Tissotropia
COS’É LA TISSOTROPIA:
La tissotropia o tixotropia è la proprietà di alcuni fluidi pseudo-plastici di variare la loro viscosità quando sottoposti a sollecitazioni di taglio oppure nel caso di lunghi periodi di quiete. In queste condizioni il fluido può passare dallo stato di grasso pastoso quasi solido a quello di liquido o, più in generale, da quello di gel a quello di liquido.
La tissotropia è anche il nome del processo di trasformazione isotermica reversibile gel-sol. La curva rappresentativa della trasformazione di andata nel piano del reogramma è diversa da quella del ritorno (che avviene a velocità di taglio nulla). Quest’ultima appare traslata verso sinistra rispetto alla prima poiché la struttura molecolare del fluido raggiunge le condizioni iniziali con una consistenza diversa, il processo è quindi temporaneamente irreversibile.
Questo non accade con i fluidi newtoniani poiché al cessare dell’azione di taglio ritornano allo stato iniziale seguendo a ritroso la curva di trasformazione nel piano del reogramma e operando quindi una trasformazione reversibile.
FLUIDO NEWTONIANI O TISSOTROPICO
Un fluido è definito newtoniano quando la sua viscosità non varia con la velocità con cui viene misurata.
Essi si distinguono da quelli non newtoniani tempo-indipendenti in quanto non hanno un comportamento perfettamente reversibile nel tempo, cioè non riprendono le caratteristiche iniziali attraverso una sequenza inversa. I fluidi tissotropici presentano una curva reologica che si distingue in ramo ascendente e ramo discendente. Racchiudono una caratteristica area di istèresi (v. avanti) che rappresenta l’energia spesa per la dissociazione dei legami per unità di tempo e di volume.
TISSOTROPICO
Il comportamento di un fluido tissotropico è analogo a quello di un fluido pseudoplastico (la curva ascendente è simile). Infatti il suo scorrimento è facilitato da un’agitazione preliminare e la viscosità diminuisce al crescere del tempo di applicazione della forza. Se quest’ultima è mantenuta costante, comunque il fluido diminuirà la sua viscosità.
Lasciato a riposo, il fluido può riacquistare le proprietà primitive, ma passando dallo stato fluido a quello viscoso non segue lo stesso percorso. La viscosità apparente non dipende unicamente da dv/dt, ma anche dalla durata della sollecitazione applicata e quindi dalla particolare storia reologica del campione in esame.
FLUIDI NON NEWTONIANI
Si definisce non newtoniano un fluido la cui viscosità varia a seconda della velocità con cui la si misura.
Alla classe dei fluidi non newtoniani appartengono quei fluidi la cui viscosità dipende oltre che dalla temperature e dalla pressione, anche dal valore del gradiente di velocità di deformazione (fluidi non newtoniani tempo-indipendenti), o dal gradiente di velocità e dal tempo di applicazione dello stesso (fluidi non newtoniani tempo-dipendenti).
I fluidi non newtoniani si dividono in due classi:
- fluidi tixotropici: la viscosità diminuisce all’aumentare della velocità a cui la si misura
- fluidi reopex: la viscosità aumenta all’aumentare della velocità a cui la si misura .
La maggior parte dei fluidi non newtoniani hanno un comportamento tixotropico.
Dal punto di vista pratico si ricerca la tixotropicità di una sostanza quando questa deve essere applicata con processi di verniciatura o serigrafia. Esempio: la vernice è fluida finché viene applicata con il pennello o a spruzzo ma diventa molto più’ viscosa e “non cola” quando la sollecitazione cessa.
REOPESSIA
Se un fluido è sottoposto ad un determinato Gradiente di Velocità, costante, e la sua viscosità aumenta col trascorrere del tempo, esso viene classificato come Reopettico. Questo è il comportamento opposto a quello tixotropico, dove la viscosità diminuisce mantenendo il fluido in moto a gradiente di velocità costante.
Guardando un diagramma di un fluido Reopettico si può notare che la curva di “ritorno” si trova sopra alla curva di “andata”. Questo fenomeno si chiama tissotropia negativa o antitissotropia.
Ad esempio, per i mulini a sfere o a ciotoli, in cui lo sforzo di taglio applicato alle dispersioni è relativamente basso, il processo di dispersione inizia come un’antitissotropia. Quando la deflocculazione raggiunge un determinato grado di dispersione la curva reologica passa da uno stato di tissotropia negativa ad un comportamento pseudoplastico fino a quando acquisisce un comportamento tissotropico normale.
La reopessia è un comportamento piuttosto raro.
REOLOGIA
La reologia è la scienza della deformazione e del flusso di materia. Studia infatti le reazioni che si determinano nei corpi sotto l’azione di forze deformanti e definisce, quindi, la relazione fra lo sforzo interno del materiale e la cinematica della deformazione. Tiene conto del modo di applicazione delle forze, dello stato della materia e dei trattamenti meccanici, fisici e chimici che questa ha subito.
PROPRIETA’ REOLOGICHE
Ai fini pratici questa scienza ci consente di prevedere il comportamento di un materiale in determinate condizioni di utilizzo. Qualsiasi prodotto, compresi quelli dei quali facciamo quotidianamente uso, deve presentare caratteristiche adeguate a tutte le fasi del processo produttivo. Deve avere una durata nel tempo accettabile per l’uso al quale è destinato.
Si pensi al calcestruzzo fresco che deve essere lavorabile entro un determinato intervallo di tempo e garantire adeguate prestazioni meccaniche in fase di indurimento. Un bitume per pavimentazione stradale che deve poter essere facilmente miscelato al materiale litoide per ottenere una mescola adatta alla stesa, ma allo stesso tempo deve poter resistere alle sollecitazioni del traffico stradale senza deteriorarsi.
NELL’INDUSTRIA
Nell’industria alimentare, cosmetica e farmaceutica, si presentano problemi reologici non trascurabili. Per esempio una crema o una pomata devono poter essere facilmente spalmabili ma non troppo liquide da colare. Come si evince da questi esempi il campo di applicazione degli studi reologici è vastissimo.
Ogni materiale soggetto a sforzi di varia natura risponde ad un comportamento diverso che, se non è pienamente conosciuto, può portare a fenomeni inaspettati durante i processi di lavorazione ed utilizzo.
DIFFERENZE TRA TISSOTROPIA E REOPESSIA
Il fenomeno della tissotropia si riscontra in sospensioni colloidali caratterizzate dalla presenza di particelle non uniformi e asimmetriche (discoidali, a bastoncino, ecc.). La possibilità di oscillare tra stati caratterizzati da diversa fluidità viene attribuita alla presenza di molecole. Queste sono organizzate a formare una rete tridimensionale di moderata stabilità, le cui “maglie” trattengono altre molecole relativamente libere di scorrere.
Ad esempio nel grasso, che è una miscela di sostanze saponose e olio lubrificante, le prime formano un network entro il quale le molecole dell’olio minerale possono muoversi.
Quando si applica una forza di taglio, il reticolo che costituisce la struttura del sistema viene distrutto e le particelle si allineano nella direzione del flusso. Ciò determina il passaggio verso la fase sol, caratterizzata da una minore viscosità. Cessata l’azione delle forze di taglio, la struttura reticolata prende lentamente a ricostituirsi come effetto dei moti browniani delle particelle e il sistema ritorna nella fase gel più viscosa.
REOPESSIA
Il fenomeno inverso alla tissotropia prende il nome di reopessia. Le sostanze reopessiche tendono a diventare meno fluide (ovvero più viscose) se sottoposte a forze di taglio. La reopessia è alla base del curioso (e terribile!) comportamento delle sabbie mobili.
Queste sono costituite da una miscela di acqua e sabbia, tanto satura di acqua da assumere caratteristiche proprie di un fluido non newtoniano. Generalmente si localizzano in cavità situate alle bocche di grandi fiumi i cui letti d’acqua sono parzialmente riempiti di sabbia e gravitano sopra uno strato di argilla che ne impedisce il drenaggio.
Le sabbie mobili sono meno “esotiche” di quanto non crediamo. Le potete incontrare perfino in una località turistica ed affollata come il famosissimo Mont Saint- Michel in Normandia! Il malcapitato che vi finisce dentro, istintivamente si agita per liberarsi. Purtroppo le forze di taglio associate a questa azione provocano un aumento di viscosità delle masse sabbiose appena smosse.
Queste generano un effetto di risucchio che lo fa affondare sempre più velocemente. Il segreto sta dunque nel mantenere il sangue freddo e muoversi lentamente, fino a raggiungere un livello di galleggiamento sicuro. Ma è certamente meglio evitare l’esperienza!
TRASFORMAZIONE ISOTERMA
Come definizione possiamo affermare che con il termine di isoterma si intende una trasformazione che avviene a temperatura costante. Il valore costante di temperatura viene mantenuto mediante l’utilizzo di opportune apparecchiature chiamate termostati. Una delle trasformazioni isoterme più studiate è quella relativa ai gas perfetti descritta dalla legge di Boyle.
In termini matematici la legge di Boyle può essere descritta dalla seguente equazione matematica:
P x V= cost
Ovvero il prodotto della pressione per il volume di un gas mantenuto a temperatura costante è una costante.
Per ciascuna temperatura tale equazione è rappresentata nel piano P-V da una iperbole equilatera detta isoterma:
Diminuendo la temperatura, l’isoterma si sposta verso l’interno:
