^[9] Sin embargo, al describir la viscosidad de los líquidos, es útil distinguir el comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento (pseudoplástico) del comportamiento tixotrópico, en el que la viscosidad a todas las velocidades de cizallamiento disminuye durante algún tiempo después de la agitación: ambos efectos a menudo se pueden ver por separado en el mismo líquido. ^[10]

Ejemplos cotidianos

La pintura para paredes es un material pseudoplástico. ^[11] Cuando se aplica pintura para paredes moderna, la fricción creada por la brocha o el rodillo le permitirá diluirse y humedecer la superficie de manera uniforme. Una vez aplicada, la pintura recupera su mayor viscosidad, lo que evita goteos y escurrimientos.

El ketchup es un material pseudoplástico, viscoso en reposo, pero que fluye rápidamente cuando se agita apretando, agitando o golpeando la botella. ^[11]

La crema batida también es un material que se adelgaza por cizallamiento. ^[6] Cuando se rocía crema batida desde su recipiente, fluye suavemente desde la boquilla debido a la baja viscosidad a un alto caudal. Sin embargo, después de rociar la crema batida en una cuchara, no fluye y su mayor viscosidad le permite ser rígida.

Véase también

• Fluido no newtoniano  : fluido cuya viscosidad varía con la cantidad de fuerza o tensión que se le aplica.
• Fluido de ley de potencia  : tipo de fluido newtoniano generalizado
• Plástico de Bingham  : material que es sólido a baja tensión pero se vuelve viscoso a alta tensión.
• Reología  : Estudio del flujo de materia, principalmente en estado fluido.
• Efecto Kaye  – Propiedad de los líquidos complejos
• Viscosidad dependiente del tiempo
• Reopectía : Cuanto más tiempo se somete el fluido a una tensión de cizallamiento, mayor es la viscosidad. Comportamiento de espesamiento por cizallamiento dependiente del tiempo.
• Tixotropía : cuanto más tiempo se somete un fluido a una tensión de cizallamiento, menor es su viscosidad. Se trata de un comportamiento pseudoplástico dependiente del tiempo.
• Engrosamiento por cizallamiento : Similar a la reopectomía, pero independiente del paso del tiempo.
• Agente espesante
• Diluyente de pintura

Enlaces externos

• El gran misterio del ketchup

Referencias

1. Mezger, Thomas G. (2006). Manual de reología: para usuarios de reómetros rotacionales y oscilatorios (2.ª ed. rev.). Hannover: Vincentz Network. p. 34. ISBN 9783878701743.
2. Heldman, R. Paul Singh, Dennis R. (2013). Introducción a la ingeniería alimentaria (5.ª ed.). Ámsterdam: Elsevier. pág. 160. ISBN 9780124016750.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
3. Bair, Scott (2007). Reología de alta presión para elastohidrodinámica cuantitativa (1.ª ed.). Ámsterdam: Elsevier. p. 136. ISBN 9780080475301. Recuperado el 24 de mayo de 2015 .
4. Malvern Instruments Worldwide. "Introducción básica a la reología" (PDF) . Consultado el 12 de diciembre de 2019 .
5. Tazraei, P.; Riasi, A.; Takabi, B. (2015). "La influencia de las propiedades no newtonianas de la sangre en el golpe de sangre a través de la arteria cerebral posterior". Ciencias biológicas matemáticas . 264 : 119–127. doi :10.1016/j.mbs.2015.03.013. PMID  25865933.
6. "La física de la crema batida". NASA Science . 25 de abril de 2008 . Consultado el 20 de agosto de 2023 .
7. "Viscosidad de fluidos newtonianos y no newtonianos". Rheosense Inc. Consultado el 12 de diciembre de 2019 .
8. "Propiedades de flujo de polímeros". polymerdatabase.com . Consultado el 12 de diciembre de 2019 .
9. Barnes, Howard A. (1997). "Tixotropía: una revisión" (PDF) . J. Non-Newtonian Fluid Mech., 70 : 3. Archivado desde el original (PDF) el 30 de abril de 2016. Consultado el 11 de noviembre de 2011 .
10. Troy, David B. (2005). Remington: La ciencia y la práctica de la farmacia (21.ª edición). Filadelfia: Lippincott, Williams & Wilkins. pág. 344. ISBN 9780781746731. Recuperado el 24 de mayo de 2015 .
11. Schlichting, H. Joachim (12 de marzo de 2021). «El kétchup no es solo un condimento: también es un fluido no newtoniano». Scientific American . Consultado el 20 de agosto de 2023 .