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Agregar partículas a los líquidos modifica las propiedades ópticas y físicas de los líquidos, p. Color, densidad y viscoelasticidad. Los disolventes, como el agua o la acetona, suelen ser líquidos idealmente viscosos, mientras que los líquidos que contienen partículas muestran un comportamiento reológico más complejo. Si las partículas son solubles en el disolvente, el producto final se denomina solución. Las partículas se disuelven como moléculas o iones (<1 nm). En caso de que las partículas sean insolubles, el producto es una mezcla de dos fases (o multifase) que se denomina suspensión si las partículas miden más de 1 µm o se denomina coloide si las partículas tienen un tamaño entre 1 nm y 1 µm.
Muchos productos líquidos, pinturas, tintas, bebidas, medicamentos, lodos o geles de ducha contienen varios tipos de partículas para lograr el producto final deseado o ajustar las propiedades de procesamiento. Una fracción de volumen de partículas baja (denominada en lo sucesivo «fracción sólida») normalmente induce un comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento, mientras que concentraciones altas de partículas pueden dar como resultado un espesamiento por cizallamiento. Sin embargo, la viscoelasticidad de los materiales no sólo depende de la concentración de las partículas sino también de la forma y el tamaño de las mismas. En la mayoría de las suspensiones, las partículas difieren en tamaño, lo que puede expresarse como la distribución del tamaño de las partículas. Además, la carga eléctrica de la superficie de la partícula (potencial zeta) influye en el comportamiento reológico de la suspensión. Este artículo tiene como objetivo separar los efectos de la concentración de partículas, la forma de las partículas, la distribución del tamaño de las partículas y la carga superficial de las partículas, y nombrar métodos comunes para medir estas propiedades.
Partículas: la fracción sólida en suspensiones
Las partículas en un líquido actúan como obstáculos, dificultando el flujo del líquido y, por lo tanto, aumentando la resistencia al flujo, es decir, la viscosidad. Un modelo simple para describir el aumento de la viscosidad es asumir un campo de flujo alrededor de una sola esfera, que representa concentraciones de partículas muy bajas, y un aumento de la viscosidad resultante calculado simplemente a partir de la viscosidad del solvente y la fracción en volumen del sólido disperso (Figura 1, Ecuación 1, Einstein 1906, 1911). La fórmula fue modificada y adaptada para múltiples esferas del mismo tamaño (“monodispersas”) para fracciones sólidas máximas de 0,15 a 0,2 (Ecuación 2) por Batchelor (1977), donde η representa la viscosidad aparente de la suspensión, η0 la viscosidad de el líquido, y φ la fracción sólida en la suspensión.
Las suspensiones con una fracción sólida aún mayor se pueden describir con el modelo de Krieger & Dougherty (1959, Ecuación 3), válido para velocidades de corte altas y bajas. En este modelo, se requieren dos parámetros de entrada adicionales. Φmax es la fracción sólida máxima en la suspensión, que aún permite que la suspensión fluya. La viscosidad intrínseca [η] es una medida de la forma de las partículas (2,5 para esferas).
Suponiendo partículas esféricas, la densidad de empaquetamiento máxima teórica puede ser de 0,52 a 0,74, dependiendo del esquema de apilamiento de esferas (Figura 2). Está bien establecido que para el empaquetado aleatorio de esferas el valor es aproximadamente 0,64 (por ejemplo, Scott y Kilgour 1969). Para fracciones bajas de sólidos, la viscosidad de la suspensión aumenta. Sin embargo, no se producen interacciones significativas entre partículas y el comportamiento de flujo de la suspensión todavía está controlado por el comportamiento de flujo newtoniano de la fase disolvente. Al aumentar la fracción sólida, es más probable que las partículas choquen. Ahora actúan como obstáculos y se requiere una fuerza de corte adicional cuando se produce fricción durante la colisión de partículas (Figura 3). Cuando la fracción sólida se acerca a φmax, las interacciones continuas entre partículas aumentan sustancialmente la fuerza requerida para cortar la muestra, dominando ahora sobre la tensión de corte requerida para cortar el solvente.
La respuesta reológica de la suspensión ahora también depende de la velocidad de cizallamiento; el inicio de un comportamiento de flujo no newtoniano, p. El carácter adelgazante de la suspensión es muy variable para diferentes suspensiones, pero puede comenzar en φ = 0,1 a 0,5 (por ejemplo, Stickel y Powell 2005). Además, a velocidades de corte más altas, las partículas forman grupos y se producen atascos, lo que lleva a un espesamiento por corte (Figura 4). La transición de adelgazamiento por corte a espesamiento por corte es específica de la muestra y está controlada por factores como el tamaño (distribución) y la forma de las partículas.