REOLOGÍA COMO BASE DE TODO PROCESO DE PRODUCCIÓN CERÁMICA
DEFINICIÓN
La reología es la disciplina que analiza el movimiento y la deformación de los cuerpos naturales.
Es una rama de la física que estudia el origen, la naturaleza y las características de deformación de los materiales bajo la acción de fuerzas externas, con especial atención a los fluidos no newtonianos***.
Su tarea principal es, por lo tanto, definir las correlaciones entre causas (fuerzas) y efectos (deformaciones y flujos) identificando los mecanismos que generan los diferentes comportamientos a escala microscópica y molecular.
***PRINCIPAL DIFERENCIA ENTRE FLUIDOS NEWTONIANOS Y NO NEWTONIANOS:
- Fluido newtoniano: fluido cuya viscosidad se mantiene constante a medida que cambia la velocidad de movimiento del mismo.
- Fluido No-Newtoniano: fluido que no tiene un valor de viscosidad definido cuando su velocidad de movimiento varía.
REOLOGÍA Y PRODUCCIÓN CERÁMICA
En cerámica, cuando hablamos de reología, nos referimos a las características físicas de las suspensiones acuosas utilizadas en los procesos productivos.
A continuación, se presentan los más representativos:
- BARBOTINAS DE PASTA CERÁMICA
- ESMALTES
- ENGOBES
- TINTAS DIGITALES
- SUSPENSIONES DE GRANILLA DE VIDRIO
A fin de obtener resultados óptimos a nivel de aplicación, es fundamental analizar y ajustar las características reológicas de las barbotinas.
Si tomamos, por ejemplo, una pasta cerámica, con un estudio reológico adecuado damos estabilidad al sistema y hacemos que la barbotina sea fácilmente manejable tanto a nivel de transporte como dentro del proceso de atomización por medio de secadores de pulverización.
CÓMO ESTUDIAR LA REOLOGÍA DE LAS SUSPENSIONES CERÁMICAS
Las suspensiones cerámicas se estudian con instrumentos apropiados llamados reómetros, capaces de recoger toda la información relativa a las características del flujo del líquido examinado.
Estas propiedades se analizan cuidadosamente para verificar que las condiciones permiten que la suspensión puede ser utilizada dentro de un proceso productivo determinado.
En la mayoría de los casos es necesario intervenir en diferentes aspectos de la reología del líquido para darle las características que requiere la aplicación específica.
Por lo tanto, es evidente que una misma suspensión puede (y debe) tener características reológicas diferentes, en función de los requisitos de aplicación.
Los principales parámetros reológicos que se examinan normalmente en cerámica son los siguientes:
VISCOSIDAD ► propiedad de un material que expresa la facilidad (o dificultad) con que fluye cuando es accionado por fuerzas externas
LÍMITE DE FLUJO ► es el valor que representa la fuerza mínima (definida como esfuerzo de corte) que se debe aplicar a un fluido para hacer que se mueva
TIPO DE COMPORTAMIENTO REOLÓGICO ► plástico, pseudoplástico o newtoniano
Los datos recogidos por el reómetro se muestran en un gráfico bidimensional con el ESFUERZO DE CORTE* en el eje vertical (ordenadas) y el GRADO DE VELOCIDAD** en el eje horizontal (abscisas).
EL ESFUERZO DE CORTE* representa la fuerza que se aplica al líquido para generar un movimiento.
EL GRADIENTE DE VELOCIDAD** es una magnitud física que refleja la velocidad del líquido.
La viscosidad se representa en el gráfico por la pendiente de la curva y es el resultado de la relación entre el esfuerzo de corte y el gradiente de velocidad.
COMPORTAMIENTO REOLÓGICO DE LAS BARBOTINAS
El comportamiento reológico de las suspensiones cerámicas puede ser de cuatro tipos diferentes.
1. COMPORTAMIENTO NEWTONIANO
Comportamiento reológico lineal. El valor de la viscosidad es constante, ya que el esfuerzo de corte y/o el gradiente de velocidad aplicado varían. El aceite y el agua son los dos ejemplos más representativos: estos líquidos, independientemente de si se mezclan rápida o lentamente, no cambian su viscosidad de ninguna manera.
En la industria cerámica, el comportamiento newtoniano está bien representado por las tintas digitales. Deben ser newtonianas para que los cabezales de las impresoras digitales puedan aplicarlas.
Si la tinta tuviera un comportamiento plástico o pseudoplástico, el sistema de impulsos piezoeléctricos (sistema de creación/formación de gotas de tinta) no sería eficaz, lo que daría lugar a una definición de impresión inadecuada o, en el peor de los casos, a que no se formaran las gotas. El cabezal, básicamente, no sería capaz de aplicar la tinta.
Por lo tanto, al crear una tinta es esencial dar la suspensión un comportamiento lo más newtoniano posible.
2. COMPORTAMIENTO PLÁSTICO
Comportamiento caracterizado por un límite de deslizamiento preciso, es decir, un valor de esfuerzo de corte (la fuerza aplicada para generar el movimiento) por debajo del cual el material se comporta como un sólido.
En otras palabras: si el fluido está en una posición estática es casi sólido. No obstante, si el fluido se pone en movimiento (mediante la aplicación de una fuerza de cizallamiento), su consistencia se ablanda y adquiere las características de un líquido.
Un ejemplo clásico de un fluido con comportamiento plástico es la crema pastelera.
En el campo de la cerámica, cuando hablamos de fluidos con comportamiento plástico nos referimos principalmente a barbotinas para pastas cerámicas y suspensiones acuosas de granilla de vidrio.
Estas últimas, cuando están en reposo, deben mantener la granilla perfectamente en suspensión, comportándose como sólidos rígidos. Por otra parte, cuando la suspensión se pone en movimiento para ser aplicada, el fluido debe deconstruirse y comportarse como un fluido pseudoplástico: la viscosidad disminuye cuanto más aumenta el movimiento (o gradiente de velocidad).
En cerámica, en el momento de la pulverización, la velocidad a la que se somete el fluido es muy alta y la viscosidad es, por tanto, muy baja, lo que garantiza una excelente atomización de la suspensión.
Para garantizar una reología como la que hemos descrito, es necesario utilizar agentes químicos auxiliares capaces de actuar sobre el sistema. Dichos agentes deben garantizar:
- Acción suspensivante, capaz de garantice el límite de flujo
- Acción ligante, para dar cohesión y homogeneidad al sistema
- Pseudoplasticidad
En ausencia de agentes auxiliares especiales, la granilla tendería a asentarse, como la arena en el agua, comprometiendo la aplicación de la suspensión.
En el caso de las barbotinas, las arcillas contenidas en la formulación tienen un marcado comportamiento plástico, hasta el punto de que es necesario añadir agentes químicos auxiliares capaces de suprimir/reducir drásticamente tanto el límite de flujo como la excesiva viscosidad. Básicamente, es necesario transformar el sistema gel en líquido.
3. COMPORTAMIENTO PSEUDO-PLÁSTICO
Comportamiento caracterizado por una disminución de la viscosidad a medida que aumenta el esfuerzo de corte o el gradiente de velocidad. A diferencia del comportamiento plástico, sin embargo, estamos en ausencia de un límite de flujo y, por lo tanto, en ausencia de un esfuerzo inicial. La ausencia de un límite de flujo hace que el fluido, en posición estática, se comporte como un líquido. Por lo tanto, para ponerlo en marcha, se requiere un esfuerzo muy bajo, cercano a cero.
Un ejemplo representativo son las resinas autonivelantes para suelos.
A menudo, esta categoría de fluido puede manifestar fenómenos de sedimentación.
Los esmaltes para aplicaciones airless se caracterizan por su comportamiento pseudoplástico.
Estos esmaltes no son más que suspensiones acuosas de partículas extremadamente finas, vítreas y de origen natural. El tamaño y las características fisicoquímicas de dichas partículas hacen que el sistema no requiera un límite de flujo (o, si lo requiere uno muy bajo), ya que la sedimentación, en reposo, es muy lenta y gradual.
La ausencia de límite de flujo garantiza una excelente nivelación durante la fase de aplicación.
De hecho, la curva reológica tiene la misma tendencia que el comportamiento plástico con una sola diferencia significativa: la ausencia de límite de flujo.
4. COMPORTAMIENTO DE DILATACIÓN
Comportamiento reológico particular en el que la viscosidad aumenta a medida que aumenta el gradiente de velocidad.
La masa elástica que se utiliza para hacer la pizza, por ejemplo, cuando se manipula tiende a ser más compacta y, por lo tanto, menos fluida y más viscosa. Si se deja en reposo, tiende a gotear y, por consiguiente, a presentar una viscosidad menor.
En cerámica, el comportamiento de dilatación es muy raro y apenas se ha investigado, ya que no es adecuado para los procesos productivos, pues puede dar lugar a importantes defectos de aplicación.
Como este comportamiento es el opuesto al pseudoplástico —a medida que aumenta la velocidad de movimiento, la viscosidad aumenta progresivamente— la atomización de la suspensión por medio de aerosol se hace difícil, si no imposible.
Para comprender mejor este tipo de comportamiento podemos tomar un ejemplo del mundo del motociclismo o, más en general, de los deportes extremos. Hoy en día existen en el mercado trajes de protección hechos con materiales con características técnicas dilatadoras: cuando están en posición de reposo son más blandos y permiten el movimiento al portador, pero en caso de colisión (y, por lo tanto, en conjunción con un aumento de la velocidad de movimiento) se endurecen inmediatamente, añadiendo protección en caso de golpes.
A los cuatro diferentes comportamientos analizados añadimos una característica reológica, habitual en cerámica, dependiente del tiempo:
La TIXOTROPÍA. Se manifiesta como una disminución progresiva de la viscosidad bajo la acción de un gradiente de velocidad constante. Por ejemplo, las barbotinas de pasta cerámica suelen presentar este tipo de comportamiento.
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