Introduzione alla reologia e alla reometria Roberto Mei

Introduzione alla reologia e alla reometria Roberto Mei - 17/10/2017

Reologia e reometria • La reologia (dal greco antico reo, "scorrere" e logìa, "teoria") è la scienza che studia le deformazioni della materia (solidi e fluidi) quando questa è sottoposta a sforzi. • Con reometria si indicano le tecniche messe in atto per misurare le proprietà reologiche di un materiale. • Settori in cui la reologia riveste un ruolo molto importante: • Industria alimentare; • Biologia; • Edilizia; • Prodotti per l’igiene e la cura personale; • Trattamento fanghi.

Solidi ideali • I solidi ideali si comportano in maniera totalmente elastica e reagiscono ad uno sforzo di taglio con una deformazione reversibile: Solido A riposo y Solido deformato G rappresenta la resistenza alla deformazione: maggiore è il suo valore e minore sarà la deformazione del solido (a parità di sforzo di taglio) G dipende principalmente dalla natura chimico-fisica del materiale (per gomma ~0. 01 GPa; per l’acciaio ~200 GPa). La deformazione è reversibile: rimuovendo lo sforzo, si elimina la deformazione.

Fluidi ideali • I fluidi ideali si comportano in maniera totalmente viscosa e reagiscono ad uno sforzo di taglio con una deformazione irreversibile (scorrono): y Fluido in moto La deformazione è irreversibile: l’energia trasmessa attraverso lo sforzo di taglio viene spesa dal fluido per scorrere (e in parte dissipata sotto forma di calore). Rimuovendo lo sforzo non si recupera energia.

Viscosità dinamica e viscosità cinematica • L’unita di misura è il Pa∙s: Fluido Viscosità [20°C] [m. Pa∙s = c. P] Petrolio 0. 65 Acqua 1 Mercurio 1. 5 Sangue (a 37°C) 4÷ 25 Olio d’oliva Miele ~102 ~104 Fluido Acqua 1

Da cosa dipende la viscosità? • Dalla natura chimico-fisica del fluido; • dalla pressione: all’aumentare della pressione aumenta la resistenza allo scorrimento. Poiché i liquidi sono molto meno comprimibili dei gas, la viscosità dei liquidi è praticamente indipendente dalla pressione; • dalla temperatura: la viscosità varia notevolmente al variare della temperatura. Generalmente: per i liquidi, all’aumentare della temperatura la viscosità decresce; per i gas avviene l’inverso; • dal gradiente di velocità; • dal tempo: per alcune sostanze la viscosità dipende dalla «storia reologica» .

Viscosità indipendente dal tempo e indipendente dal gradiente di velocità : Fluidi Newtoniani La dipendenza tra sforzo di taglio e gradiente di velocità è lineare. La viscosità è costante al variare del gradiente di velocità. Esempi: acqua, aria, latte, miele, plasma sanguigno, ecc…

Viscosità indipendente dal tempo ma dipendente dal gradiente di velocità: Fluidi non-Newtoniani La dipendenza tra sforzo di taglio e gradiente di velocità è non-lineare. La viscosità varia al variare del gradiente di velocità.

Fluidi non-Newtoniani pseudoplastici La causa è da ricercare nella struttura microscopica del materiale: prodotti che sembrano omogenei sono in realtà costituiti da particelle di forma irregolare, soluzioni di polimeri a molecole molto lunghe, gocce di un liquido disperse in un altro liquido, ecc… A riposo Esempi: ketchup, vernice acrilica, sangue, ecc… In moto

Fluidi non-Newtoniani dilatanti Si ha questo comportamento per sospensioni altamente concentrate di materiale solido in un liquido. A riposo dominano le forze intra particellari (Van der Waals). All’aumentare dello sforzo applicato le particelle si aggregano. A riposo Esempi: amido di mais in acqua, sabbie mobili, ecc… In moto

Fluidi non-Newtoniani plastici alla Bingham Si tratta in genere di dispersioni che a riposo costruiscono una fitta rete di forze inter particellari e inter molecolari che forniscono al materiale una viscosità infinita. Quando lo sforzo di taglio supera lo sforzo di soglia la rete collassa e il fluido può scorrere. Esempi: maionese, pasta dentifricia, fanghi di fogna, ecc…

Viscosità dipendente dal tempo: fluidi tissotropici • Sono fluidi che sottoposti a sforzi di taglio vedono diminuire la viscosità al passare del tempo. • Se viene applicato uno shear-rate costante occorre un tempo «finito» per raggiungere la viscosità di equilibrio (che risulta essere più bassa di quella iniziale). Applicazione shear-rate costante Rimozione shear-rate I I II II Esempi: yogurt, gomma xanthan, ecc…

Viscosità dipendente dal tempo: fluidi reopectici • Comportamento inverso rispetto ai fluidi tissotropici, per questo sono anche chiamati anti-tissotropici: • la viscosità aumenta al trascorrere del tempo; • la viscosità di equilibrio raggiunta se viene applicato uno shear-rate costante risulta essere più alta di quella iniziale. Applicazione shear-rate costante Rimozione shear-rate II II I I Esempi: inchiostro per stampanti, pasta di gesso, ecc…

Fluidi viscoelastici Sono sostanze con caratteristiche sia viscose (tipico dei fluidi) che elastiche (tipico dei solidi): assumono un comportamento intermedio. La descrizione matematica di questa tipologia di fluidi è abbastanza complessa. Un modello semplice (modello di Maxwell) descrive i fluidi viscoelastici sommando i due contributi: Esempi: panna montata, Silly Putty.

Viscosimetri Sono adatti a misure la viscosità dei fluidi a una ben precisa condizione di flusso. Viscosimetro capillare a sfera cadente (1, 2, 3 e 7: Ubbelohde; 4: Ostwald; 5 e 6: Cannon. Fenske) THERMO SCIENTIFIC

Reometri Sono adatti a misurare viscosità che variano al variare delle condizioni del flusso.

Reometri Piatto piano Piatto conico Cilindro concentrico tipo Couette tipo Searle (cilindro esterno ruotante) (cilindro interno ruotante)

Grazie per l’attenzione! Per dubbi, domande e chiarimenti: r. mei@dimcm. unica. it