Introduzione alla reologia e alla reometria. Roberto Mei - 25/10/2016

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1 Introduzione alla reologia e alla reometria Roberto Mei - 25/10/2016

2 PRIMA PARTE

3 Reologia e reometria La reologia (dal greco antico reo, "scorrere" e logìa, "teoria") è la scienza che studia le deformazioni della materia (solidi e fluidi) quando questa è sottoposta a sforzi. Con reometria si indicano le tecniche messe in atto per misurare le proprietà reologiche di un materiale. Settori in cui la reologia riveste un ruolo molto importante: Industria alimentare; Biologia; Edilizia; Prodotti per l igiene e la cura personale; Trattamento fanghi.

4 Solidi ideali I solidi ideali si comportano in maniera totalmente elastica e reagiscono ad uno sforzo di taglio con una deformazione reversibile: Solido A riposo y ΔL τ Solido deformato τ = G dl dy τ sforzo di taglio [Pa] G modulo di elasticità [Pa] dl deformazione [ad] dy G rappresenta la resistenza alla deformazione: maggiore è il suo valore e minore sarà la deformazione del solido (a parità di sforzo di taglio) G dipende principalmente dalla natura chimico-fisica del materiale (per gomma ~0.01 GPa; per l acciaio ~200 GPa). La deformazione è reversibile: rimuovendo lo sforzo, si elimina la deformazione.

5 Fluidi ideali I fluidi ideali si comportano in maniera totalmente viscosa e reagiscono ad uno sforzo di taglio con una deformazione irreversibile (scorrono): τ τ = μ dv dy τ sforzo di taglio [Pa] μ viscosità [Pa s] dv = γ ሶ vel. di deformazione 1 dy s y Fluido in moto μ rappresenta la resistenza allo scorrimento: maggiore è il suo valore e minore sarà la scorrimento del fluido (a parità di sforzo di taglio) La deformazione è irreversibile: l energia trasmessa attraverso lo sforzo di taglio viene spesa dal fluido per scorrere (e in parte dissipata sotto forma di calore). Rimuovendo lo sforzo non si recupera energia.

6 Viscosità dinamica e viscosità cinematica Viscosità dinamica μ L unita di misura è il Pa s: 1 Pa s = 1000 mpa s 1 mpa s = 1 cp Fluido Viscosità [20 C] [mpa s = cp] Petrolio 0.65 Acqua 1 Mercurio 1.5 Sangue (a 37 C) 4 25 Olio d oliva ~10 2 Miele ~10 4 Per gas ~10 1 μpa s Viscosità cinematica ν ν = μ ρ m 2 s o [cst] Fluido Viscosità [20 C] [μ m2 s Acqua 1

7 Da cosa dipende la viscosità? Dalla natura chimico-fisica del fluido; dalla pressione: all aumentare della pressione aumenta la resistenza allo scorrimento. Poiché i liquidi sono molto meno comprimibili dei gas, la viscosità dei liquidi è praticamente indipendente dalla pressione; dalla temperatura: la viscosità varia notevolmente al variare della temperatura. Generalmente: per i liquidi, all aumentare della temperatura la viscosità decresce; per i gas avviene l inverso; dal gradiente di velocità; dal tempo: per alcune sostanze la viscosità dipende dalla «storia reologica».

8 Viscosità indipendente dal tempo ma dipendente dal gradiente di velocità : Fluidi Newtoniani τ = μ γሶ La dipendenza tra sforzo di taglio e gradiente di velocità è lineare. La viscosità è costante al variare del gradiente di velocità. Esempi: acqua, aria, latte, miele, plasma sanguigno, ecc

9 Viscosità indipendente dal tempo ma dipendente dal gradiente di velocità: Fluidi non-newtoniani τ = τ 0 + μ γሶ n La dipendenza tra sforzo di taglio e gradiente di velocità è non-lineare. La viscosità varia al variare del gradiente di velocità. τ 0 n Tipologia = 0 = 1 Fluido Newtoniano = 0 > 1 Fluido dilatante = 0 0 < n < 1 Fluido pseudoplastico > 0 = 1 Fluido plastico alla Bingham

10 Fluidi non-newtoniani pseudoplastici τ = μ γሶ n con 0 < n < 1 La viscosità (apparente) diminuisce al crescere della velocità di deformazione (essendo n < 1 ), per cui la resistenza allo scorrimento è maggiore per piccoli γ. ሶ La causa è da ricercare nella struttura microscopica del materiale: prodotti che sembrano omogenei sono in realtà costituiti da particelle di forma irregolare, soluzioni di polimeri a molecole molto lunghe, gocce di un liquido disperse in un altro liquido, ecc A riposo In moto Esempi: ketchup, vernice acrilica, sangue, ecc

11 Fluidi non-newtoniani dilatanti τ = μ γሶ n con n > 1 La viscosità (apparente) aumenta al crescere della velocità di deformazione (essendo n > 1), per cui la resistenza allo scorrimento è maggiore per γሶ elevati. Si ha questo comportamento per sospensioni altamente concentrate di materiale solido in un liquido. A riposo dominano le forze intra particellari (Van der Waals). All aumentare dello sforzo applicato le particelle si aggregano. A riposo In moto Esempi: amido di mais in acqua, sabbie mobili, ecc

12 Fluidi non-newtoniani plastici alla Bingham τ = τ 0 + μ P γሶ Il fluido non scorre finché lo sforzo di taglio non raggiunge un valore di soglia pari a τ 0. Dopodiché il fluido si comporta come un fluido Newtoniano. Si tratta in genere di dispersioni che a riposo costruiscono una fitta rete di forze inter particellari e inter molecolari che forniscono al materiale una viscosità infinita. Quando lo sforzo di taglio supera lo sforzo di soglia la rete collassa e il fluido può scorrere. Esempi: maionese, pasta dentifricia, fanghi di fogna, ecc

13 Viscosità dipendente dal tempo: fluidi tissotropici Sono fluidi che sottoposti a sforzi di taglio vedono diminuire la viscosità al passare del tempo. Se viene applicato uno shear-rate costante occorre un tempo «finito» per raggiungere la viscosità di equilibrio (che risulta essere più bassa di quella iniziale). μ τ I μ Applicazione shear-rate costante Rimozione shear-rate II I II Esempi: yogurt, gomma xanthan, ecc γሶ γሶ t

14 Viscosità dipendente dal tempo: fluidi reopectici Comportamento inverso rispetto ai fluidi tissotropici, per questo sono anche chiamati anti-tissotropici: la viscosità aumenta al trascorrere del tempo; la viscosità di equilibrio raggiunta se viene applicato uno shear-rate costante risulta essere più alta di quella iniziale. μ τ μ Applicazione shear-rate costante Rimozione shear-rate II I II I Esempi: inchiostro per stampanti, pasta di gesso, ecc γሶ γሶ t

15 Fluidi viscoelastici Sono sostanze con caratteristiche sia viscose (tipico dei fluidi) che elastiche (tipico dei solidi): assumono un comportamento intermedio. La descrizione matematica di questa tipologia di fluidi è abbastanza complessa. Un modello semplice molto semplice (modello di Maxwell) descrive i fluidi viscoelastici sommando i due contributi: γ ሶ = τሶ G + τ μ Esempi: panna montata, Silly Putty.

16 Viscosimetri Sono adatti a misure la viscosità dei fluidi a una ben precisa condizione di flusso. Viscosimetro a sfera cadente THERMO SCIENTIFIC Viscosimetro capillare (1, 2, 3 e 7: Ubbelohde; 4: Ostwald; 5 e 6: Cannon-Fenske) LAUDA

17 Reometri Sono adatti a misurare viscosità che variano al variare delle condizioni del flusso.

18 Reometri Piatto piano Piatto conico Cilindro concentrico tipo Couette (cilindro esterno ruotante) Cilindro concentrico tipo Searle (cilindro interno ruotante)

19 SECONDA PARTE

20 Che cosa è il Dottorato di Ricerca Il Dottorato di Ricerca [DdR] (equivalente al Doctor of Philosophy, Ph.D.) è un titolo accademico che rappresenta il più alto grado di istruzione superiore (universitaria) previsto in Italia*. Laurea triennale Laurea magistrale Dottorato di ricerca Il dottorando è uno studente e gode dei medesimi diritti (posti alloggio, contributi allo studio, ecc )* *Fonte informazioni: ADI Associazione dottorandi e dottori di ricerca italiani

21 A cosa serve il titolo e come si svolge il DdR Il titolo di Dottore di Ricerca certifica che il detentore del medesimo ha le conoscenze e le abilità per effettuare ricerca in un determinato campo*. La durata del DdR è tipicamente di tre anni. Durante questo periodo il dottorando: Studia e approfondisce il proprio argomento di ricerca consultando la letteratura e la bibliografia esistente; Realizza prove sperimentali (nei laboratori e/o simulate al computer); Frequenta corsi, seminari e scuole di dottorato; Pubblica articoli in riviste scientifiche; Partecipa a convegni e conferenze presentando il proprio lavoro. Al termine dei tre anni si discute una tesi dove viene presentato tutto il lavoro svolto. *Fonte informazioni: ADI Associazione dottorandi e dottori di ricerca italiani

22 Come si accede al DdR In Italia si accede tramite concorso bandito annualmente e indirizzato ai laureati in possesso di laurea specialistica/magistrale/quinquiennale (o laureandi in procinto di conseguire il titolo);* L ammissione è a numero chiuso;* Le prove concorsuali consistono in una prova scritta e in una prova orale di fronte ad una commissione; al punteggio finale contribuisce anche la valutazione del curriculum del candidato (età, voto di laurea, pubblicazioni, ecc ); I vincitori, se soddisfano i requisiti di reddito, hanno diritto ad una Borsa di Studio (regionale o stanziata da altri enti pubblici/privati) di circa netti mensili. *Fonte informazioni: ADI Associazione dottorandi e dottori di ricerca italiani

23 Sbocchi lavorativi per l ingegnere chimico Lavoratore dipendente Produzione energia, raffinerie, industrie metallurgiche, industrie alimentari, aziende di sviluppo di hardware/software di controllo, ecc Imprenditore o professionista Apertura di una propria impresa o di una propria attività come libero professionista (consulente) DdR Ricerca Settore pubblico Settore privato Università o altri enti pubblici Reparti R&D

24 Cosa vuol dire fare ricerca scientifica La ricerca scientifica ha l obiettivo di fornire informazioni e teorie per spiegare proprietà e fenomeni in qualunque ambito scientifico. È basata sul metodo scientifico. Ricerca fondamentale (o di base): acquisire nuove conoscenze senza uno scopo pratico immediato, anche se i risultati potranno avere ricadute applicative importanti nel futuro. Ricerca industriale (o applicata): intrapresa per trovare soluzioni concrete e specifiche. Sviluppo sperimentale: sfrutta le conoscenze acquisite con la ricerca di base e quella applicata per realizzare progetti pilota e/o prototipi per immettere sul mercato nuovi prodotti e servizi.

25 Progetto CONSENS: presentazione OBIETTIVO: Sviluppo di tecniche innovative di monitoraggio e di controllo di un processo di produzione continua di un detersivo water-free (collaborazione con.) DETERSIVO CLASSICO ACQUA Enzimi Disinfettanti Coloranti Tensioattivi Strutturante Profumi Anticorrosivi Altro τ τ Fluidi Newtoniani Fluidi plastici dv dx = γሶ η η Fluidi Newtoniani dv dx = γሶ Fluidi dilatanti DETERSIVO WATER-FREE? τ 0 Fluidi pseudoplastici Fluidi dilatanti Fluidi plastici Fluidi pseudoplastici dv dx = γሶ dv dx = γሶ

26 Progetto CONSENS: impianto di produzione Patent N. US A1 (Corominas et al.) Misure di viscosità in-line Collaborazione con η dv dx = γሶ SENSORI INNOVATIVI Misure di viscosità off-line

27 Progetto CONSENS: partners coinvolti Data di inizio: 1 gennaio Durata: 36 mesi Budget: 6 milioni di Web-site:

28 Horizon 2020* Orizzonte 2020 è il più grande programma per la ricerca e l'innovazione mai realizzato dall'unione Europea (UE). Condurrà a innovazioni, scoperte e risultati rivoluzionari trasferendo grandi idee dal laboratorio al mercato. Sono disponibili quasi 80 miliardi di euro di finanziamenti per un periodo di 7 anni ( ), oltre agli investimenti nazionali pubblici e privati che questa somma attirerà. L'UE ha identificato sette sfide prioritarie: salute, cambiamento demografico e benessere; sicurezza alimentare, agricoltura e silvicoltura sostenibile, ricerca marina e marittima e delle acque interne e bioeconomia; energia sicura, pulita ed efficiente; trasporto intelligente, verde e integrato; azione per il clima, ambiente, efficienza delle risorse e materie prime; l'europa in un mondo che cambia - società inclusive, innovative e riflessive; società sicure - proteggere la libertà e la sicurezza dell'europa e dei suoi cittadini. *Fonte informazioni:

29 Grazie per l attenzione! Per dubbi, domande e chiarimenti: r.mei@dimcm.unica.it