PROCEDIMIENTO ULTRASONICO-REOLOGICO PARA LA DETERMINACION DEL ESFUERZO UMBRAL DINAMICO EN MATERIALES CON COMPORTAMIENTO PLASTICO.

Procedimiento ultrasónico-reológico para la determinación del esfuerzo umbral dinámico en materiales con comportamiento plástico,

que comprende: a) acoplamiento de un transductor ultrasónico a la placa inferior de un reómetro torsional con geometría de placas paralelas, b) ajuste de la distancia entre placas del reómetro a un intervalo comprendido entre 0,1 y 1 mm, c) introducción de la muestra de material con comportamiento plástico entre las placas del reómetro ajustadas en la etapa anterior, d) comienzo de la emisión por el transductor de ondas ultrasónicas longitudinales en un intervalo de frecuencias comprendido entre 0,1 y 20 MHz, e) sincronización de dicha emisión acústica con el ensayo reológico consistente en el sometimiento de la muestra a la acción de una solicitación mecánica.

SECTOR DE LA TECNICA

El objeto de la invención es una nueva técnica experimental que permite detectar y rastrear de manera rápida, mediante técnicas ultrasónicas, los cambios microestructurales que se producen en la materia condensada blanda bajo la acción de solicitaciones mecánicas.

Este tipo de técnica contribuye a la mejora de los sistemas actuales de caracterización mecánica de materiales que presentan un esfuerzo umbral; es decir, aquellos materiales que requieren de la aplicación de un esfuerzo mínimo (umbral) para hacerlos fluir, y que por debajo de dicho umbral se comportan de manera cuasi-sólida. Estos materiales se encuentran presentes en nuestros ámbitos de aplicación en la vida cotidiana como por ejemplo, en la industria automovilística (fluidos magneto-reológicos en amortiguadores de automoción) , industria de alimentación (emulsiones como mayonesas, salsas, etc.) o productos cosméticos y de cuidado personal (cremas y geles, pasta de dientes, etc.) .

ESTADO DE LA TECNICA

Tanto la caracterización microestructural como la detección del esfuerzo umbral en materia condensada blanda son temas de gran interés actual. Posiblemente sea así porque no existe , siquiera a día de hoy, un consenso en la comunidad científica sobre la existencia o no de un esfuerzo umbral como tal, en sistemas arrestados (Moller P e F, Mewis J and Bonn D , 2006, Yield stress and thixotropy: On the difficulty of measuring yield stresses in practice, Soft Malter 2, 274-83; Barnes H A, 1999, The yield stress-a review, Journal 01 Non-Newtonian Fluid Mechanics 81 , 133-78; Berli and de Vicente J., 2012, A structural viscosity model for magnetorheology, Applied Physics Letters 101 ) . La comunidad científica se divide entre aquellos que opinan que por debajo del esfuerzo umbral los materiales son sólidos elásticos perfectos (y por tanto su viscosidad es infinita) y aquellos que opinan que antes del esfuerzo umbral los materiales no son sólidos, sino fluidos de muy alta viscosidad, tan alta como que es inaccesible con las técnicas actuales.

En la práctica, cualquier experimento o aplicación conlleva una escala temporal asociada en la que es posible hablar de sólidos o líquidos, sin ambigüedades, y por tanto, la existencia de un esfuerzo umbral en materiales como por ejemplo, una mayonesa o una pasta de dientes es una realidad ingenieril (en este caso a escalas de tiempo de horas o días) que incluso determina sus propiedades sensoriales (textura, suavidad, etc) durante la aplicación, y el éxito de venta. De ahí el interés en medir de manera precisa el esfuerzo umbral a la escala de tiempo de interés en cada caso.

En la literatura científica existen diferentes métodos para la determinación del esfuerzo umbral que se pueden agrupar en dos grandes bloques: las medidas directas y las medidas indirectas. Así, las medídas directas íncluyen los ensayos de fluencía -creep test- ( Lí W H, Du H, Chen G and Yeo S H, 2002, Experímental ínvestígatíon of creep and recover y behaviors of magnetorheologícal fluid s, Materials Scíence and Engíneering: A 333, 368-76;

Berlí C L A and de Vícente J, 2012 A structural víscosity model for magnetorheology, Applíed Physics Letters 101 , 021903) , las rampas de esfuerzo -stress ramp- ( Bombard A J F, Knobel M, Alcantara M R and Joekes 1, 2002 Evaluation of Magnetorheological Suspensions Based on Carbon yl lron Powders, Journal of Intelligent Material Systems and Structures 13, 471-8; Ulicny J C and Golden M A, 2007, Evaluation of yield stress meausrement techníques on a parallel plate magnetic rheometer Internatíonal, Journal of Modern Physics B 21 , 4898-906; Yang Y, Lí L and Chen G, 2009, Static yield stress of ferrofluid-based magnetorheological fluids, Rheologica Acta 48, 457-66; Jonkkari I and Syrjala S, 2010, Evaluation of techniques for measuring the yield stress of a magnetorheological fluid, Applied Rheology 20, 4587) Y los ensayos de crecimiento de esfuerzo al aplicar una velocidad de deformación súbita y

constante durante un periodo de tiempo determinado -stress growth test- (Ulicny J C and Golden M A, 2007, Evaluation of yield stress meausrement techniques on a parallel plate magnetic rheometer International , Journal of Modern Physics B 21, 4898-906; Jonkkari I and Syrjala S, 2010, Evaluation of techniques for measuring the yield stress of a magnetorheological fluid, Applied Rheology 20, 4587) . Por otro lado, las medidas indirectas conllevan la extrapolación a deformación nula de medidas realizadas a deformación finita (cuando el material ya fluye) y generalmente a partir de curvas de flujo (esfuerzo vs velocidad de deformación) , tanto en la representación doble lineal como en la representación doble logarítmica (de Vicente J, Klingenberg O J and Hidalgo-Alvarez R, 2011 , Magnetorheological fluids: a review, Soft Matter 7, 3701-10; Ulicny J C, Snavely K S,

Golden M A and Klingenberg D J, 2010, Enhancing magnetorheology with non magnetizable partieles, Applied Physies Letters 96, 231903-6) .

Son precisamente éstas, las medidas indirectas, las que más se utilizan a pesar de ser, en muchos casos, las menos precisas. Al margen de estas técnicas (de cizalla continua) también cabe destacar otras como son los barridos de amplitud dinámica oscilatorios que determinan el esfuerzo umbral a partir de la aparición de armónicos de mayor orden, el decrecimiento súbito del módulo de almacenamiento, el cruce entre el módulo de almacenamiento y el módulo de pérdidas (punto de gel) o el máximo en el esfuerzo elástico (de Vicente J, Gonzalez-Caballero F, Bossis G and Volkova O, 2002, Normal force study in concentrated carbonyl iron magnetorheological suspensions, Journal of Rheology 46, 1295303; Laun H M, Gabriel e and Kieburg e H, 2009, Magnetorheological fluid (MRF) in oscillator y shear and parameterization with regard to MR device properties, Journal of Physics: Conference Series 149, 012067; Segovia-Gutierrez J P, Berli C LA and De Vicente J, 2012, Nonlinear viscoelasticity and two-step yielding in magnetorheology: A colioidal gel approach to understand the effect of particle concentration, Journal of Rheology 56, 1429-48; Pan X-O and McKinley G H, 1997, Structural limitation to the material strength of electrorheological fluids, Applied Physics Letters 71 , 333-5) .

Todas las técnicas reológicas descritas anteriormente presentan ciertos inconvenientes. Por ejemplo, para medir a bajas velocidades de deformación, son necesarios largos tiempos de adquisición. Para que los puntos que aparezcan en un reograma tengan sentido físico, éstos deben estar en un estado de equilibrio, de modo que esta condición se cumple cuando el tiempo de adquisición para cada punto es, al menos, mayor o igual que el inverso de la velocidad de deformación. Por lo general, los tiempos de adquisición entre puntos de los reogramas son del orden de la decena de segundos, y esto implica que los reogramas, en la mayoría de los casos, son estrictamente válidos sólo cuando la velocidad de deformación es superior a 0.1 S·l, por lo que son necesarias otras técnicas para barrer el rango de valores inferiores. Además, en la mayoria de los casos, desde el punto de vista reológico, se necesita establecer ciertos criterios para poder determinar el esfuerzo umbral a partir de su definición, pues idealmente, ésta implica una transición de deformación nula a no nula, y en la práctica, no es posible determinar esto pues las medidas requieren de una deformación distinta de cero, por pequeña que esta sea. Estos criterios no son únicos y tampoco hay consenso sobre ellos.

En algunos casos especialmente sencillos, como por ejemplo en el caso de suspensiones diluidas "no Brownianas", el estudio del esfuerzo umbral se ha podido complementar con el uso de otras técnicas como puede ser la videomicroscopía (Volkova 0 , Cutillas S and Bossis G, 1999, Shear Banded Flows and Nematic-to-Isotropic Transition in ER and MR Fluids Physical Review Letters 82, 233-6; Claracq J, Sarrazin J and Montfort J P, 2004, Viscoelastic properties of magnetorheological fluids, Rheologica Acta 43, 38-49) . Esta técnica presenta la ventaja de visualizar en tiempo real lo que le está sucediendo a la muestra mientras se solicita de forma mecánica externamente. Sin embargo también presenta varios inconvenientes pues sólo se puede emplear en muestras cuyos componentes presenten diferentes contrastes, sean de tamaño adecuado (micrométrico o superior) y la cantidad de partículas sea pequeña (fracción de volumen pequeña) pues de otra forma, la muestra sería opaca a la luz visible.

El empleo de ondas ultrasónicas longitudinales de baja potencia para la inspección de muestras se justifica porque es una técnica no invasilla y muy sensible a cambios microestructurales....

1. Procedimiento ultrasónico-reológico para la determinación del esfuerzo umbral dinámico en materiales con comportamiento plástico, que comprende las siguientes etapas:

a) acoplamiento de un transductor ultrasónico a la placa inferior de un reómetro torsional con geometría de placas paralelas de forma que quede ubicado exactamente al nivel de la superficie de dicha placa inferior y que la parte más externa del transductor coincida con el radio de la placa superior del reómetro,

b) ajuste de la distancia entre placas del reómetro a un intervalo comprendido entre 0, 1 y 1 mm, e) introducción de la muestra de material con comportamiento plástico entre las placas del reómetro ajustadas en la etapa anterior,

d) comienzo de la emisión por el transductor de ondas ultrasónicas longitudinales en un intervalo de frecuencias comprendido entre 0, 1 Y 20 MHz, produciéndose la propagación de la onda mecánica acústica a lo largo de la muestra hasta reflejarse en la placa superior del reómetro y recibiéndose la onda mecánica reflejada de nuevo en el transductor que la transforma en una onda eléctrica, la cual es capturada por medio de un sistema de adquisición de señales eléctricas ,

e) sincronización de dicha emisión acústica con el ensayo reológico consistente en el sometimiento de la muestra a la acción de una solicitación mecánica que puede ser estacionaria o transitoria, en modo continuo o dinámico, de cizalla, compresión o elongación, en modo de esfuerzo controlado o de deformación controlada, obteniéndose así una correlación temporal de los resultados de ambos ensayos: acústico y reológico.

2. Procedimiento ultrasónico-reológico para la determinación del esfuerzo umbral dinámico en materiales con comportamiento plástico según la reivindicación 1, caracterizado porque el transductor ultrasónico es un transductor de banda ancha , pudiendo trabajar en pulso eco o transmisión, con una frecuencia de resonancia y un ancho de banda cuya elección está en función de la separación de las placas del reómetro y el espesor de la muestra.

3. Procedimiento ultrasónico-reológico para la determinación del esfuerzo umbral dinámico en materiales con comportamiento plástico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las placas del reómetro presentan una configuración circular paralela, plato-cono o cilindros concéntricos, estando fabricadas en cualquier

material de los usados en ensayos reológicos seleccionado entre aluminio, titanio, vidrio o PMMA.

4. Procedimiento ultrasónico-reológico para la determinación del esfuerzo umbral dinámico en materiales con comportamiento plástico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la muestra se selecciona entre suspensiones de materiales metálicos magnéticos o no magnéticos, suspensiones acuosas y oleosas, pastas de cemento, medios granulares, vidrios coloidales, geles físicos, polímeros, muestras biológicas, alimentos emulsionados (mayonesas, helados) y productos de higiene personal Gabanes, cremas) , pinturas o líquidos de perforación en yacimientos petrolíferos.

5.~ Procedimiento ultrasónico~reológico para la determinación del esfuerzo umbral dinámico en materiales con comportamiento plástico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la solicitación mecánica se aplica en forma de esfuerzo de cizalla .

6.~ Procedimiento ultrasónico~reológico para la determinación del esfuerzo umbral dinámico en materiales con comportamiento plástico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque se realiza bajo la acción de un campo magnético.

7.~ Procedimiento ultrasónico~reológico para la determinación del esfuerzo umbral dinámico en materiales con comportamiento plástico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cuando el material con comportamiento plástico cuyo esfuerzo umbral dinámico se quiere determinar es un fluido magneto reológico con 5% en fracción de volumen de particulas de hierro carbonilo de tamaño micrométrico dispersadas en un aceite de silicona, las condiciones de determinación son: ~ transductor ultrasónico con una frecuencia central de resonancia de 15 MHz y un ancho de banda del 70%, ~ espacio entre placas del reómetro y por tanto espesor de la muestra de 300 micrómetros, ~ esfuerzo de cizalla aplicado comprendido entre 0.1 Pa y hasta los 80 Pa , ~ aplicación de un campo magnético de 15 kAlm paralelo a la dirección de propagación de los ultrasonidos.

8.~ Procedimiento ultrasónico~reológico para la determinación del esfuerzo umbral dinámico en materiales con comportamiento plástico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque cuando el material con comportamiento plástico es una emulsión acuosa de bentonita al 10% en peso, las condiciones de determinación son: -transductor ultrasónico con una frecuencia central de resonancia de 15 MHz y un ancho de banda del 70%, -espacio entre placas del reómetro y por tanto espesor de la muestra de 300 micrómetros, -esfuerzo de cizalla comprendido entre 0.1 Pa y hasta los 65 Pa, -en ausencia de campo magnético.