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