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Hoy te quiero hablar de… La Viscoelasticidad en la industria de polímeros

Comportamiento del material

Si se aplica un esfuerzo sobre un sólido elástico éste se deformará hasta que la fuerza cese y posteriormente volverá a su forma inicial. Por otro lado, si un esfuerzo es aplicado sobre un fluido viscoso éste se deformará, sin embargo no recuperará su forma inicial. Ahora bien, el comportamiento intermedio, en el que un cuerpo donde se le aplique el esfuerzo recupera parte de su deformación aplicada, es lo que conocemos como un comportamiento viscoelástico.

Bien, recordemos que en la teoría clásica de la elasticidad considera las propiedades mecánicas de los sólidos elásticos de acuerdo con la ley de Hooke, es decir, la deformación conseguida es directamente proporcional al esfuerzo aplicado. De la misma forma, podemos observar que en la teoría hidrodinámica trata las propiedades de los líquidos viscosos para los que, de acuerdo con la ley de Newton, el esfuerzo aplicado es directamente proporcional a la velocidad de deformación, pero independiente de la deformación misma. Dejando en claro estos conceptos sabemos que estos dos conceptos son idealizaciones, que a partir de estos, se pudo definir la presencia de estos dos fenómenos en ciertos materiales llamándola viscoelasticidad.Comportamiento del material

Un parámetro para poder caracterizar o clasificar las sustancias de acuerdo a su comportamientos elástico/viscoso/viscoelástico es el número de Débora (De; Deborah procede del antiguo testamento del cual significa “las montañas fluirían delante del Señor”) introducido por el Dr. Reiner, el cual se define como la relación del tiempo característico del proceso de deformación al que se ve sometido una determinada sustancia y el tiempo de relajación característico de dicha sustancia. De acuerdo al valor del número de Débora todas las sustancias pueden clasificarse como:

  • De < 1 Comportamiento viscoso
  • De > 1 Comportamiento elástico
  • De ≈ 1 Comportamiento viscoelástico

Y, ¿por qué es importante considerar el número de Débora?, es debido a que según este concepto “todas las sustancias pueden fluir, sólo se requiere el tiempo necesario”, de esta forma, un material puede comportarse como un sólido de Hooke si este tiene un tiempo de relajación muy alto o si es sometido a un proceso de deformación de tiempo muy corto. Considerando todo lo que conlleva este parámetro, podremos trabajar adecuadamente en la industria de polímeros, debido a que en su procesado, la deformación es impuesta hasta que adoptan la forma que desean, todo esto en tiempos del orden de minutos o segundos dando números de Débora cercanos al orden de la unidad. De esta forma, clasificando cualitativamente el comportamiento de los materiales de acuerdo a su número De en un diagrama Deformación/número Débora podremos distinguir tres zonas: una a números bajos de De; correspondiente a un comportamiento viscoso, otra zona a números de De elevados; correspondiente a un comportamiento puramente elástico y una zona intermedia correspondiente a un comportamiento viscoelástico. Sin embargo, a su vez dentro de cada zona podrían observarse diferentes comportamientos en los sólidos elásticos y en los fluidos viscosos atendiendo a la linealidad existente entre esfuerzo/deformación y esfuerzo/velocidad de deformación, como por ejemplo:

  • Muchos sólidos elásticos dejan de seguir la relación lineal dada por la ley Hooke por encima de un cierto valor de deformación.
  • De igual modo mucho fluidos viscosos dejan de seguir la ley de Newton por encima de un cierto valor de velocidad de deformación.
  • En cuanto a los materiales viscoelásticos, el comportamiento es algo parecido, para deformaciones muy bajas, casi cercanas al equilibrio existe una relación lineal entre esfuerzo y deformación, encontrándose en la zona denominada como de "viscoelasticidad lineal" (cuando observamos deformaciones mayores, dicha relación deja de ser lineal y se alcanza la denominada zona de "viscoelasticidad no lineal").

Modelo_de_RousseControlar la viscoelasticidad es de suma importancia ya que las bajas deformaciones conseguidas en los reómetros nos aseguran un régimen de viscoelasticidad lineal, que como lo he mencionado, está sujeto a deformaciones casi infinitesimales, muy cercanas al equilibrio, de forma que la respuesta de un material en este régimen está fuertemente condicionada con su estructura molecular, lo cual le confiere la capacidad de ser una buena herramienta de caracterización. Y además, por el otro lado durante el procesado de los polímeros, estos sufren importantes deformaciones que corresponden a la zona de viscoelasticidad lineal. Un ejemplo claro es a la hora de abordar el diseño de ciertas operaciones unitarias de procesado de polímeros, sería necesario contemplar la viscoelasticidad de los materiales y las elevadas deformaciones que tienen lugar. Concretamente en operaciones del tipo del calandrado, hilado, prensado y soplado son operaciones donde este análisis debería de ser llevado a cabo para un diseño más acorde con la realidad.

opt_DMA_Eplexor_500_01_e5677277a9Ya que el comportamiento reológico de materiales viscoelásticos es difícil de visualizar, a menudo se suelen emplear modelos mecánicos para su representación. En esos modelos podremos observar el comportamiento de un fluido de Newton como un pistón trabajando en un cilindro, mientras que un comportamiento elástico como el de un sólido de Hooke se suele representar como un muelle. Sin embargo, con la actual tecnología es necesario dejar atrás estos modelados y centrarnos en establecer análisis rápidos, exactos y precisos para poder actuar de forma adecuada durante los procesos de producción. Así te presento el DMA EPLEXOR de NETZSCH, el cual nos ayudará a registra las propiedades viscoelásticas que dependen de la temperatura y determina el módulo de elasticidad y los valores de amortiguación mediante la aplicación de una fuerza de oscilación en la muestra. Siendo un tema un poco extenso te hablaré de los equipos después, sin embargo no dejes de visitarnos a nuestra página web para ver las soluciones que tenemos para ti. Contáctanos queremos asesorarte y darte apoyo en cada uno de tus proyectos, porque en Analitek:

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