Identificación de materiales plásticos: Reología rotacional

La reología estudia la deformación y el flujo de los materiales. La deformación es el movimiento de una parte con respecto a otras partes del mismo sistema y que, como consecuencia, produce un cambio en su forma o tamaño. Los cuerpos se deforman cuando sobre ellos actúa un esfuerzo, el cual representa la fuerza por unidad de área que actúa sobre el sistema.
Determinar la relación esfuerzo-deformación bajo determinadas condiciones: duración del esfuerzo, temperatura, velocidad de deformación, amplitud de la deformación, etc., nos permite prever la respuesta del material y relacionar este comportamiento con su composición y su estructura interna.

ENSAYOS DE FLUJO CONTINUO

El ensayo de reología rotacional reproduce el comportamiento del material sometido a un esfuerzo de cizalla, es decir debido a fuerzas cortantes paralelas al plano de deformación del material. Estos esfuerzos se reproducen en un reómetro rotacional mediante dos platos paralelos, uno móvil y otro fijo, entre los cuales se deposita la muestra. Se ejerce una cizalla sobre la muestra por rotación de la parte móvil sobre la parte fija.

La viscosidad dinámica (h) es el parámetro fundamental que en reología rotacional, permite establecer las ecuaciones constitutivas que relacionan esfuerzo (t) y deformación de cizalla (g).

Figura 2. Deformación por esfuerzo de cizalla

En el modelo propuesto por Newton (Figura  2), establece la proporcionalidad entre el esfuerzo por unidad de área (F/A) necesario para producir un gradiente de velocidades en un fluido, es un parámetro que describe “la capacidad de deslizamiento de un fluido”, esta constante de proporcionalidad es la viscosidad.

Una gran cantidad de fluidos presentan desviaciones de la ley de Newton al ser su viscosidad una función de la velocidad de cizalla aplicada (figura 3). Los polímeros fundidos así como un gran número de emulsiones, suspensiones, o dispersiones, se caracterizan por ver reducida su viscosidad al aumentar la velocidad de deformación.

Figura 3. Ensayo rotacional: Curva de flujo

El ensayo con reómetro rotacional permite la obtención de la ‘Curva de Flujo’ característica de su comportamiento en estado fundido, en la que se representa la variación de la viscosidad de la muestra con la velocidad de cizalla (shear rate, 1/s).

El ensayo consiste en la rotación completa de la parte móvil superior (cono o plato) sobre la parte fija inferior (plato). La muestra se coloca entre los platos a un distancia prefijada (gap=1mm) y se calienta hasta alcanzar la temperatura de procesado. A partir de ese momento se hace girar el plato móvil progresivamente y se registran automáticamente los valores de esfuerzo (Pa) para cada velocidad de deformación (1/s), y se obtiene la variación de viscosidad.

A bajas velocidades de cizalla la viscosidad aporta información de la naturaleza del material a nivel estructural, información relativa a pesos moleculares, influencia de la carga adicionada, degradaciones, cross-linking, etc. Los cambios de la curva de viscosidad de un material respecto a otro material de referencia, puede ayudar a entender la estructura molecular ante diferentes estados o tratamientos, o ante diferentes aditivos y formulaciones.

Figura 4. Curvas de viscosidad aparente, en ensayos de flujo continuo

Por el contrario a velocidades de cizalla superiores es posible modelizar el comportamiento del material fundido bajo procesado. En el reómetro rotacional se puede alcanzar velocidades de cizalla hasta 10-100 1/s aproximadamente, por lo que sería factible modelizar el comportamiento del material en algunos procesos de extrusión. Sin embargo, para modelizar procesos de inyección se requieren velocidades de cizalla > 1000 1/s, y para ello es necesario realizar el ensayo de flujo en un reómetro capilar.

Los efectos en la viscosidad, determinada en un ensayo reológico, debidos a los diferentes factores y/o parámetros, están señalados en la siguiente figura:

Los polímeros lineales con más estrecha distribución de pesos moleculares (por ejemplo, metalocenos) son más viscosos que los mismos polímeros con una mayor dispersión de pesos moleculares. Las cargas pueden aumentar la viscosidad y otros aditivos (p.e plastificantes) están diseñados para disminuir la viscosidad.

ENSAYOS DINÁMICOS

Otras posibilidades de ensayos en reómetro, son los ensayos oscilatorios, en los que se monitoriza la respuesta viscoelástica: módulo de almacenamiento a cizalla (G’) y módulo de pérdidas (G’’), mientras se aplica un barrido de frecuencias para la deformación.

Figura 7. Propiedades viscoelásticas, en ensayos de reología dinámica de barrido de frecuencias

Las diferencias en la respuesta G’, entre un material y otro de referencia, también pueden dar indicios de una mayor o menor estructura molecular entre ellos: aumento/disminución de peso molecular, dispersión de peso molecular, aumento/disminución de la rigidez (G’>G’’) por alteración de la estructura molecular: degradación, branching, cross-linkig, etc.