Procedimientos de calibración para reología de superposición ortogonal

Comprender las propiedades reológicas de los fluidos complejos es esencial para muchas industrias para el desarrollo y la fabricación de productos confiables y reproducibles¹. Estos “fluidos complejos” incluyen suspensiones, líquidos poliméricos y espumas que existen ampliamente en nuestra vida cotidiana, por ejemplo, en productos de cuidado personal, alimentos, cosméticos y productos para el hogar. Las propiedades reológicas o de flujo (por ejemplo, viscosidad) son cantidades clave de interés para establecer métricas de rendimiento para el uso final y la procesabilidad, pero las propiedades de flujo están interconectadas con las microestructuras que existen dentro de fluidos complejos. Una característica prominente de los fluidos complejos que los distingue de los líquidos simples es que poseen diversas microestructuras que abarcan múltiples escalas de longitud². Esas microestructuras pueden verse fácilmente afectadas por diferentes condiciones de flujo, lo que, a su vez, resulta en cambios en sus propiedades macroscópicas. Desbloquear este bucle estructura-propiedad a través del comportamiento viscoelástico no lineal de fluidos complejos en respuesta al flujo y la deformación sigue siendo una tarea desafiante para los reólogos experimentales.

La reología de superposición ortogonal (OSP)³ es una técnica robusta para abordar este desafío de medición. En esta técnica, un flujo de cizallamiento oscilatorio de pequeña amplitud se superpone ortogonalmente a un flujo de corte constante primario unidireccional, lo que permite la medición simultánea de un espectro de relajación viscoelástica bajo el flujo de corte primario impuesto. Para ser más específicos, la pequeña perturbación de cizallamiento oscilatorio se puede analizar utilizando teorías en viscoelasticidad lineal⁴, mientras que la condición de flujo no lineal se logra mediante el flujo de corte constante primario. Como los dos campos de flujo son ortogonales y, por lo tanto, no están acoplados, los espectros de perturbación pueden estar directamente relacionados con la variación de la microestructura bajo el flujo primario no lineal⁵. Esta técnica de medición avanzada ofrece la oportunidad de dilucidar las relaciones estructura-propiedad-procesamiento en fluidos complejos para optimizar su formulación, procesamiento y aplicación.

La implementación de la reología moderna de OSP no fue el resultado de una epifanía repentina; más bien, se basa en muchas décadas de desarrollo de dispositivos personalizados. El primer aparato OSP hecho a medida data de 1966 por Simmons⁶, y se hicieron muchos esfuerzos a partir de entonces 7,8,9,10. Esos primeros dispositivos personalizados sufren de muchos inconvenientes, como problemas de alineación, el efecto de flujo de bombeo (debido al movimiento axial del bob para proporcionar oscilación ortogonal) y los límites de la sensibilidad del instrumento. En 1997, Vermant et ^al.3 modificaron el transductor de reequilibrio de fuerza (FRT) en un reómetro motor-transductor separado comercial, lo que permitió mediciones OSP para fluidos con un rango de viscosidad más amplio que los dispositivos anteriores. Esta modificación permite que el transductor de reequilibrio de fuerza normal funcione como un reómetro controlado por tensión, imponiendo una oscilación axial además de una medición de la fuerza axial. Recientemente, las geometrías requeridas para las mediciones de OSP, después de la metodología de Vermant, se han publicado para un reómetro motor-transductor comercial separado.

Desde el advenimiento de la reología comercial OSP, existe un creciente interés en aplicar esta técnica para la investigación de diversos fluidos complejos. Los ejemplos incluyen suspensiones coloidales 11,12, geles coloidales^13,14 y gafas^15,16,17. Si bien la disponibilidad del instrumento comercial promueve la investigación de OSP, la complicada geometría de OSP requiere una comprensión más profunda de la medición que otras técnicas reológicas de rutina. La celda de flujo OSP se basa en una geometría de cilindro concéntrico de doble pared (o Couette). Cuenta con un diseño superior abierto e inferior abierto para permitir que el fluido fluya hacia adelante y hacia atrás entre los huecos anulares y el depósito. A pesar de la optimización realizada al diseño geométrico por el fabricante, cuando se somete a una operación OSP, el fluido experimenta un campo de flujo no homogéneo, efectos finales geométricos y flujo de bombeo residual, todo lo cual puede introducir un error experimental sustancial. Nuestro trabajo anterior¹⁸ reportó importantes procedimientos de corrección de efectos finales utilizando fluidos newtonianos para esta técnica. Para obtener resultados de viscosidad correctos, se deben aplicar factores de efecto final apropiados tanto en dirección primaria como ortogonal. En este protocolo, nuestro objetivo es presentar una metodología de calibración detallada para la técnica reológica OSP y proporcionar recomendaciones para las mejores prácticas para reducir los errores de medición. Los procedimientos delineados en este documento sobre la configuración de la geometría OSP, la carga de muestras y los ajustes de prueba OSP deben ser fácilmente adoptables y traducidos para mediciones de fluidos no newtonianos. Aconsejamos que los usuarios utilicen los procedimientos de calibración descritos aquí para determinar los factores de corrección del efecto final para sus aplicaciones antes de las mediciones de OSP en cualquier clasificación de fluidos (newtoniana o no newtoniana). Observamos que los procedimientos de calibración para los factores finales no se han informado anteriormente. El protocolo proporcionado en el presente documento también describe una guía paso a paso y consejos sobre cómo realizar mediciones reológicas precisas en general y el recurso técnico sobre la comprensión de los datos “sin procesar” frente a los datos “medidos”, que pueden ser pasados por alto por los usuarios del reómetro.