Reducción de espesor por cizallamiento

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 .

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]

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]${\displaystyle {\dot {\gamma }}}$

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

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.

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]

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

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]

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.

• 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

• El gran misterio del ketchup