Determinación de la tensión de fluencia de fluidos complejos mediante el ensayo de crecimiento de tensión en un reómetro rotacional - Loción corporal

Introducción

Muchos fluidos complejos, como los polímeros que forman redes, las mesofases de tensioactivos y las emulsiones concentradas, no fluyen hasta que la tensión aplicada supera un determinado valor crítico, conocido como Tensión de fluenciaEl límite elástico se define como la tensión por debajo de la cual no se produce flujo; literalmente, se comporta como un sólido débil en reposo y como un líquido cuando cede.límite elástico. Los materiales que presentan este comportamiento se denominan fluidos de fluencia. Por tanto, el Tensión de fluenciaEl límite elástico se define como la tensión por debajo de la cual no se produce flujo; literalmente, se comporta como un sólido débil en reposo y como un líquido cuando cede.límite elástico se define como la tensión que debe aplicarse a la muestra para que comience a fluir. Por debajo del Tensión de fluenciaEl límite elástico se define como la tensión por debajo de la cual no se produce flujo; literalmente, se comporta como un sólido débil en reposo y como un líquido cuando cede.límite elástico, la muestra se deforma elásticamente (como si se estirara un muelle); por encima del Tensión de fluenciaEl límite elástico se define como la tensión por debajo de la cual no se produce flujo; literalmente, se comporta como un sólido débil en reposo y como un líquido cuando cede.límite elástico, la muestra fluye como un líquido.

La mayoría de los fluidos con Tensión de fluenciaEl límite elástico se define como la tensión por debajo de la cual no se produce flujo; literalmente, se comporta como un sólido débil en reposo y como un líquido cuando cede.límite elástico pueden considerarse como un esqueleto estructural que se extiende por todo el volumen del sistema. La resistencia del esqueleto se rige por la estructura de la fase dispersa y sus interacciones. Normalmente, la fase continua es de baja viscosidad, sin embargo, altas fracciones de volumen de una fase dispersa pueden aumentar la viscosidad mil veces e inducir un comportamiento similar al de un sólido en reposo.

Cuando un fluido complejo que presenta un comportamiento de fluencia se cizalla a velocidades de cizallamiento bajas, entre 0,01 y 0,1 ^s-1 y por debajo de su deformación crítica, el sistema se somete a un endurecimiento por deformación. Esto es característico del comportamiento sólido y se debe a que los elementos elásticos se estiran en el campo de cizallamiento. Cuando estos elementos elásticos se acercan a su deformación crítica, la estructura comienza a romperse, lo que provoca un Adelgazamiento por cizallamientoEl tipo más común de comportamiento no newtoniano es el adelgazamiento por cizallamiento o flujo pseudoplástico, en el que la viscosidad del fluido disminuye al aumentar el cizallamiento.adelgazamiento por cizallamiento (reblandecimiento de la deformación) y el consiguiente flujo. Esto coincide con un valor máximo del esfuerzo cortante, que es igual al límite elástico. Esto se representa en la figura 1.

El límite elástico se define como la tensión que debe aplicarse a la muestra antes de que empiece a fluir.

Normalmente, en estos ensayos se emplea una velocidad de cizallamiento baja para tener en cuenta las propiedades de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación temporal del material, aunque pueden emplearse diferentes velocidades de cizallamiento en función de la aplicación de interés. Los procesos rápidos, como la dosificación, se producen en escalas de tiempo cortas, lo que se corresponde con velocidades de cizallamiento más altas, mientras que la estabilidad a la sedimentación/cremación se produce en tiempos más largos y se evalúa mejor con velocidades de cizallamiento más bajas. Dado que el límite elástico es generalmente una propiedad dependiente del tiempo, los valores medidos pueden ser diferentes. Sin embargo, una velocidad de cizallamiento de 0,01 ^s-1 se utiliza habitualmente en este tipo de ensayos y se ha comprobado que ofrece una buena concordancia con otros métodos de límite elástico, como los ensayos de fluencia [1].

Esta nota de aplicación muestra la metodología y los datos de una prueba de crecimiento de tensión para una loción corporal.

Experimental

• Se eligió para el análisis un producto comercial de loción corporal.
• Las mediciones del reómetro rotacional se realizaron utilizando un reómetro Kinexus con un cartucho de placas Peltier y un sistema de medición de placas paralelas rugosas de 40 mm (para evitar el deslizamiento de la muestra en las superficies de la geometría⁾², y utilizando secuencias estándar preconfiguradas en el software rSpace.
• La posición de cizallamiento para la geometría de placas paralelas se ajustó al 100% en el software rSpace (utilizando la base de datos de geometría) para medir la tensión en el inicio de la fluencia.
• Se utilizó una secuencia de carga estándar para garantizar que la muestra se sometía a un protocolo de carga coherente y controlable.
• Se realizó un único ensayo de velocidad de cizallamiento a una velocidad de 0,01 ^s-1, y se midió la evolución de la tensión en función del tiempo.
• Los datos se analizaron mediante un análisis de picos para determinar el límite elástico.
• Todas las mediciones reológicas se realizaron a 25°C.

Resultados y debate

La figura 2 muestra una curva de tensión en función del tiempo para la muestra de loción corporal. La tensión aumenta originalmente a medida que se incrementa la deformación y alcanza un valor máximo en la deformación crítica, que es igual al límite elástico.

Tabla 1: Resultados del análisis de picos a partir de la curva de evolución de la tensión para la muestra de loción corporal

Este valor de pico se determina automáticamente a partir de un análisis de pico y se informa en el software rSpace en forma tabular, como se muestra en la Tabla 1. El valor del límite elástico indicado para esta loción corporal es de 75,4 Pa y se ha comprobado que se produce a una deformación de aproximadamente 0,5 (50%).

Como se menciona en la introducción, para algunos materiales el límite elástico medido puede depender de la velocidad de cizallamiento, especialmente cuando se produce una RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación estructural significativa con el tiempo. En estos casos, se observará un límite elástico más alto para velocidades de cizallamiento más altas, ya que hay menos tiempo para que la estructura se relaje.

Por ejemplo, la misma prueba de crecimiento de tensión realizada en la misma loción corporal a una velocidad de cizallamiento de 0,1 ^s-1 en lugar de 0,01 ^s-1 dio un límite elástico de 82 Pa.

Conclusión

El crecimiento de la tensión es una prueba rápida y precisa para determinar el límite elástico de un material. Sin embargo, es importante emplear una velocidad de cizallamiento constante para realizar ensayos comparativos, ya que diferentes velocidades de cizallamiento pueden dar resultados diferentes en función del comportamiento de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación del material ensayado.

Tenga en cuenta...

que los ensayos pueden realizarse con geometría de cono y placa o de placa paralela, siendo preferible esta última para dispersiones y emulsiones con tamaños de partícula large. Estos tipos de materiales también pueden requerir el uso de geometrías dentadas o rugosas para evitar artefactos relacionados con el deslizamiento en la superficie de la geometría.