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Tecniche

Reologia

La Reologia…in pratica

Per molti l’incontro con la reologia è cominciato con delle misure di viscosità utilizzando il viscosimetro: un metodo che ha fini comparativi, dove le condizioni di misura sono fisse (lettura di un singolo punto). Per capire le proprietà di un materiale e/o essere in grado di migliorare un prodotto, in termini di qualità e di processabilità, l’analisi con un viscosimetro rimane estremamente limitata, oltre che imprecisa.
Gli strumenti abili a misurare le proprietà reologiche sono i Reometri: solo utilizzando le capacità di un reometro si possono ottenere le informazioni che consentono di caratterizzare in modo esaustivo le proprietà dei materiali. Esistono vari tipi di reometri, i reometri detti ‘rotazionali’ a stress o strain controllato e i reometri capillari. I reometri rotazionali sono i più versatili.

Di solito con il reometro si svolgono due classi di misure: misure di viscosità, per una valutazione delle proprietà di scorrimento, e misure in oscillatorio, per una valutazione delle proprietà di deformabilità della  struttura del materiale, senza però arrivare allo scorrimento.
                       

Le misure di viscosità consentono ad esempio di capire come si stenderà una vernice, producendo o meno uno spessore adeguato, se colerà, o ancora se tale prodotto, durante il processo di produzione, potrà essere pompato o no.
Con le misure in oscillatorio, sondando la struttura dei campioni si possono caratterizzare i comportamenti viscoelastici dei materiali su diverse scale temporali. Ad esempio, si può predire la stabilità di una sospensione, o quantificare l’indurimento di un materiale che polimerizza, per materiali vari come un ingrediente da cucina di tipo gelatinoso a una super colla rapida ultra forte.
La misura delle proprietà reologiche è applicabile a tutti i tipi di materiali, ai fluidi, ai semi-solidi come i gels, ma anche a sistemi solidi come polimeri e compositi. Grazie a misure di reologia si possono collegare le proprietà fisiche di un materiale o di una formulazione durante le varie tappe del processo alle proprietà d’uso del prodotto e alle sue prestazioni per l’utilizzatore finale. La misura delle proprietà reologiche può contribuire alla formulazione di un prodotto migliore, predicendone le caratteristiche finali e le proprietà fisiche durante e dopo il processo di lavororazione del prodotto stesso. 

I reometri Bohlin/Malvern  vengono usati in tutto il mondo in numerose e diversificate tipologie di industrie per studi che vanno dalla semplice misura della viscosità in funzione della velocità di stiro (shear rate) per determinare il comportamento non newtoniano del flusso, alla misura di complesse proprietà reologiche come la viscoelasticità (G', G") in funzione della frequenza (tempo) o della temperatura.

 Applicazioni della reologia
  • Reologia delle sospensioni, dispersioni ed emulsioni

La misura delle proprietà reologiche di sospensioni, dispersioni colloidali o emulsioni, fornisce informazioni critiche sul prodotto e sull'efficienza del processo di produzione. Al fine di garantire le prestazioni del prodotto e del processo, le formulazioni devono essere stabili : spesso invece, la complessità di questi sistemi mette a rischio la loro stabilità. La presenza di una miscela di solventi, o l'eterogeneità di forma e dimensione delle particelle sospese, nonché la presenza di numerosi additivi, possono in effetti influenzare  la stabilità delle formulazioni. Grazie alle misure reologiche è possibile predire se una preparazione tenderà a  flocculare, coagulare o coalescere, provocando effetti indesiderati come sedimentazione, cremaggio, separazione etc... Una misura della reologia fornisce indicazioni sullo stato colloidale del sistema e sulle interazioni esistenti tra i diversi componenti.

  • Reologia dei materiali semi-solidi o soft: gel, paste, creme, etc.

Le proprietà reologiche, come il punto di scorrimento, la tissotropia e la viscoelasticità influenzano in modo diretto la qualità dei materiali semisolidi che si incontrano in numerose industrie: farmaceutica, alimentare, cosmetica, etc. A secondo della temperatura, dello sforzo o della deformazione al quale sono sottoposti, i materiali semisolidi possono presentare dei comportamenti di tipo liquido (viscoso) o inversamente di tipo solido (elastico): questi materiali sono detti viscoelastici e l’unica tecnica per caratterizzarne le proprietà rimane la reologia. In effetti, misure reologiche consentono ad esempio di predire se e come un prodotto dovrà essere pompato e le caratteristiche della pompa. 

  • Reologia dei polimeri

La misura delle proprietà viscoelastiche dei polimeri e plastici è generalmente effettuata su soluzioni diluite o polimeri fusi, e sono critiche per la determinazione dell’architettura molecolare (peso molecolare, distribuzione, grado di branching), del comportamento durante il processo e delle performance del prodotto finale. La sola misura del melt-index, molto diffusa nel industria dei polimeri, consiste nella determinazione di un singolo punto di viscosità, assolutamente inaccurato per caratterizzare materiali complessi come i polimeri che presentano dei comportamenti di tipo liquido o solido a seconda della temperatura, della forza o della deformazione applicata. In effetti la misura del melt-index non è sensibile, a differenza della misura reologica, alle differenze di architettura molecolare e non consente di simulare il comportamento di un polimero durante il processo.

  • Reologia dei bitumi

Oggi la parola d’ordine nel campo delle costruzioni o manutenzione di strade sembra essere la “riduzione dei costi”. Però la limitazione dei fondi genera una crescente difficoltà per mantenere gli standard di qualità. Di conseguenza, ogni tappa del processo deve essere ottimizzata e non consente errori. Gli asfalti a basso costo sono tipici di questa tendenza, con il rischio di sacrificare l’efficienza o le prestazioni  del prodotto. La soluzione è lo sviluppo di bitumi, catrami e asfalti meglio concepiti/pensati associato ad un controllo qualità più accurato.
La misura delle proprietà reologiche dei bitumi o degli asfalti è stata introdotta in larga scala quasi 10 anni fa negli Stati Uniti con il Strategic Highway Research Program (SHRP) nel 1993. Questi nuovi strumenti e procedure hanno portato ad un miglioramento delle performance e del costo (Superpave™ Performance Graded Binders) ma non solo. Hanno anche drasticamente migliorato la comprensione delle proprietà e l’uso dei parametri reologici per la selezione di binders di migliore qualità, adatti ad un ampio range di condizioni climatiche, ambientali, di traffico o di carica. La durezza, l’elasticità, il relaxation time sono parametri che dicono molto sul comportamento dell’asfalto in funzione della temperatura: la misura di questi parametri reologici consente anche di paragonare meglio i prodotti concorrenti, le varie formulazioni e l’effetto degli additivi.

Alcuni parametri reologici indispensabili alla caratterizzazione di un materiale
  • Caratterizzazione della viscoelasticità

La maggior parte dei materiali non si comporta solo come un solido o solo come un liquido, possono invece mostrare entrambi i comportamenti, in funzione dell’applicazione e le condizioni d’uso a cui sono sottoposti.
Prendiamo per esempio una vernice, la sua formulazione contiene un alta concentrazione di pigmento nella forma di particelle solide. Quando la vernice nella latta si trova sullo scaffale di un magazzino, quindi a riposo, è necessario che si comporti come un solido al fine di prevenire la sedimentazione delle particelle: questa situazione si può definire come un processo a lungo termine. Quando invece la vernice è applicata, si deve comportare come un liquido per poter scorrere fra le setole di un pennello e poi essere stesa in modo uniforme: questo è un processo a breve termine. La vernice ha quindi un comportamento di tipo viscoelastico e si comporta in modo molto differente in funzione delle condizioni d’uso.
Grazie ad un esperimento in oscillatorio con un reometro, si possono evidenziare le proprietà viscoelastiche dei materiali paragonando lo sfasamento fra le sinusoidi dello Sforzo di taglio e della Deformazione del materiale.


 

  • Adattare le proprietà di scorrimento ai processi

Prendiamo ad esempio un semplice 'processo' come quello che riguarda l'uso di una crema per le mani: dal magazzino all’applicazione finale il prodotto sarà sottoposto a  molte condizioni di shear rate, cioè velocità di scorrimento. Le qualità del prodotto sono legate a shear rate molto diversi che possono essere simulati e testati con un reometro:

  • Durante la conservazione, la crema per le mani è a riposo. Dei test a shear rates molto bassi possono dare un’indicazione sulla stabilità del prodotto, e quindi sulla sua qualità
  • Dispensazione: dei test a shear rates medi consentono di capire ad esempio se la crema deve essere pompata dall’interno di un flacone o se può semplicemente essere prelevata a mano
  • Applicazione: in un primo tempo la crema deve rimanere sulla mano e non fluire prima di essere spalmata, questo corrisponde a shear rates bassi. In un secondo tempo la crema va spalmata sulla pelle e test ad alti shear rates sono rappresentativi del gap piccolo e della velocità relativamente elevata del movimento. Questi test possono dire se la crema è troppo spessa per essere spalmata e anche dare informazioni sull’ effetto provato dal consumatore.

Ci si aspettano varie proprietà da una crema per le mani, che sia densa e viscosa nel barattolo a riposo e allo stesso tempo che sia poco viscosa quando invece la dobbiamo applicare.
Queste considerazioni sono valide in contesti di produzione ed uso di numerosi materiali industriali che siano essi fluidi o semi-solidi. Ciò rivela quale sia l’importanza delle analisi reologiche per migliorare la qualità di un prodotto in produzione, conservazione ed uso finale.

  • Misura del punto di scorrimento o yield stress

Un punto di scorrimento o yield stress è una proprietà chiave per numerosi prodotti che richiedono una passaggio da uno stato di tipo solido ad uno stato di tipo liquido. Questi materiali richiedono l’applicazione di una certa forza prima di scorrere, cioè lo ‘yield stress’. Il dentifricio deve scorrere fuori dal tubo quando lo schiacciamo ma deve poi anche rimanere sullo spazzolino senza più scorrere. Il ketchup deve essere viscoso per presentarsi bene sul piatto ma allo stesso tempo deve essere liquido quando lo versiamo dalla bottiglia. Misurando la viscosità in funzione dello stress applicato dal reometro, si può evidenziare un punto di scorrimento come per la crema per le mani qui sotto.

Nella produzione industriale di questi tipi di materiali, è fondamentale conoscere il valore dello yield stress per poter configurare correttamente le pompe da usare.

  • Misura della Tissotropia 

I materiali la cui viscosità dipende dal tempo sono detti ‘tissotropici’.Prendiamo l’esempio di una vernice: nella latta, a riposo, ovvero in condizioni di bassi shear rates, sembra molto viscosa. Se la si agita, la viscosità diminuisce. Quando la vernice viene stesa con un pennello, la sottoponiamo ad uno shear relativamente elevato, la viscosità risulta bassa e la vernice si stende bene. Tuttavia, appena applicata alla superficie da verniciare, nonostante lo shear rate torni ad essere molto basso, la viscosità non risale istantaneamente: serve del tempo alla vernice per tornare ad essere viscosa. La struttura della vernice, distrutta dall’agitazione e dall’applicazione con il pennello, richiede tempo per ricostruirsi. Questo fenomeno, dove la viscosità è funzione del tempo, è chiamato Tissotropia, e può essere caratterizzato con un reometro, in modo semplice.