Correcciones en la evaluación de ensayos con reómetros capilares

Los ensayos con reómetros capilares de alta presión a menudo son la única manera para determinar la viscosidad con coeficientes de cizallamiento más altos y relevantes para el proceso. Mediante el principio de medición se producen diferentes desviaciones sistemáticas con respecto a propiedades reales del material. Mediante la aplicación de diferentes correcciones, estos denominados como datos aparentes, acompañados de desviaciones, se pueden convertir en las propiedades reales del material. Las correcciones que son realmente necesarias dependen del caso de aplicación. El orden de la aplicación de la corrección también tiene un papel importante y se trata en el último capítulo.

Ecuaciones básicas – Valores aparentes
A partir de los datos en bruto de la presión antes del capilar o la fuerza del pistón, la velocidad del pistón y los datos de geometría del pistón y del capilar se calculan primero los valores aparentes. Para el capilar de orificio redondo, las fórmulas son las siguientes:

Corrección de Weißenberg-Rabinowitsch – Curvatura del perfil de flujo

Como consecuencia de la dilución por cizallamiento en masas fundidas de polímero reales con comportamiento de flujo de estructura viscosa se produce una flexión pronunciada en el perfil de velocidad con respecto a la pared. Las velocidades de cizalla en la pared aumentan como consecuencia de ello, en comparación con el medio newtoniano.

No obstante, durante el ensayo se aplica el comportamiento newtoniano para el cálculo de la velocidad de cizalla aparente.
La corrección de la velocidad de cizalla aparente según Weißenberg-Rabinowitsch es la siguiente para capilares de orificio redondo:

Mediante la corrección de Weißenberg-Rabinowitsch se tiene en cuenta el comportamiento de estructura viscosa, realizando la corrección hacia arriba de las velocidades de cizalla de los diferentes puntos de medición, especialmente con velocidades de cizalla más altas. De este modo se desplaza la viscosidad resultante aplicada mediante la velocidad de cizalla, como se representa en el siguiente diagrama.

Corrección de Bagley – Pérdidas de presión de entrada y de salida

La medición de presión se realiza de forma típica condicionada por la construcción por encima de la boquilla en el canal de ensayo. De este modo, además de la pérdida de presión viscosa, también se miden las pérdidas por los efectos de entrada y de salida.

Con la ayuda de la corrección de Bagley, puede separar la caída de presión en el capilar de las pérdidas de presión por los efectos de entrada y de salida.
Para la determinación de la pérdida de presión de entrada/salida, se aplica la pérdida de presión para diferentes boquillas con el mismo diámetro, pero diferentes longitudes y se extrapola a cero (diagrama de Bagley). Es decir, antes de la evaluación, deben realizarse primero al menos dos mediciones con boquillas con el mismo diámetro y distinta longitud.
En este caso, es esencial que la boquilla más corta no sea demasiado diferente de la longitud cero y que las longitudes de las boquillas no estén demasiado próximas para evitar que se produzcan errores en la extrapolación.
Una combinación práctica para la corrección de Bagley lineal se consigue mediante las boquillas de 30/1 mm, 20/1 mm y 10/1 mm de L/D.
Una combinación práctica para la corrección de Bagley no lineal se consigue mediante las boquillas de 20/1 mm, 10/1 mm y 5/1 mm.
Si la pérdida de presión de entrada solo se determina con dos boquillas, resulta práctica la combinación de 20/1 mm y 0,2/1 mm. No obstante, las no linealidades no pueden detectarse en este caso. El siguiente diagrama muestra un diagrama de Bagley con esta combinación de boquillas.

Mediante la corrección de Bagley se corrige hacia abajo la tensión de cizallamiento y también la viscosidad.

Corrección de Mooney – Resbalamiento de pared en la boquilla

La corrección de Mooney sirve para la determinación de la velocidad de resbalamiento de pared en materiales con resbalamiento de pared, como p. ej. HDPE o PVC. En este caso, la concepción del modelo parte de la base de que el material se desliza por la pared con la velocidad de resbalamiento de pared constante vg .

La integración mediante el perfil de velocidad da lugar a la siguiente relación para la velocidad de cizalla:

Debido a esta relación, las mediciones deben realizarse con una tensión de cizallamiento constante con capilares de diferente diámetro y la misma relación de L/D.
Una combinación práctica para la corrección de Mooney lineal se consigue mediante las boquillas de 40/2 mm y 20/1 mm de L/D. Una combinación práctica para la corrección de Mooney no lineal se consigue mediante las boquillas de 40/4 mm, 20/2 mm y 10/1 mm.
Para la corrección de Mooney también se pueden utilizar mediciones que se hayan realizado con una velocidad constante. Para ello, en el programa se determinan automáticamente los puntos con la misma tensión de cizallamiento mediante interpolación. En la configuración de las mediciones debe tenerse en cuenta que las velocidades del pistón se adaptan para los diferentes diámetros de boquilla, de manera que las tensiones de cizallamiento en los distintos capilares se solapen en un área lo más amplia posible, para que la se pueda realizar la corrección.
El resultado muestra que el diagrama de Mooney con velocidades de cizalla por encima del diagrama recíproco. El ángulo de inclinación de las rectas en el diagrama da lugar a velocidad de resbalamiento de pared.
El siguiente diagrama de Mooney muestra los datos de mediciones con el par de boquillas de 40/2 mm y 20/1 mm de L/D. La velocidad de cizalla con una tensión de cizallamiento constante se aplica sobre el diámetro de boquilla recíproco. La función de la tensión de cizallamiento ⨍(τ) se convierte de este modo en una sección del eje y constante y la velocidad de resbalamiento vG se puede determinar como la inclinación de las rectas.

Desde el punto de vista tecnológico, es interesante la aplicación de la velocidad de cizalla frente a la tensión de cizallamiento. Aquí se puede determinar la denominada como tensión de cizallamiento crítica, a partir de la que se produce el resbalamiento de pared. Además, también se pueden detectar zonas de la tensión de cizallamiento en las que se producen velocidades de resbalamiento altas o grandes cambios en la velocidad de resbalamiento. La elección del punto de funcionamiento en la zona de la tensión de cizallamiento puede provocar inestabilidades en el proceso debido a la velocidad de resbalamiento elevada o muy cambiante.

Corrección de disipación – Calentamiento de cizallamiento del material en la boquilla

La pérdida de presión que se produce durante el paso a través del capilar provoca un aumento de temperatura en el capilar. Es decir, el trabajo de modificación del volumen se transforma en energía interna, creando calor de fricción. Este aumento de temperatura se determina mediante el termopar de FeCo que se inserta en el capilar.
Mediante el desplazamiento de temperatura de Arrhenius se calcula la viscosidad de vuelta a la temperatura del acero actual (=temperatura nominal).

Una corrección de este tipo es necesaria sobre todo con velocidades de cizalla altas. Con coeficientes de cizallamiento de 10000 1/s y superiores pueden generarse aumentos de temperatura de 5-10 °C o superiores, en función del material de ensayo. Las correcciones que se producen como consecuencia se encuentran en el rango del 10 % o superior para los termoplásticos, pero pueden ser claramente superiores en el caso de los elastómeros.
Para llevar a cabo la corrección de disipación, debe conocerse la energía de activación EA de la muestra. Esta se puede determinar mediante tres mediciones de la viscosidad a diferentes temperaturas y la función de desplazamiento de temperatura del software. El siguiente diagrama muestra el efecto de la corrección de disipación. La tensión de cizallamiento y la viscosidad se convierten a la temperatura nominal con los altos coeficientes de cizallamiento y, como consecuencia, aumentan.

Corrección de Hagenbach – Consideración de la energía cinética

Debido al cambio en la sección transversal entre el canal de ensayo y la boquilla se produce una fuerte aceleración del material. En los medios de baja viscosidad, como por ejemplo, pinturas de dispersión, barnices y aceites, la pérdida de presión por el trabajo de aceleración es relativamente grande en relación con la pérdida de presión viscosa. Con la corrección de Hagenbach se tiene en cuenta este efecto y se elimina. Para esta corrección debe conocerse la densidad a la temperatura de ensayo.

El siguiente ejemplo muestra el efecto de la corrección de Hagenbach comparado con datos no corregidos en el ejemplo de una pintura utilizada para el revestimiento de papel.
La corrección de Hagenbach no es necesaria para la mayoría de los termoplásticos, porque el aumento de la energía cinética es muy bajo en relación con la pérdida de presión causada por el flujo viscoso.

Orden para la realización de la corrección

Debido a los distintos requisitos para la realización de correcciones individuales, es necesario que las correcciones se realicen en el orden correcto por motivos físicos. El siguiente listado solo indica el orden y no representa una valoración del impacto correspondiente. Es una cuestión de criterio el hecho de determinar qué correcciones son realmente necesarias.

Medios de alta viscosidad > aprox. 1 Pas (p. ej. plásticos, cauchos):

  • Bagley
  • Disipación
  • Mooney
  • Weißenberg-Rabinowitsch

Medios de baja viscosidad < aprox. 1 Pas (p. ej. pinturas, barnices, soluciones de polímeros):

  • Hagenbach
  • Bagley
  • Weißenberg-Rabinowitsch

En la práctica, con medios de alta viscosidad se aplican en la mayoría de los casos las correcciones de Bagley y de Weißenberg-Rabinowitsch. En un reómetro capilar de alta presión con dos canales de ensayo pueden realizarse los dos ensayos necesarios para ello en un paso.

  • Bagley
  • Weißenberg-Rabinowitsch

 

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