Curva de flujo de viscosidad – Parte 1

¿Por qué medir una curva de flujo de viscosidad en lugar de simplemente dar un número?

Muy a menudo se pide a los químicos que proporcionen un solo valor de viscosidad para un producto o formulación sin mucha información sobre las condiciones requeridas de la medición. Para un aceite o líquido de baja viscosidad que es newtoniano, esto es bastante sencillo, siempre que su viscosímetro esté correctamente calibrado y se proporcione la temperatura de medición. Sin embargo, la mayoría de los fluidos complejos o de interés industrial, como soluciones poliméricas, suspensiones y emulsiones, no son newtonianos, lo que significa que su viscosidad varía con la tasa de cizalladura – siendo la tasa de cizalladura la velocidad a la que se aplica una fuerza de cizalladura– y también puede depender del tiempo (tixotrópico). Por lo tanto, para muestras que son sensibles a la cizalladura o al tiempo, se deben hacer algunas preguntas más para poder generar los datos requeridos.

Como era de esperar, reducir la viscosidad hace que un líquido sea más fácil de bombear y extender, mientras que aumentarla reduce el goteo, lo que puede ser una ventaja para productos como pinturas y tintas. La alta viscosidad también puede proporcionar la estructura necesaria para suspender partículas en medicamentos, productos de cuidado personal y bebidas. Asegurarse de que la viscosidad de un producto esté estrechamente relacionada con los requisitos de uso final es una estrategia valiosa para aumentar el valor del producto y satisfacer las expectativas del consumidor.

La mayoría de los fluidos complejos son adelgazantes al corte, es decir, su viscosidad disminuye al aumentar la tasa de cizalladura, aunque ciertos sistemas, como las suspensiones muy concentradas, pueden exhibir engrosamiento al corte, un aumento en la viscosidad a altas tasas de cizalladura. Esto significa que solo podemos igualar exitosamente la viscosidad de una formulación a los requisitos de rendimiento si la medimos bajo las condiciones de cizalladura aplicadas durante el uso del producto.

Definiendo un rango de medición

La clave aquí es proporcionar resultados relevantes en lugar de solo un número arbitrario… Por ejemplo, a 20°C, la mayonesa tiene una viscosidad de 500,000 mPas o cP a una tasa de cizalladura de 0.1 s^-1, mientras que a 100 s^-1 la viscosidad cae a alrededor de 2,000 mPas, por lo que la viscosidad depende mucho de la tasa de cizalladura que experimenta. En muchos procesos, un material pasa por una gama de tasas de cizalladura. Por ejemplo, al bombear, primero se aspira el material a la bomba con una cizalladura moderadamente baja, luego experimenta alta cizalladura al pasar por la cuchilla de la bomba, y luego baja cizalladura nuevamente al salir. Por lo tanto, para simular todo el proceso de bombeo, se necesitaría medir en un rango de tasas de cizalladura bastante amplio (es decir, de 1 a 1,000 s^-1).

Fragmento útil:

El término «tasa de cizalladura» describe la velocidad de flujo de cizallamiento que experimenta una muestra por unidad de volumen, mientras que el término «esfuerzo cortante» describe la fuerza de cizallamiento que experimenta una muestra por unidad de volumen.

Es importante notar que la tasa de cizalladura no solo depende de la velocidad del fluido, sino también de las dimensiones del fluido que se está cortando, por lo que en el caso de un flujo en tubería, tanto la tasa de flujo como el diámetro de la tubería son importantes, y esto se puede calcular [1]. También vale la pena pensar en el origen de la solicitud de viscosidad; ¿es solo un parámetro de control de calidad solicitado, o es la información necesaria para resolver un problema de proceso, por ejemplo? Si estamos considerando un problema de inicio de flujo en una tubería, por ejemplo, la viscosidad de baja tasa de cizalladura o el esfuerzo de fluencia puede ser el valor más relevante para citar, mientras que si estamos considerando tasas de flujo constantes en tuberías estrechas, entonces sería mejor usar una tasa de cizalladura más alta.

Como se puede ver en la tabla anterior, diferentes procesos tienen una gama de tasas de cizalladura asociadas en lugar de solo una tasa de cizalladura única, y un solo producto puede estar expuesto a muchos de estos procesos diferentes durante su ciclo de vida.

Aunque un solo valor de viscosidad puede ser suficiente en algunos casos (hecho a la tasa de cizalladura correcta), la mayoría de los productos requieren más información de viscosidad ya que experimentan una gama de tasas de cizalladura, creando la necesidad de generar una curva de flujo de equilibrio. De manera similar, la temperatura del proceso debe considerarse al hacer una medición de viscosidad, ya que este es un factor crítico. Como regla general, los sistemas basados en agua se reducen alrededor de un 2%/°C, mientras que los sistemas basados en aceite se reducen en viscosidad alrededor de un 10%/°C con el aumento de temperatura, por lo que en último caso, un buen control de temperatura puede ser crítico.

Simulando un proceso de cizalladura en un reómetro rotacional

Al cizallar un material en una configuración geométrica de dimensiones conocidas (por ejemplo, cono y placa, placas paralelas o un sistema de copa y bobina) en un reómetro rotacional, es posible simular directamente las tasas de cizalladura y esfuerzos de regímenes de flujo más complejos como los experimentados en un mezclador o un proceso de recubrimiento. Esto nos da la capacidad de simular directamente procesos relacionados con la producción, el almacenamiento y las condiciones de uso final en un entorno muy controlado utilizando pequeñas cantidades de muestra, y nos permite comparar diferentes productos y formulaciones de manera fácil y rápida.

Además, si inicialmente definimos un rango de viscosidad aceptable midiendo una curva de flujo para un producto que se sabe que funciona bien, por ejemplo, que tiene buena estabilidad, bombea de manera aceptable, etc., entonces esto puede proporcionar un valor o rango de viscosidad objetivo para los formuladores o ingenieros de procesos. Conocer la viscosidad del producto es útil en muchas partes de la formulación, la producción y el uso final, como se ilustra a continuación.

Al usar un reómetro con un amplio rango de velocidad y par como el Kinexus, es posible no solo medir viscosidades en un amplio rango de tasas de cizalladura, sino potencialmente lograr esto en una sola medición, proporcionando información sobre almacenamiento, procesamiento y uso final simultáneamente.

En mi próximo blog abordaremos cómo medir mejor una curva de flujo, incluyendo qué geometría de medición usar y cómo detectar y prevenir artefactos de medición.

1. Nota de Aplicación de Malvern Instruments – Procesamiento de productos no newtonianos: Determinación de la caída de presión para un fluido ley de potencia a lo largo de una tubería circular recta

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