Ep22 Propiedades mecánicas de los polímeros y viscoelástica
En reología, el adelgazamiento por cizallamiento es el comportamiento no newtoniano de los fluidos cuya viscosidad disminuye bajo la tensión de cizallamiento. A veces se considera sinónimo de comportamiento pseudoplástico,[1][2] y suele definirse excluyendo los efectos dependientes del tiempo, como la tixotropía[3].
El adelgazamiento por cizallamiento es el tipo más común de comportamiento no newtoniano de los fluidos y se observa en muchas aplicaciones industriales y cotidianas[4]. Aunque el adelgazamiento por cizallamiento no suele observarse en líquidos puros de baja masa molecular o en soluciones ideales de moléculas pequeñas como la sacarosa o el cloruro de sodio, se observa a menudo en soluciones de polímeros y polímeros fundidos, así como en fluidos complejos y suspensiones como el ketchup, la nata montada, la sangre,[5] la pintura y el esmalte de uñas.
Aunque la causa exacta del adelgazamiento por cizallamiento no se conoce del todo, se considera que es el efecto de pequeños cambios estructurales dentro del fluido, de forma que las geometrías a microescala dentro del fluido se reorganizan para facilitar el cizallamiento[6] En los sistemas coloidales, la separación de fases durante el flujo provoca el adelgazamiento por cizallamiento. En los sistemas poliméricos, tales como los polímeros fundidos y las soluciones, el adelgazamiento por cizallamiento es causado por el desenredo de las cadenas poliméricas durante el flujo. En reposo, los polímeros de alto peso molecular están enredados y orientados aleatoriamente. Sin embargo, cuando se cizalla a una velocidad suficientemente alta, estas cadenas poliméricas altamente anisotrópicas comienzan a desenredarse y a alinearse a lo largo de la dirección de cizallamiento[7], lo que conduce a una menor interacción molecular/partícula y a una mayor cantidad de espacio libre, disminuyendo la viscosidad[4].
Carga dinámica de los plásticos – ¿Qué son el módulo de almacenamiento y el
Un amplio grupo de materiales, como los metales a altas temperaturas, los materiales poliméricos, los biopolímeros o los tejidos biológicos, presentan una deformación gradual y una posterior recuperación en el tiempo. La respuesta de estos materiales depende de la tasa de tensión-deformación y de la propia temperatura. Este comportamiento del material dependiente de la temperatura y el tiempo se denomina viscoelasticidad. El término viscoelasticidad se compone de dos palabras: viscosidad y elasticidad. Por tanto, un sólido viscoelástico presenta propiedades tanto de fluido como de sólido, y la relación tensión-deformación incluye las dependencias de tiempo y temperatura. Los fenómenos viscoelásticos en los materiales consisten en los cambios estructurales y conformacionales combinados, los movimientos moleculares a gran escala y las características de reordenación en función del escenario de cargas mecánicas.
Deformación elástica y deformación plástica | No memorizar
Por lo general, las ecuaciones constitutivas reflejan una descripción pero no la comprensión de un fenómeno complejo. La ecuación constitutiva “corteza de perro” refleja únicamente el comportamiento observado y no implica un mecanismo, bastante complejo en este caso, entre la perturbación y la respuesta. En el caso de algunas ecuaciones constitutivas existe una comprensión mecanicista de la relación entre la perturbación y la respuesta. En primer lugar, examinaremos la física de las ecuaciones constitutivas en ausencia de una comprensión mecanicista y, a continuación, discutiremos algunas características de la base molecular de la dinámica en los polímeros.
Consideremos dos mecanismos de respuesta para los estados densos, la respuesta elástica Hookeana, s11 = E e11, y la respuesta viscosa Newtoniana, s12 = h d(e12 )/dt, que reflejan el comportamiento ideal del sólido y del líquido. (Para una descripción de la notación tensorial utilizada aquí ver: Procesamiento Capítulo 1 y Procesamiento Capítulo 2 ) Estas dos ecuaciones ideales reflejan diferencias en dos mecanismos ideales de respuesta a una perturbación mecánica. Para un elástico Hookeano el material denso no absorbe energía en la deformación, un modelo molecular simple es que los átomos se desplazan afinadamente de sus posiciones de equilibrio y vuelven a estas posiciones exactamente al liberar la tensión. Para un fluido newtoniano el material denso absorbe completamente la energía de la deformación, un modelo molecular simple es que los átomos se desplazan completamente después de atravesar una barrera de energía asociada a dos posiciones de equilibrio en el líquido.
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Xie, Shi-Jie, y Schweizer, Kenneth S. Consequences of Delayed Chain Retraction on the Rheology and Stretch Dynamics of Entangled Polymer Liquids under Continuous Nonlinear Shear Deformation. Estados Unidos: N. p., 2018.
Xie, Shi-Jie, & Schweizer, Kenneth S. Consequences of Delayed Chain Retraction on the Rheology and Stretch Dynamics of Entangled Polymer Liquids under Continuous Nonlinear Shear Deformation. Estados Unidos. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.8b00671
Figura 1: (a) Representación de las fuerzas de agarre entre cadenas y de retracción intracadena según la referencia 14. (b) Esquema de polímeros no entrelazados bajo cizallamiento que se estiran en una dirección espacial más allá del tamaño de la mancha de tensión de Pincus según la referencia 24.