Introducción
Cuando se deforman, los materiales viscoelásticos sufren una deformación tridimensional, que puede describirse mediante un tensor (3x3) (véase la figura 1).
El tensor contiene tres tensiones normales, σxx, σyy, σzz. Los otros seis tensores son tensiones de cizalladura. Si el comportamiento viscoso domina (es decir, si el fluido fluye), entonces sólo hay un componente de tensión de cizallamiento y los otros pueden ser ignorados.
La primera diferencia de tensión normal puede definirse como:
Donde σxx es la tensión que actúa en la dirección del cizallamiento aplicado y σyy es la tensión que actúa en la dirección de la fuerza normal. En un experimento reológico, el empuje hacia arriba sobre la geometría y el cojinete es la fuerza normal (que está en la dirección axial). Las diferencias de tensión normal suelen depender más de la velocidad de cizallamiento que la tensión de cizallamiento y pueden mostrar aumentos significativos con el aumento de la velocidad de cizallamiento.
Además de N1, también podemos definir el primer coeficiente de tensión normal, que puede considerarse un equivalente viscoelástico de la viscosidad y depende de la velocidad de cizallamiento ý de acuerdo con la siguiente ecuación.
Las diferencias de tensión normal están asociadas a efectos no lineales y son el resultado de que la microestructura subyacente se vuelva anisótropa en las condiciones de flujo. Efectos reológicos normales, como el efecto Weissenberg o de "trepado de varillas", el efecto de "hinchamiento en la matriz" o "hinchamiento tras la extrusión", etc.
Una gama de productos large, que incluye polímeros fundidos, soluciones, sistemas tensioactivos y emulsiones, puede presentar tensiones normales. En la mayoría de los casos, las tensiones normales son positivas, pero también se han descrito tensiones normales negativas en algunos casos, por ejemplo, en geles laminares.
La mejor geometría para medir correctamente la primera diferencia de tensión normal es la geometría de cono y placa, ya que ofrece una velocidad de cizallamiento constante en toda la muestra y el empuje hacia arriba se debe únicamente a N1.
Experimental
- Se evaluó el comportamiento viscoelástico no lineal de un jabón corporal.
- Se realizaron mediciones reométricas rotacionales utilizando un reómetro Kinexus con un cartucho de placa Peltier y utilizando el sistema de medición de placa cónica1, y utilizando secuencias estándar preconfiguradas en el software rSpace.
- Se utilizó una secuencia de carga estándar para garantizar que ambas muestras se sometían a un protocolo de carga coherente y controlable.
- Todas las mediciones reológicas se realizaron a 25°C.
- La curva de flujo se generó utilizando una tabla de equilibrio de pruebas de velocidad de cizallamiento entre 0,1 y 1000 s-1 y se determinó la fuerza normal.
Resultados y debate
La figura 2 muestra la curva viscosidad-velocidad de cizallamiento del gel de baño. Este producto puede clasificarse como un líquido que se diluye por cizallamiento, ya que muestra un comportamiento newtoniano a bajas velocidades de cizallamiento, seguido de una rápida caída de la viscosidad por encima de una velocidad de cizallamiento crítica. Por encima de esta velocidad crítica, también se produce un aumento aparente de la fuerza normal como resultado de un comportamiento viscoelástico no lineal causado por la tensión en la microestructura deformante.
Esto es más evidente cuando se comparan directamente las tensiones de cizalladura y las normales, como en la figura 3. Esto muestra que la tensión normal supera a la tensión de cizalladura en el punto en que ésta se hace constante. En ella se observa que la tensión normal supera a la tensión de cizallamiento en el punto en el que ésta se hace constante. Esto se corresponde con un comportamiento de flujo elástico dominante y explica por qué los jabones corporales estructurados con tensioactivos parecen "muy elásticos" y "fibrosos" cuando se utilizan. Con el tiempo, este comportamiento elástico dominante provocará inestabilidades de flujo a velocidades de cizallamiento elevadas y la muestra trepará fuera del hueco de medición.
La figura 4 muestra el primer coeficiente de tensión normal ψ1 trazado junto con la viscosidad de cizallamiento. Los dos coeficientes muestran formas similares, pero como ψ1 es proporcional a ý[1], en este caso es inferior a η y muestra un gradiente más pronunciado. Comparar ψ1 o N1 así como la viscosidad para materiales viscoelásticos puede ser útil, especialmente si el material es altamente viscoelástico y la aplicación o proceso en el que se utiliza el material es probable que genere tensión en las líneas de corriente.
Conclusión
El comportamiento viscoelástico no lineal de un material No newtonianoUn fluido no newtoniano es aquel que presenta una viscosidad que varía en función de la velocidad de cizallamiento o de la tensión de cizallamiento aplicada.no newtoniano puede determinarse midiendo la fuerza normal en función de la velocidad de cizallamiento mediante un sistema de medición de placa cónica. También pueden calcularse la primera diferencia de tensión normal y el primer coeficiente de tensión normal, que equivalen a la tensión de cizallamiento y la viscosidad de cizallamiento, respectivamente.
1Tengaen cuenta que las pruebas deben realizarse con un sistema de medición de placa cónica.