Introducción
Las mediciones de oscilación, que pueden realizarse con el reómetro rotacional Kinexus, se utilizan para caracterizar las propiedades viscoelásticas de los materiales, por ejemplo, sólidos blandos como geles o pastas, o fluidos complejos como polímeros, emulsiones o suspensiones. En estos experimentos, se aplica una deformación por cizalladura sinusoidal (controlada por deformación) o una tensión de cizalladura (controlada por tensión), y posteriormente se analiza la respuesta del material.
Los principales parámetros obtenidos son:
- Módulo de cizalladura de almacenamiento (G'), que da información sobre el comportamiento "tipo sólido" de un material.
- Módulo de corte de pérdida (G"), relacionado con el comportamiento "líquido" de un material.
- Ángulo de fase (δ): Este parámetro es indicativo del desfase entre la tensión y la deformación aplicadas, facilitando así la determinación del comportamiento del material como el de un sólido (δ ≈ 0°) o el de un líquido (δ ≈ 90°).
Barrido de Amplitud: Determinación de la región viscoelásticaViscoelástica lineal)
Las mediciones oscilatorias suelen realizarse dentro de la Región viscoelástica lineal (LVER)En el LVER, las tensiones aplicadas son insuficientes para provocar la rotura estructural (cesión) de la estructura, por lo que se miden importantes propiedades microestructurales.región viscoelástica lineal (LVER), en la que la estructura del material no se ve afectada por la deformación aplicada. La Región viscoelástica lineal (LVER)En el LVER, las tensiones aplicadas son insuficientes para provocar la rotura estructural (cesión) de la estructura, por lo que se miden importantes propiedades microestructurales.LVER se determina mediante un barrido de amplitud. Este ensayo determina la amplitud de deformación máxima que puede utilizarse sin que se produzca una ruptura de la estructura del material para una frecuencia y temperatura definidas.
Dentro del Región viscoelástica lineal (LVER)En el LVER, las tensiones aplicadas son insuficientes para provocar la rotura estructural (cesión) de la estructura, por lo que se miden importantes propiedades microestructurales.LVER, las frecuencias de oscilación de entrada y de salida son las mismas (véase la figura 1).
Por el contrario, más allá del Región viscoelástica lineal (LVER)En el LVER, las tensiones aplicadas son insuficientes para provocar la rotura estructural (cesión) de la estructura, por lo que se miden importantes propiedades microestructurales.LVER, la excitación con onda de cizalladura sinusoidal conduce a una respuesta no sinusoidal (figura 2). La oscilación de entrada (por ejemplo, con una frecuencia base de 1 Hz) se descompone en oscilaciones de diferentes frecuencias armónicas; véase la figura 3.
La distorsión armónica se define del siguiente modo:
I1: Amplitud de la frecuencia de entrada
In: Amplitud de la enésima componente armónica de la respuesta oscilatoria
Una distorsión armónica del 0% significa una linealidad perfecta de la señal. Este parámetro puede visualizarse en el software de medición y evaluación Kinexus, rSpace, para comprobar la corrección de los datos oscilatorios.
Mínima distorsión armónica (HD) = Mejor relación señal/ruido
En la figura 4 se muestra un ejemplo: las curvas del módulo de cizalladura elástico (G', rojo), el módulo de cizalladura viscoso (G'', azul), la amplitud de la tensión de cizalladura (σ, verde) y la distorsión armónica (HD, negro) durante un barrido de amplitud. La deformación de cizalladura, γ, detectada con la HD mínima corresponde a la deformación para una relación señal-ruido óptima. Este valor puede utilizarse para las siguientes mediciones oscilatorias (barrido de frecuencia, barrido de temperatura, etc.).
Distorsión armónica para comprobar la linealidad durante las rampas de temperatura o frecuencia
La Región viscoelástica lineal (LVER)En el LVER, las tensiones aplicadas son insuficientes para provocar la rotura estructural (cesión) de la estructura, por lo que se miden importantes propiedades microestructurales.región viscoelástica lineal (LVER) depende de las condiciones de medición, como la frecuencia y la temperatura. En un barrido de amplitud, estos parámetros se mantienen constantes para determinar la deformación adecuada dentro de la Región viscoelástica lineal (LVER)En el LVER, las tensiones aplicadas son insuficientes para provocar la rotura estructural (cesión) de la estructura, por lo que se miden importantes propiedades microestructurales.LVER. Durante un barrido de frecuencia, sin embargo, la frecuencia varía a lo largo del ensayo, y la Región viscoelástica lineal (LVER)En el LVER, las tensiones aplicadas son insuficientes para provocar la rotura estructural (cesión) de la estructura, por lo que se miden importantes propiedades microestructurales.LVER puede cambiar en consecuencia. Para garantizar que el material se mantiene dentro del Región viscoelástica lineal (LVER)En el LVER, las tensiones aplicadas son insuficientes para provocar la rotura estructural (cesión) de la estructura, por lo que se miden importantes propiedades microestructurales.LVER en toda la gama de frecuencias, puede controlarse la señal de distorsión armónica como indicador del comportamiento lineal.
Conclusión
La distorsión armónica es una señal importante para comprobar si las mediciones de las oscilaciones se realizan en la Región viscoelástica lineal (LVER)En el LVER, las tensiones aplicadas son insuficientes para provocar la rotura estructural (cesión) de la estructura, por lo que se miden importantes propiedades microestructurales. región viscoelástica lineal. Afecta tanto al campo de los polímeros como al alimentario y farmacéutico:
- Termoplásticos: La determinación del Región viscoelástica lineal (LVER)En el LVER, las tensiones aplicadas son insuficientes para provocar la rotura estructural (cesión) de la estructura, por lo que se miden importantes propiedades microestructurales.LVER es crucial para captar únicamente las propiedades intrínsecas del material durante los barridos de frecuencia o temperatura de polímeros y plásticos. Si las mediciones se realizaran fuera del Región viscoelástica lineal (LVER)En el LVER, las tensiones aplicadas son insuficientes para provocar la rotura estructural (cesión) de la estructura, por lo que se miden importantes propiedades microestructurales.LVER, podrían producirse cambios estructurales adicionales como la orientación de la cadena, desentrañamientos o incluso daños en la red polimérica. Esto daría lugar a datos de medición distorsionados y haría que la evaluación de los estudios de procesamiento o envejecimiento no fuera fiable.
- Termoestables, revestimientos y adhesivos: Estos sistemas contienen a menudo redes sensibles de polímeros o cargas que pueden destruirse bajo una tensión excesiva. Si no se tiene en cuenta el Región viscoelástica lineal (LVER)En el LVER, las tensiones aplicadas son insuficientes para provocar la rotura estructural (cesión) de la estructura, por lo que se miden importantes propiedades microestructurales.LVER, los materiales parecen demasiado blandos o demasiado duros, lo que puede dar lugar a decisiones incorrectas en la aplicación y el diseño del proceso (por ejemplo, ventanas de viscosidad incorrectas para la aplicación o predicciones inexactas de la adherencia).
- Alimentación (p. ej., geles, emulsiones, grasas untables): En este caso, es especialmente importante no destruir la frágil microestructura (por ejemplo, redes de emulsión, geles de proteínas, cristales de grasa) por un cizallamiento excesivo. Las mediciones fuera del Región viscoelástica lineal (LVER)En el LVER, las tensiones aplicadas son insuficientes para provocar la rotura estructural (cesión) de la estructura, por lo que se miden importantes propiedades microestructurales.LVER podrían, por ejemplo, romper un gel o reorganizar los cristales de grasa, haciendo que la textura parezca "artificialmente" más blanda de lo que es en realidad. Esto tendría consecuencias directas para el desarrollo del producto y el control de calidad, ya que la estabilidad, la sensación en boca o la untabilidad se evaluarían incorrectamente.
- Formulaciones farmacéuticas (por ejemplo, cremas, pastas, suspensiones): También en este caso, la integridad estructural es clave, especialmente a la hora de evaluar la estabilidad durante el almacenamiento o la liberación de principios activos. Si las mediciones se realizan fuera del LVER, el cizallamiento podría alterar las estructuras de las partículas o del soporte, lo que llevaría a una estimación errónea de las propiedades de flujo y aplicación. En el peor de los casosEn relación con un reactor químico, el peor escenario posible es la situación en la que la producción de temperatura y/o presión causada por la reacción se descontrola.En el peor de los casos, esto podría repercutir en la eficacia o la seguridad del paciente.
El factor de distorsión garantiza que las investigaciones reológicas se lleven a cabo en un rango en el que la estructura del material permanezca intacta. Esto evita que la propia medición distorsione el resultado, un requisito previo para obtener datos fiables, comparables y relevantes para la práctica.