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Reología de polímeros

Caracterización de polímeros
by

Manuel Guzman

on 3 October 2012

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Transcript of Reología de polímeros

Curso: Caracterización de polímeros
Estudiante: Manuel Guzmán Reología de polímeros La reología es la ciencia que estudia la deformación y el flujo de la materia.
Muchas resinas termoplásticas y algunas termofijas requieren fluir para producir un producto final manufacturado (inyección, extrusión, calandrado, soplado, etc.).
Estos procesos requieren del conocimiento de cómo la temperatura, presión, tasa de deformación, peso molecular y estructura, afectan la viscosidad en fundido.
El comportamiento del flujo de un polímero fundido no se puede considerar únicamente de carácter viscoso, ya que éste es más complejo (carácter viscoso y elástico).
Durante el flujo, las moléculas no solo tienden a deslizarse entre si, sino también a desenrollarse. Cuando se retira la deformación, las moléculas tienden a enredarse de manera aleatoria, pero debido a que las interacciones moleculares actúan de manera cooperativa, ocurre cierta recuperación de la forma enrredada. Conceptos generales Clasificación de
comportamientos de fluidos En sólidos, uno puede medir la deformación, pero en líquidos es diferente ya que éste sufre un cambio contínuo cuando es aplicado un esfuerzo.

Se puede determinar la tasa de deformación (shear rate) causada por un esfuerzo cortante o viceversa. El gradiente de velocidad o shear rate está dado por: Si el líquido se mantiene idealmente a temperatura constante, el esfuerzo cortante es directamente proporcional al shear rate, en donde la constante de proporcionalidad es la viscosidad: Ley de Newton (fluidos ideales o Newtonianos) En la práctica, el comportamiento Newtoniano se restringe para líquidos de bajo peso molecular. Ecuación para fluidos pseudoplásticos y dilatantes Ecuación para fluidos Bingham: Esfuerzo cortante por debajo del cual no hay flujo, y el fluido se comporta como sólido. Ejemplos: lodos de perforación, pasta de dientes, grasas, lechadas de arcilla. Efecto del shear rate en
la viscosidad La mayoría de los polímeros muestran una comportamiento no Newtoniano ya que la viscosidad decrece con incrementos del shear rate.
Curvas típicas de shear rate vs. viscosidad: Esta reducción de la viscosidad con el shear rate permite obtener viscosidades óptimas y deseables en máquinas de procesamiento de polímeros, sin tener que elevar la temperatura. Sólo basta con incrementar el shear rate. Efecto del peso molecular
en la viscosidad El peso molecular de un polímero es el factor más importante que afecta la reología. El punto donde se da el cambio en la pendiente es el peso molecular crítico, y para la mayoría de los polímeros está entre 5000 y 15000.

Usualmente por debajo de Mc las moléculas se mueven de manera independiente (líquidos de bajo peso molecular) Por encima de Mc, los enlacen entre moléculas es tan prominente que el movimiento de una cadena hace que arrastre otras cadenas. Por esta razón el incremento del peso molecular se asocia con incrementos en la viscosidad.

Un peso molecular alto implica buenas propiedades mecánicas pero a su vez implica mayor dificultad para su procesamiento. Distribución del peso molecular y ramificación:

Una distribución de peso molecular amplia, implica menor viscosidad, por lo tanto son fáciles de extruir.

Mientras más ramificado sea el polímero, menor será su volumen hidrodinámico , menor grado de enrredamiento.

Generalizando, la viscosidad es mayor para polímeros lineales dado cierto peso molecular. Efecto de la temperatura y presión en la viscosidad La viscosidad es dependiente de la temperatura y obedece a la ecuación de Arrhenius:


donde A es una constante y E es la energía de activación.

Las constantes se pueden obtener graficando la viscosidad contra la temperatura absoluta en escala logarítmica. Temperatura Presión Mientras la temperatura incrementa a presión constante, la viscosidad disminuye; si se incrementa la presión a temperatura constante causa un incremento en la viscosidad, ya que se produce una disminución del volumen libre.
Para la mayoría de los polímeros un incremento de 100 atm en la presión es equivalente a una caída de temperatura de 30-50 °C. Medición de la viscosidad Existen algunos métodos para medir la viscosidad de polímeros en solución o en fundido en función del shear rate.

Los instrumentos deben necesariamente:
El fluido debe sufrir cortante a tasas cuantificables.
El esfuerzo aplicado debe ser conocido.

Ampliamente usados: viscosímetro rotacional y reómetro capilar. Viscosímetros
rotacionales La muestra es encerrada a cierta temperatura y sometida a rotación. El torque requerido para la rotación es la medida del esfuerzo cortante y la velocidad de rotación es la medida de la tasa del esfuerzo.

Las geometrías comunes son de cilindros coaxiales y cono-plato. Torque Shear rate Velocidad angular donde constante definida por el diseño del equipo Para la geometría cono-plato, el ángulo del cono está entre 1 y 5°.
El cono está soportado verticalmente por un cojinete sin fricción y unido a un resorte torcional calibrado.
Cualquier torque experimentado por el cono provoca una deflexión del resorte, el cual es medido por un transductor.
Relacionando el esfuerzo cortante al torque, y la tasa de deformación a la velocidad angular la viscosidad se puede expresar como: donde K es la constante torcional del resorte, tetha es la deflexión del resorte, Rp el radio, w la velocidad angular y alfa el ángulo del cono. Reómetros capilares Estos reómetros son ampliamente usados para estudiar comportamientos reológicos de polímeros fundidos. El fluido es forzado mediante presión mecánica o neumática mientras el fluido se mantiene a condiciones isotérmicas.
La fuerza viscosa que resiste el movimiento es igual a la fuerza aplicada que tiende a mover el fluido en la dirección del flujo donde R y L son el radio y la longitud de la columna.
El esfuerzo cortante es cero en el centro de la columna e incrementa hasta su máximo valor en el extremo.
Para fluidos con comportamiento Newtoniano, el shear rate en la pared de la columna es: donde Q es la tasa de flujo volumétrico Usualmente los reómetros capilares presentan gráficas de esfuerzo cortante versus shear rate, y éstos son valores aparentes.
El valor corregido se determina con la corrección de Bagley donde e es la longitud corregida expresada en función del radio.

Es necesaria la correción ya que a diferencia del flujo Newtoniano isotermal donde la distribución de velocidad de extremo a extremo en un tubo es parabólica, para fluidos no Newtonianos el perfil de velocidad no es parabólico Existen 3 razones principales por las cuales el uso de reómetro capilares es ampliamente usado en la industria de los plásticos:

El shear rate y la geometría de flujo son condiciones similares al moldeo por inyección y extrusión.
Un reómetro capilar abarca un mayor rango de share rate (10E6 - 10E-6 1/seg).
Se obtienen datos prácticos e información sobre el hinchamiento térmico del dado, inestabilidad en fundido y defectos de extrusión.
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