Reómetro de esfuerzo controlado

Las determinaciones reológicas en modo rotacional y oscilatorio se llevaron a cabo mediante un reómetro de esfuerzo controlado (MCR 301, Anton Paar Physica, Austria) (Fig. 5.2) con sensor de placas paralelas (diámetro 50 mm), control “true gap” y sistema Peltier de control de temperatura (  0,01 ºC). El equipo puede operar además en modo de esfuerzo controlado, en modo simulado de velocidad constante. La unidad del MCR 301 consta de un motor de “torque” y un sensor de deflexión. El equipo tiene un control de “gap” automático que permite detectar la variación de este parámetro y recalcular los valores en función del valor real de este parámetro. El rango de operación de velocidad de cizalla () está entre 10-7 y 3000 min-1 y de velocidad angular ( 10-5 a 628 rad s-1. El sistema Peltier de control de temperatura opera entre -40 a 200 ºC. Como sistemas de apoyo para la operación del equipo se requiere un suministro de aire filtrado (seco, libre de partículas y aceite) a una presión recomendada de 5 bar y un baño de agua como sistema de refrigeración. El instrumento dispone de un software de control (Rheoplus®, Anton Paar GmbH, Alemania) para la adquisición, registro, evaluación y presentación del conjunto de mediciones.

Todos los ensayos fueron realizaron en modo de esfuerzo controlado.

Fig. 5.2. Stress controlled rheometer (MCR 301, Paar Physica)

i) Establecimiento de las variables de operación

Los sistemas en el rango concentrado, se ensayaron mediante la técnica de reometría de esfuerzo controlado en el rango de concentraciones nominales de 1,0 a 15,0 g L-1 _{en los}

sistemas binarios de las gomas guar y tragacanto a las temperaturas de 5,0; 15,0; 25,0; 35,0; 45,0 y 55,0 ± 0,1 ºC y de 1,0 a 20,0 g L-1 _{en el sistema binario de metilcelulosa a}

Experimental

Se ensayaron muestras frescas, a menos de que se indiquen otras condiciones. La muestra se homogenizó antes de tomar una parte representativa para los ensayos reológicos. Para la realización de los ensayos, las muestras se colocan en la placa inferior y la placa superior se desplaza en el plano vertical hasta la distancia de separación de placas fijada mediante control a través del ordenador. La cantidad en exceso se retira para obtener un menisco alrededor de las placas, como indica el fabricante. Se empleó parafina líquida para cubrir la superficie expuesta al ambiente, con el fin de evitar la evaporación. En todos los ensayos, la muestra dispuesta entre las placas se equilibró durante un tiempo establecido a la temperatura de estudio.

En el ensayo de los sistemas que contienen metilcelulosa se incluyó una etapa de cizalla previa a la realización del ensayo reológico a manera de preparación de la muestra con el propósito de tener el mismo historial mecánico y evitar la falta de reproducibilidad en los resultados asociada al comportamiento de fluido estructurado que presenta.

ii) Calibración

La calibración certificada del equipo fue aportada por el fabricante. Como parte de algunos ensayos complementarios, se llevaron a cabo las mediciones en el rango de viscosidad de los sistemas de estudio, mediante patrones reológicos estándar certificados de viscosidad 9,6, 46,7 y 480 mPa s a 25 ºC, obteniendo resultados dentro de especificaciones en todos los casos.

5.2.2.1 Ensayos en flujo estacionario

Se estableció un protocolo para algunas de las condiciones experimentales que deben ajustarse en función de las variables estudiadas. Respecto a la variable concentración, los ensayos se realizaron a un valor de separación entre placas (gap) de 1 mm para las dispersiones de mayor concentración (10-20 g L-1_{); para concentraciones inferiores, se}

establecieron valores de gap de 0,75 mm para concentración de 7,5 y 5,0 g L-1; 0,50 mm para concentración 2,5 g L-1 _{y 0,30 mm para 1,0 g L}-1_{. El valor del limite inferior de la}

velocidad de cizalla se corresponde con la obtención de valores de “torque” dentro de las especificaciones del equipo (“torque” mínimo 0,1 N m) y resultados reproducibles entre ensayos originales y réplicas.

Algunos ensayos previos para evaluar ciclos de histéresis y confirmar que las curvas de flujo obtenidas corresponden al estado estacionario se llevaron a cabo. De acuerdo con los resultados obtenidos en esta etapa preliminar se estableció que para todos los sistemas ensayados, las curvas de flujo deberían realizarse en sentido decreciente para obtener resultados reproducibles. Estas conclusiones están de acuerdo con otros estudios realizados en dispersiones de hidrocoloides (Rayment et al., 2000). A partir de esta evaluación preliminar, se elaboró un protocolo experimental general para los ensayos reológicos de los sistemas ensayados, que permitió asegurar la obtención de resultados reproducibles.

Las curvas de flujo en estado estacionario se realizaron por duplicado para cada variable o combinación de variables ensayada, en el rango de velocidad de cizalla de 0,01 a 1000 s-1, cuando se obtuvieron valores válidos de “torque” a velocidades de cizalla bajas. La verificación del estado estacionario es efectuada automáticamente por el equipo. El

Experimental

“torque” se impuso en forma de rampa logarítmica, con el fin de disminuir la aceleración inicial y los efectos debidos a la inercia del instrumento (Sittikiyothin et al., 2005). Adicionalmente, se realizaron ensayos transitorios de viscosidad en función del tiempo a velocidad de cizalla constante (a diferentes valores en el rango de velocidad de cizalla ensayado), como una forma alternativa de construir las curvas de flujo en estado estacionario y determinar los tiempos de relajación a través de la exaltación del esfuerzo (stress overshoot).

5.2.2.2 Ensayos en flujo oscilatorio

Se realizaron ensayos de barrido de deformación (G´ vs. ) en el rango 0,01 a 100 % a la frecuencia estándar de 1 Hz y a la temperatura de ensayo en cada caso, para determinar el intervalo de deformación correspondiente al comportamiento viscoelástico lineal, en el que el esfuerzo cortante varía linealmente con la deformación aplicada. El criterio aplicado para la definición del rango viscoelástico lineal fue de una desviación entre los valores de G´ inferior al 2,0%.

Los ensayos de barrido de frecuencia se realizaron a un valor de deformación dentro del intervalo viscoelástico lineal previamente determinado ( 3% para tragacanto y 5% para guar y metilcelulosa), en el rango de frecuencia angular de 100 a 0,1 rad s-1 _{a la}

temperatura de estudio. Las funciones del material obtenidas como resultados de este ensayo son: esfuerzo cortante, ángulo de fase, deformación y “torque”. A partir de estas determinaciones, el software de control calcula las funciones derivadas: módulo elástico y viscoso, tangente del ángulo de fase, viscosidad compleja y módulo complejo, entre otras.

Como verificación adicional de las condiciones de viscoelasticidad lineal y de la estabilidad de la muestra, para cada variable experimental ensayada el barrido de frecuencia se realizó en sentido decreciente-creciente de la frecuencia angular, con el propósito de comprobar la superposición satisfactoria de los espectros y que no se produce ninguna alteración de la muestra.