Reómetro

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Un reómetro es un dispositivo de laboratorio que se utiliza para medir la forma en que fluye un fluido viscoso (un líquido , una suspensión o un lodo ) en respuesta a fuerzas aplicadas. Se utiliza para aquellos fluidos que no se pueden definir con un único valor de viscosidad y, por lo tanto, requieren que se establezcan y midan más parámetros que en el caso de un viscosímetro . Mide la reología del fluido.

Existen dos tipos de reómetros claramente diferentes. Los reómetros que controlan la tensión de corte o la deformación de corte aplicada se denominan reómetros rotacionales o de corte, mientras que los reómetros que aplican tensión de corte o deformación de corte son reómetros de corte. Los reómetros rotacionales o de corte suelen estar diseñados como un instrumento controlado por deformación nativa (controlan y aplican una deformación de corte definida por el usuario que luego puede medir la tensión de corte resultante) o como un instrumento controlado por tensión nativa (controlan y aplican una tensión de corte definida por el usuario y miden la deformación de corte resultante).

La palabra reómetro proviene del griego y significa un dispositivo para medir el flujo principal. ^[1] En el siglo XIX se usaba comúnmente para dispositivos que medían corriente eléctrica, hasta que la palabra fue suplantada por galvanómetro y amperímetro . También se usaba para medir el flujo de líquidos, en la práctica médica (flujo de sangre) y en ingeniería civil (flujo de agua). Este último uso persistió hasta la segunda mitad del siglo XX en algunas áreas. Después de la acuñación del término reología, la palabra pasó a aplicarse a instrumentos para medir el carácter en lugar de la cantidad de flujo, y los otros significados están obsoletos. (Fuente principal: Oxford English Dictionary ) El principio y el funcionamiento de los reómetros se describen en varios textos. ^{[2] [3]}

Se pueden definir cuatro planos básicos de corte según su geometría,

• Flujo de placa de arrastre Couette
• Flujo cilíndrico
• Flujo de Poiseuille en un tubo y
• Flujo placa-placa

Los distintos tipos de reómetros de cizallamiento utilizan una o una combinación de estas geometrías.

Un ejemplo de un reómetro de corte lineal es el reómetro cutáneo lineal Goodyear, que se utiliza para probar fórmulas de cremas cosméticas y con fines de investigación médica para cuantificar las propiedades elásticas del tejido. El dispositivo funciona colocando una sonda lineal en la superficie del tejido en prueba, se aplica una fuerza cíclica controlada y se mide la fuerza de corte resultante utilizando una celda de carga. El desplazamiento se mide utilizando un LVDT. De este modo, se capturan y analizan los parámetros básicos de tensión-deformación para derivar la tasa de elasticidad dinámica del tejido en prueba.

El líquido se hace pasar a través de un tubo de sección transversal constante y dimensiones conocidas con precisión en condiciones de flujo laminar . El caudal o la caída de presión son fijos y el otro se mide. Conociendo las dimensiones, el caudal se puede convertir en un valor para la velocidad de corte y la caída de presión en un valor para la tensión de corte . Variando la presión o el caudal se puede determinar una curva de caudal. Cuando se dispone de una cantidad relativamente pequeña de fluido para la caracterización reométrica, se puede utilizar un reómetro microfluídico con sensores de presión integrados para medir la caída de presión para un caudal controlado. ^{[4] [5]}

Los reómetros capilares son especialmente ventajosos para la caracterización de soluciones de proteínas terapéuticas, ya que determinan la capacidad de ser inyectadas. ^[6] Además, existe una relación inversa entre la reometría y la estabilidad de la solución, así como las interacciones termodinámicas.

Un reómetro de corte dinámico , comúnmente conocido como DSR, se utiliza para investigación y desarrollo, así como para control de calidad en la fabricación de una amplia gama de materiales. Los reómetros de corte dinámico se han utilizado desde 1993, cuando se utilizó Superpave para caracterizar y comprender las propiedades reológicas a alta temperatura de los ligantes asfálticos tanto en estado fundido como sólido, y es fundamental para formular la química y predecir el rendimiento de uso final de estos materiales.

El líquido se coloca dentro del anillo de un cilindro dentro de otro. Uno de los cilindros gira a una velocidad establecida. Esto determina la tasa de corte dentro del anillo. El líquido tiende a arrastrar al otro cilindro y se mide la fuerza que ejerce sobre ese cilindro ( par ), que se puede convertir en una tensión de corte . Una versión de esto es el viscosímetro Fann VG, que funciona a dos velocidades (300 y 600 rpm) y, por lo tanto, solo da dos puntos en la curva de flujo. Esto es suficiente para definir un modelo plástico de Bingham que alguna vez se usó ampliamente en la industria petrolera para determinar el carácter de flujo de los fluidos de perforación . En los últimos años, los reómetros que giran a 600, 300, 200, 100, 6 y 3 RPM se han vuelto más comunes. Esto permite que se utilicen modelos de fluidos más complejos como Herschel-Bulkley . Algunos modelos permiten aumentar y disminuir la velocidad de forma continua y programada, lo que permite medir propiedades dependientes del tiempo.

El líquido se coloca sobre una placa horizontal y se coloca un cono poco profundo en su interior. El ángulo entre la superficie del cono y la placa es de alrededor de 1 a 2 grados, pero puede variar según los tipos de pruebas que se realicen. Normalmente, se gira la placa y se mide el par en el cono. Una versión conocida de este instrumento es el reogoniómetro de Weissenberg, en el que el movimiento del cono se resiste mediante una fina pieza de metal que se retuerce, conocida como barra de torsión . La respuesta conocida de la barra de torsión y el grado de torsión dan la tensión de corte , mientras que la velocidad de rotación y las dimensiones del cono dan la velocidad de corte . En principio, el reogoniómetro de Weissenberg es un método absoluto de medición siempre que se configure con precisión. Otros instrumentos que funcionan con este principio pueden ser más fáciles de usar, pero requieren calibración con un fluido conocido. Los reómetros de cono y placa también pueden funcionar en modo oscilante para medir propiedades elásticas, o en modos rotacional y oscilante combinados.

En el pasado, los dispositivos con deformación controlada o velocidad de deformación (reómetros CR) se diferenciaban de los reómetros con tensión controlada (reómetros CS) dependiendo del principio de medición.

En un reómetro de deformación controlada (CR), la muestra se somete a un desplazamiento o velocidad (deformación o tasa de deformación) mediante un motor de CC, y el par resultante (tensión) se mide por separado mediante un sensor de fuerza-par adicional (transductor de compensación de par). La corriente eléctrica utilizada para generar el desplazamiento o la velocidad del motor no se utiliza como medida del par que actúa en la muestra. Este modo de funcionamiento también se conoce como modo de transductor de motor independiente (SMT).

• El ángulo de deflexión/deformación y la velocidad de corte los establece el motor en función del control de posición del codificador óptico en la parte inferior.
• La reacción de la muestra (la tensión que actúa dentro de la muestra) se mide mediante un transductor de fuerza-torque adicional (transductor de reequilibrio de torque).
• La separación de la medición del par y del accionamiento presenta ventajas en las pruebas controladas por deformación, ya que el momento de inercia del motor no influye en el par medido.
• Se pueden encontrar limitaciones del modo SMT en mediciones controladas por tensión (por ejemplo, pruebas de fluencia).

En un reómetro de tensión controlada (CS), el par que actúa en la muestra se determina directamente a partir del par eléctrico generado en el motor. Con este diseño, no se requiere un sensor de par independiente. Por lo general, este modo de funcionamiento se describe como modo combinado de motor y transductor (CMT).

• La tensión que actúa en la muestra se determina directamente a partir del par generado en el motor, que es necesario para deformar la muestra.
• El ángulo de deflexión/deformación y la velocidad de corte se determinan mediante el uso de un codificador óptico.
• Los reómetros de un solo motor permiten la caracterización de muestras en pruebas controladas por velocidad de deformación/corte o por esfuerzo cortante.
• Dado que solo se requiere un actor (motor), el reómetro de motor único se puede combinar fácilmente con accesorios adicionales específicos de la aplicación que permiten el estudio de las propiedades del material en una variedad de aplicaciones diferentes.
• Pueden surgir limitaciones debido a una evaluación de datos menos precisa en el régimen transitorio de las pruebas de corte de arranque.

En la actualidad, existen conceptos de dispositivos que permiten ambos modos de trabajo, el modo de transductor de motor combinado y el modo de transductor de motor separado, utilizando dos motores en un dispositivo. El uso de un solo motor permite realizar mediciones en el modo de transductor de motor combinado. El uso de ambos motores permite trabajar en el modo de transductor de motor separado, donde un motor se utiliza para deformar la muestra mientras que el otro motor se utiliza para registrar el par que actúa en la muestra. Además, este concepto permite modos de operación adicionales, como el modo contrarrotante, donde ambos motores pueden girar u oscilar en direcciones opuestas. Este modo de operación se utiliza, por ejemplo, para aumentar el rango máximo de velocidad de corte alcanzable o para la caracterización reoóptica avanzada de muestras.

El desarrollo de los reómetros extensionales ha sido más lento que el de los reómetros de cizallamiento, debido a los desafíos asociados con la generación de un flujo extensional homogéneo. En primer lugar, las interacciones del fluido de prueba o del material fundido con las interfaces sólidas darán como resultado un componente de flujo de cizallamiento, lo que comprometerá los resultados. En segundo lugar, se debe controlar y conocer el historial de deformación de todos los elementos del material. En tercer lugar, las tasas de deformación y los niveles de deformación deben ser lo suficientemente altos como para estirar las cadenas poliméricas más allá de su radio de giro normal, lo que requiere instrumentación con un amplio rango de tasas de deformación y una gran distancia de recorrido. ^{[8] [9]}

Los reómetros extensionales disponibles comercialmente se han clasificado de acuerdo con su aplicabilidad a los rangos de viscosidad. Los materiales con un rango de viscosidad de aproximadamente 0,01 a 1 Pa.s. (la mayoría de las soluciones de polímeros) se caracterizan mejor con reómetros de ruptura capilar, dispositivos de chorro opuesto o sistemas de flujo de contracción. Los materiales con un rango de viscosidad de aproximadamente 1 a 1000 Pa.s. se utilizan en reómetros de estiramiento de filamentos. Los materiales con una viscosidad alta >1000 Pa.s., como los polímeros fundidos, se caracterizan mejor con dispositivos de longitud constante. ^[10]

La reometría extensional se realiza comúnmente en materiales sometidos a una deformación por tracción. Este tipo de deformación puede ocurrir durante el procesamiento, como el moldeo por inyección, el hilado de fibras, la extrusión, el moldeo por soplado y los flujos de recubrimiento. También puede ocurrir durante el uso, como la descohesión de adhesivos, el bombeo de jabones de manos y la manipulación de productos alimenticios líquidos.

En la siguiente tabla se muestra una lista de reómetros extensionales comercializados actualmente y anteriormente.

Rheotens es un reómetro de hilado de fibras, adecuado para fundidos poliméricos. El material se bombea desde un tubo ascendente y un conjunto de ruedas alarga la hebra. Un transductor de fuerza montado en una de las ruedas mide la fuerza de extensión resultante. Debido al precorte inducido a medida que el fluido se transporta a través del tubo ascendente, es difícil obtener una viscosidad de extensión real. Sin embargo, el Rheotens es útil para comparar las propiedades de flujo de extensión de un conjunto homólogo de materiales.

El CaBER es un reómetro de ruptura capilar . Se coloca una pequeña cantidad de material entre placas, que se estiran rápidamente hasta alcanzar un nivel fijo de deformación. El diámetro del punto medio se controla en función del tiempo a medida que el filamento del fluido se estrecha y se rompe bajo las fuerzas combinadas de tensión superficial, gravedad y viscoelasticidad. La viscosidad extensional se puede extraer de los datos en función de la deformación y la velocidad de deformación. Este sistema es útil para fluidos de baja viscosidad, tintas, pinturas, adhesivos y fluidos biológicos.

El FiSER (reómetro extensional de estiramiento de filamentos) se basa en los trabajos de Sridhar et al. y Anna et al. ^[11] En este instrumento, un conjunto de motores lineales separan un filamento de fluido a una velocidad que aumenta exponencialmente mientras se mide la fuerza y ​​el diámetro en función del tiempo y la posición. Al deformar a una velocidad que aumenta exponencialmente, se puede lograr una tasa de deformación constante en las muestras (salvo las limitaciones de flujo de la placa terminal). Este sistema puede monitorear la viscosidad extensional dependiente de la deformación, así como la disminución de la tensión después del cese del flujo. Se puede encontrar una presentación detallada sobre los diversos usos de la reometría de estiramiento de filamentos en el sitio web del MIT. ^[12]

El reómetro extensional Sentmanat (SER) es en realidad un dispositivo que se puede instalar en campo en los reómetros de cizallamiento. Una película de polímero se enrolla en dos tambores giratorios, que aplican una deformación extensional de velocidad de deformación constante o variable sobre la película de polímero. La tensión se determina a partir del par ejercido por los tambores.

Los reómetros acústicos emplean un cristal piezoeléctrico que puede lanzar fácilmente una onda sucesiva de extensiones y contracciones en el fluido. Este método sin contacto aplica una tensión de extensión oscilante. Los reómetros acústicos miden la velocidad del sonido y la atenuación del ultrasonido para un conjunto de frecuencias en el rango de los megahercios. La velocidad del sonido es una medida de la elasticidad del sistema. Se puede convertir en compresibilidad del fluido. La atenuación es una medida de las propiedades viscosas. Se puede convertir en módulo longitudinal viscoso. En el caso de un líquido newtoniano, la atenuación proporciona información sobre la viscosidad del volumen. Este tipo de reómetro funciona a frecuencias mucho más altas que otros. Es adecuado para estudiar efectos con tiempos de relajación mucho más cortos que cualquier otro reómetro.

Una versión más simple del reómetro de estiramiento de filamentos, el reómetro de placa descendente, coloca el líquido entre dos superficies sólidas. La placa superior está fija y la placa inferior cae bajo la influencia de la gravedad, extrayendo una hebra del líquido.

Otros sistemas implican que el líquido pase a través de un orificio, se expanda desde un capilar o se succione desde una superficie hacia una columna mediante el vacío. Se puede utilizar un reómetro capilar presurizado para diseñar tratamientos térmicos de alimentos líquidos. Esta instrumentación podría ayudar a prevenir el procesamiento excesivo o insuficiente de alimentos líquidos porque no sería necesaria la extrapolación a altas temperaturas. ^[13]

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Reómetros .

• Reómetro acústico
• Reómetro de corte dinámico
• Reología de los alimentos
• Piezómetro
• Reometría

• K. Walters (1975) Reometría (Chapman & Hall) ISBN 0-412-12090-9 
• ASDukhin y PJGoetz "Ultrasonido para caracterizar coloides", Elsevier, (2002)

• Consulte el reómetro de corte dinámico de Cooper Research Technology
• Presentación sobre usos alternativos de los reómetros Archivado el 15 de septiembre de 2019 en Wayback Machine.