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Reología

La reología ( / r i ˈ ɒ l ə dʒ i / ; del griego antiguo ῥέω ( rhéō ) ' flujo ' y -λoγία ( -logía ) ' estudio de ' ) es el estudio del flujo de la materia , principalmente en est...

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La reología ( / r i ˈ ɒ l ə dʒ i / ; del griego antiguo ῥέω ( rhéō ) ' flujo ' y -λoγία ( -logía ) ' estudio de ' ) es el estudio del flujo de la materia , principalmente en estado fluido ( líquido o gaseoso ) , así como de los " sólidos blandos ", que experimentan condiciones bajo las cuales responden con flujo plástico en lugar de deformación elástica a las fuerzas aplicadas sobre ellos. [ 1 ] La reología es la rama de la física que se ocupa de la deformación y el flujo de los materiales, tanto sólidos como líquidos. [ 2 ] La microrreología es la especialización de la reología en la escala de partículas , mientras que la nanorreología [ 3 ] [ 4 ] es su especialización en la nanoescala . [ 5 ]  

El término reología fue acuñado por Eugene C. Bingham , profesor del Lafayette College , en 1920 a partir de una sugerencia de un colega, Markus Reiner . [ 6 ] [ 7 ] El término se inspiró en el aforismo de Heráclito (a menudo atribuido erróneamente a Simplicio ), panta rhei ( πάντα ῥεῖ , 'todo fluye' [ 8 ] [ 9 ] ) y se utilizó por primera vez para describir el flujo de líquidos y la deformación de sólidos. Se aplica a sustancias que tienen una microestructura compleja, como lodos , fangos , suspensiones y polímeros y otros formadores de vidrio (por ejemplo, silicatos), así como muchos alimentos y aditivos, fluidos corporales (por ejemplo, sangre) y otros materiales biológicos , y otros materiales que pertenecen a la clase de materia blanda como los alimentos.

Los fluidos newtonianos se caracterizan por un único coeficiente de viscosidad para una temperatura específica. Si bien esta viscosidad varía con la temperatura, no lo hace con la velocidad de deformación . Solo un pequeño grupo de fluidos presenta una viscosidad constante. La gran clase de fluidos cuya viscosidad varía con la velocidad de deformación (la velocidad de flujo relativa ) se denomina fluidos no newtonianos .

La reología generalmente explica el comportamiento de los fluidos no newtonianos caracterizando el número mínimo de funciones necesarias para relacionar las tensiones con la tasa de cambio de la deformación o las velocidades de deformación. Por ejemplo, la viscosidad del kétchup puede reducirse al agitarlo (u otras formas de agitación mecánica, donde el movimiento relativo de las diferentes capas del material provoca la reducción de la viscosidad), pero la del agua no. El kétchup es un material pseudoplástico, como el yogur y la pintura en emulsión (en la terminología estadounidense, pintura de látex o acrílica ), que exhibe tixotropía , donde un aumento en la velocidad de flujo relativa provoca una reducción de la viscosidad, por ejemplo, al agitarlo. Otros materiales no newtonianos muestran el comportamiento opuesto, reopectítica (la viscosidad aumenta con la deformación relativa), y se denominan materiales dilatantes o espesantes por cizallamiento . Dado que Sir Isaac Newton originó el concepto de viscosidad, el estudio de líquidos con viscosidad dependiente de la velocidad de deformación también se denomina a menudo mecánica de fluidos no newtonianos . [ 2 ]

La caracterización experimental del comportamiento reológico de un material se conoce como reometría , aunque el término reología se usa frecuentemente como sinónimo de reometría, sobre todo por los experimentalistas. Los aspectos teóricos de la reología son la relación entre el comportamiento de flujo/deformación del material y su estructura interna (por ejemplo, la orientación y el alargamiento de las moléculas de polímero) y el comportamiento de flujo/deformación de materiales que no pueden describirse mediante la mecánica de fluidos clásica o la elasticidad.

Alcance

En la práctica, la reología se ocupa principalmente de extender la mecánica de medios continuos para caracterizar el flujo de materiales que exhiben una combinación de comportamiento elástico , viscoso y plástico , mediante la combinación adecuada de la elasticidad y la mecánica de fluidos ( newtoniana ) . También se ocupa de predecir el comportamiento mecánico (a escala mecánica de medios continuos) basándose en la micro- o nanoestructura del material, por ejemplo, el tamaño molecular y la arquitectura de los polímeros en solución o la distribución del tamaño de partícula en una suspensión sólida. Los materiales con características de fluido fluirán cuando se sometan a una tensión , que se define como la fuerza por unidad de área. Existen diferentes tipos de tensión (por ejemplo, cortante, torsional, etc.), y los materiales pueden responder de manera diferente bajo distintas tensiones. Gran parte de la reología teórica se ocupa de asociar fuerzas y pares externos con tensiones internas, gradientes de deformación internos y velocidades de flujo. [ 2 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

La reología unifica los campos aparentemente no relacionados de la plasticidad y la dinámica de fluidos no newtonianos al reconocer que los materiales que experimentan este tipo de deformación no pueden soportar una tensión (en particular una tensión cortante , ya que es más fácil analizar la deformación por cortante) en equilibrio estático . En este sentido, un sólido que experimenta deformación plástica es un fluido , aunque no se asocia ningún coeficiente de viscosidad a este flujo. La reología granular se refiere a la descripción mecánica continua de los materiales granulares .

Una de las principales tareas de la reología es establecer, mediante mediciones, las relaciones entre deformaciones (o velocidades de deformación) y tensiones, si bien también se requieren varios desarrollos teóricos (como la garantía de invariantes de marco) antes de utilizar los datos empíricos. Estas técnicas experimentales se conocen como reometría y se ocupan de la determinación de funciones reológicas de materiales bien definidas . Dichas relaciones pueden entonces ser tratadas matemáticamente mediante los métodos establecidos de la mecánica de medios continuos .

La caracterización del flujo o la deformación originada por un campo de esfuerzo cortante simple se denomina reometría de corte (o reología de corte). El estudio de los flujos extensionales se denomina reología extensional . Los flujos de corte son mucho más fáciles de estudiar y, por lo tanto, se dispone de muchos más datos experimentales para ellos que para los flujos extensionales.

Viscoelasticidad

  • El carácter fluido y sólido es relevante a tiempos prolongados: consideramos la aplicación de una tensión constante (un llamado experimento de fluencia ):
    • Si el material, después de cierta deformación, finalmente resiste una mayor deformación, se considera un sólido.
    • Si, por el contrario, el material fluye indefinidamente, se considera un fluido.
  • Por el contrario, el comportamiento elástico y viscoso (o intermedio, viscoelástico ) es relevante en tiempos cortos ( comportamiento transitorio ): Volvemos a considerar la aplicación de una tensión constante: [ 13 ]
    • Si la deformación del material aumenta linealmente con el incremento de la tensión aplicada, entonces el material es elástico lineal dentro del rango en el que presenta deformaciones recuperables. La elasticidad es esencialmente un proceso independiente del tiempo, ya que las deformaciones aparecen en el momento en que se aplica la tensión, sin ningún retardo.
    • Si la velocidad de deformación del material aumenta linealmente con el incremento de la tensión aplicada, entonces el material es viscoso en el sentido newtoniano. Estos materiales se caracterizan por el retardo temporal entre la aplicación de una tensión constante y la deformación máxima.
    • Si un material se comporta como una combinación de componentes viscosos y elásticos, entonces es viscoelástico. Teóricamente, estos materiales pueden presentar tanto una deformación instantánea, propia de un material elástico, como una deformación retardada dependiente del tiempo, como en los fluidos.
  • La plasticidad es el comportamiento que se observa cuando un material se somete a un límite elástico : un material que se comporta como un sólido bajo bajas tensiones aplicadas puede comenzar a fluir por encima de cierto nivel de tensión, denominado límite elástico del material. El término sólido plástico se usa a menudo cuando este límite elástico es bastante alto, mientras que fluido con límite elástico se usa cuando el límite elástico es bastante bajo. Sin embargo, no existe una diferencia fundamental entre ambos conceptos.

Números adimensionales

Número de Débora

En un extremo del espectro tenemos un fluido no viscoso o newtoniano simple y en el otro extremo, un sólido rígido; por lo tanto, el comportamiento de todos los materiales se sitúa en algún punto intermedio entre estos dos extremos. La diferencia en el comportamiento del material se caracteriza por el nivel y la naturaleza de la elasticidad presente en el material cuando se deforma, lo que lleva el comportamiento del material al régimen no newtoniano. El número de Deborah adimensional está diseñado para tener en cuenta el grado de comportamiento no newtoniano en un flujo. El número de Deborah se define como la relación entre el tiempo característico de relajación (que depende puramente del material y otras condiciones como la temperatura) y el tiempo característico del experimento u observación. [ 7 ] [ 14 ] Los números de Deborah pequeños representan un flujo newtoniano, mientras que el comportamiento no newtoniano (con efectos tanto viscosos como elásticos presentes) se produce para números de Deborah de rango intermedio, y los números de Deborah altos indican un sólido elástico/rígido. Dado que el número de Deborah es una cantidad relativa, el numerador o el denominador pueden alterar el número. Se puede obtener un número de Deborah muy pequeño para un fluido con un tiempo de relajación extremadamente pequeño o un tiempo experimental muy grande, por ejemplo.

Número de Reynolds

En mecánica de fluidos , el número de Reynolds es una medida de la relación de fuerzas inerciales (vsρ{\displaystyle v_{s}\rho }) a fuerzas viscosas (μL{\displaystyle {\frac {\mu}{L}}}) y, en consecuencia, cuantifica la importancia relativa de estos dos tipos de efectos para determinadas condiciones de flujo. A bajos números de Reynolds predominan los efectos viscosos y el flujo es laminar , mientras que a altos números de Reynolds predomina la inercia y el flujo puede ser turbulento . Sin embargo, dado que la reología se ocupa de fluidos que no tienen una viscosidad fija , sino que esta puede variar con el flujo y el tiempo, el cálculo del número de Reynolds puede resultar complicado.

Es uno de los números adimensionales más importantes en dinámica de fluidos y se utiliza, generalmente junto con otros números adimensionales, para proporcionar un criterio que permita determinar la similitud dinámica . Cuando dos patrones de flujo geométricamente similares, en fluidos posiblemente diferentes y con caudales posiblemente diferentes, tienen los mismos valores para los números adimensionales relevantes, se dice que son dinámicamente similares.

Normalmente se presenta de la siguiente manera:

Rmi=ρtús2LμtúsL2=ρtúsLμ=túsLν{\displaystyle \mathrm {Re} ={\frac {\rho {\frac {u_{s}^{2}}{L}}}{\mu {\frac {u_{s}}{L^{2}}}}}={\frac {\rho u_{s}L}{\mu }}={\frac {u_{s}L}{\nu }}}

dónde:

  • u s – velocidad media del flujo , [ms −1 ]
  • L – longitud característica, [m]
  • μ – viscosidad dinámica (absoluta) del fluido , [N sm −2 ] o [Pa s]
  • ν – viscosidad cinemática del fluido:v=μρ{\displaystyle v={\frac {\mu}{\rho }}}, [m 2 s −1 ]
  • ρ – densidad del fluido , [kg m −3 ].

Medición

Los reómetros son instrumentos que se utilizan para caracterizar las propiedades reológicas de los materiales, generalmente fluidos fundidos o en solución. Estos instrumentos imponen un campo de tensión o deformación específico al fluido y monitorizan la deformación o tensión resultante. Los instrumentos pueden funcionar en flujo estacionario u oscilatorio, tanto en cizallamiento como en extensión.

Aplicaciones

La reología tiene aplicaciones en la ciencia de los materiales , la ingeniería , la geofísica , la fisiología , la biología humana y la farmacia . La ciencia de los materiales se utiliza en la producción de muchas sustancias de importancia industrial, como el cemento , la pintura y el chocolate , que presentan características de flujo complejas. Asimismo, la teoría de la plasticidad ha sido igualmente importante para el diseño de procesos de conformado de metales. La ciencia de la reología y la caracterización de las propiedades viscoelásticas en la producción y el uso de materiales poliméricos han sido fundamentales para la fabricación de numerosos productos destinados a los sectores industrial y militar. El estudio de las propiedades de flujo de los líquidos es importante para los farmacéuticos que trabajan en la fabricación de diversas formas farmacéuticas, como líquidos simples, ungüentos, cremas, pastas, etc. El comportamiento de flujo de los líquidos bajo tensión aplicada es de gran relevancia en el campo de la farmacia. Las propiedades de flujo se utilizan como herramientas importantes de control de calidad para mantener la superioridad del producto y reducir las variaciones entre lotes.

Ciencias de los materiales

Polímeros

Examples may be given to illustrate the potential applications of these principles to practical problems in the processing[15] and use of rubbers, plastics, and fibers. Polymers constitute the basic materials of the rubber and plastic industries and are of vital importance to the textile, petroleum, automobile, paper, and pharmaceutical industries. Their viscoelastic properties determine the mechanical performance of the final products of these industries, and also the success of processing methods at intermediate stages of production.

In viscoelastic materials, such as most polymers and plastics, the presence of liquid-like behaviour depends on the properties of and so varies with rate of applied load, i.e., how quickly a force is applied. The silicone toy 'Silly Putty' behaves quite differently depending on the time rate of applying a force. Pull on it slowly and it exhibits continuous flow, similar to that evidenced in a highly viscous liquid. Alternatively, when hit hard and directly, it shatters like a silicate glass.

In addition, conventional rubber undergoes a glass transition (often called a rubber-glass transition). E.g. The Space Shuttle Challenger disaster was caused by rubber O-rings that were being used well below their glass transition temperature on an unusually cold Florida morning, and thus could not flex adequately to form proper seals between sections of the two solid-fuel rocket boosters.

Biopolymers

Linear structure of cellulose — the most common component of all organic plant life on Earth. * Note the evidence of hydrogen bonding which increases the viscosity at any temperature and pressure. This is an effect similar to that of polymercrosslinking, but less pronounced.

Sol-gel

Polymerization process of tetraethylorthosilicate (TEOS) and water to form amorphoushydratedsilica particles (Si-OH) can be monitored rheologically by a number of different methods.

Ajustando la viscosidad del sol a un rango adecuado, se pueden obtener fibras de vidrio de calidad óptica y fibras cerámicas refractarias , utilizadas respectivamente en sensores de fibra óptica y aislamiento térmico . Los mecanismos de hidrólisis y condensación , así como los factores reológicos que influyen en la estructura, ya sea lineal o ramificada, constituyen los aspectos más críticos de la ciencia y la tecnología sol-gel .

Geofísica

La disciplina científica de la geofísica incluye el estudio del flujo de lava fundida y el estudio de flujos de detritos (deslizamientos de lodo fluido). Esta rama disciplinaria también se ocupa de los materiales sólidos de la Tierra que solo presentan flujo en escalas de tiempo prolongadas. Aquellos que muestran un comportamiento viscoso se conocen como reidas . Por ejemplo, el granito puede fluir plásticamente con una tensión de fluencia insignificante a temperatura ambiente (es decir, un flujo viscoso). Los experimentos de fluencia a largo plazo (~10 años) indican que la viscosidad del granito y el vidrio en condiciones ambientales es del orden de 10²⁰ poises . [ 16 ] [ 17 ]

Fisiología

La fisiología incluye el estudio de muchos fluidos corporales que poseen una estructura y composición complejas, y por lo tanto exhiben una amplia gama de características de flujo viscoelástico. En particular, existe un estudio especializado del flujo sanguíneo llamado hemorreología . Este es el estudio de las propiedades de flujo de la sangre y sus elementos ( plasma y elementos formes, incluyendo glóbulos rojos , glóbulos blancos y plaquetas ). La viscosidad de la sangre está determinada por la viscosidad del plasma, el hematocrito (fracción de volumen de los glóbulos rojos, que constituyen el 99,9% de los elementos celulares) y el comportamiento mecánico de los glóbulos rojos. Por lo tanto, la mecánica de los glóbulos rojos es el principal determinante de las propiedades de flujo de la sangre. (El humor vítreo ocular es objeto de observaciones reológicas, particularmente durante los estudios de la licuefacción vítrea relacionada con la edad, o sinéresis ). [ 18 ]

La característica principal de la hemorreología ha sido el adelgazamiento por cizallamiento en flujo de cizallamiento constante. Otras características reológicas no newtonianas que puede presentar la sangre incluyen pseudoplasticidad , viscoelasticidad y tixotropía . [ 19 ]

Agregación de glóbulos rojos

Actualmente existen dos hipótesis principales para explicar las predicciones del flujo sanguíneo y las respuestas de adelgazamiento por cizallamiento . Ambos modelos también intentan demostrar el impulso para la agregación reversible de glóbulos rojos, aunque el mecanismo aún se debate. Existe un efecto directo de la agregación de glóbulos rojos sobre la viscosidad sanguínea y la circulación. [ 20 ] La base de la hemorreología también puede proporcionar información para el modelado de otros biofluidos. [ 19 ] La hipótesis de puenteo o "enlace cruzado" sugiere que las macromoléculas entrecruzan físicamente los glóbulos rojos adyacentes en estructuras de rouleaux. Esto ocurre a través de la adsorción de macromoléculas en las superficies de los glóbulos rojos. [ 19 ] [ 20 ] La hipótesis de la capa de agotamiento sugiere el mecanismo opuesto. Las superficies de los glóbulos rojos están unidas por un gradiente de presión osmótica que se crea por la superposición de capas de agotamiento. [ 19 ] El efecto de la tendencia a la agregación de rouleaux puede explicarse por el hematocrito y la concentración de fibrinógeno en la reología de la sangre total. [ 19 ] Algunas técnicas que utilizan los investigadores son la captura óptica y la microfluídica para medir la interacción celular in vitro. [ 20 ]

Enfermedades y diagnósticos

Se ha demostrado que los cambios en la viscosidad están relacionados con enfermedades como la hiperviscosidad, la hipertensión, la anemia falciforme y la diabetes. [ 19 ] Las mediciones hemorreológicas y las tecnologías de pruebas genómicas actúan como medidas preventivas y herramientas de diagnóstico. [ 19 ] [ 21 ]

La hemorreología también se ha correlacionado con los efectos del envejecimiento, especialmente con la alteración de la fluidez sanguínea, y los estudios han demostrado que la actividad física puede mejorar el espesamiento de la reología sanguínea. [ 22 ]

Zoología

Muchos animales utilizan fenómenos reológicos, por ejemplo, los peces de arena que aprovechan la reología granular de la arena seca para "nadar" en ella, o los gasterópodos terrestres que utilizan la mucosidad de los caracoles para la locomoción adhesiva . Ciertos animales producen fluidos complejos endógenos especializados , como la mucosidad pegajosa producida por los gusanos de terciopelo para inmovilizar a sus presas o la mucosidad subacuática de gelificación rápida secretada por las mixinas para disuadir a los depredadores. [ 23 ]

Reología de los alimentos

La reología de los alimentos es importante en la fabricación y el procesamiento de productos alimenticios, como el queso [ 24 ] y el helado . [ 25 ] Una reología adecuada es importante para el disfrute de muchos alimentos comunes, particularmente en el caso de salsas, [ 26 ] aderezos, [ 27 ] yogur [ 28 ] o fondue . [ 29 ]

Los agentes espesantes , o espesantes, son sustancias que, al añadirse a una mezcla acuosa, aumentan su viscosidad sin modificar sustancialmente otras propiedades, como el sabor. Proporcionan cuerpo, aumentan la estabilidad y mejoran la suspensión de los ingredientes añadidos. Los agentes espesantes se utilizan a menudo como aditivos alimentarios y en cosméticos y productos de higiene personal . Algunos agentes espesantes son gelificantes , formando un gel . Estos agentes son materiales utilizados para espesar y estabilizar soluciones líquidas, emulsiones y suspensiones . Se disuelven en la fase líquida como una mezcla coloidal que forma una estructura interna débilmente cohesiva. Los espesantes alimentarios suelen estar basados ​​en polisacáridos ( almidones , gomas vegetales y pectina ) o proteínas . [ 30 ] [ 31 ]

Reología del hormigón

La trabajabilidad del hormigón y del mortero está relacionada con las propiedades reológicas de la pasta de cemento fresca . Las propiedades mecánicas del hormigón endurecido aumentan si se utiliza menos agua en la mezcla, pero reducir la relación agua/cemento puede dificultar la mezcla y la aplicación. Para evitar estos efectos indeseados, se suelen añadir superplastificantes para disminuir la tensión de fluencia aparente y la viscosidad de la pasta fresca. Su adición mejora notablemente las propiedades del hormigón y del mortero. [ 32 ]

Reología de polímeros rellenos

La incorporación de diversos tipos de cargas en polímeros es un método común para reducir costos y conferir ciertas propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y magnéticas deseables al material resultante. Las ventajas que ofrecen los sistemas de polímeros con cargas conllevan una mayor complejidad en el comportamiento reológico. [ 33 ]

Por lo general, al considerar el uso de cargas, es necesario encontrar un equilibrio entre las propiedades mecánicas mejoradas en estado sólido, por un lado, y la mayor dificultad en el procesamiento por fusión, el problema de lograr una dispersión uniforme de la carga en la matriz polimérica y la economía del proceso debido a la etapa adicional de composición, por otro. Las propiedades reológicas de los polímeros cargados están determinadas no solo por el tipo y la cantidad de carga, sino también por la forma, el tamaño y la distribución del tamaño de sus partículas. La viscosidad de los sistemas cargados generalmente aumenta con el incremento de la fracción de carga. Esto puede mitigarse parcialmente mediante distribuciones amplias del tamaño de partícula a través del efecto Farris . [ 34 ] Un factor adicional es la transferencia de tensión en la interfaz carga-polímero. La adhesión interfacial puede mejorarse sustancialmente mediante un agente de acoplamiento que se adhiera bien tanto al polímero como a las partículas de carga. El tipo y la cantidad de tratamiento superficial en la carga son, por lo tanto, parámetros adicionales que afectan las propiedades reológicas y del material de los sistemas poliméricos cargados.

Es importante tener en cuenta el deslizamiento en la pared al realizar la caracterización reológica de materiales altamente rellenos, ya que puede haber una gran diferencia entre la deformación real y la deformación medida. [ 35 ]

Reólogo

Un reólogo es un científico o ingeniero interdisciplinario que estudia el flujo de líquidos complejos o la deformación de sólidos blandos. No es una materia de pregrado; no existe una titulación específica de reólogo. La mayoría de los reólogos tienen formación en matemáticas, ciencias físicas (por ejemplo, química , física , geología , biología ), ingeniería (por ejemplo , mecánica , química , ciencia de los materiales, ingeniería de plásticos o ingeniería civil ), medicina o ciertas tecnologías, especialmente materiales o alimentos . Normalmente, se estudian algunos conceptos básicos de reología durante la carrera universitaria, pero quienes trabajan en este campo amplían sus conocimientos mediante estudios de posgrado, cursos cortos y la pertenencia a una asociación profesional.

Véase también

Referencias

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  • RHEOTEST Medingen GmbH – Breve historia y colección de instrumentos reológicos de la época de Fritz Höppler
  • Archivado el 20/12/2018 en Wayback Machine - Sobre la reología de los gatos
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