studiare le deformazioni e i flussi dei materiali misurare e confrontare grandezze macroscopiche (dinamiche e cinematiche) forze, coppie, pressioni,

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1 Reologia vuol dire studiare le deformazioni e i flussi dei materiali misurare e confrontare grandezze macroscopiche (dinamiche e cinematiche) forze, coppie, pressioni, spostamenti, velocità, portate utilizzare grandezze fisiche locali non nuove (dinamiche e cinematiche) sforzi, deformazioni, velocità di deformazione determinare proprietà non nuove (viscosità, moduli elastici ) e altre nuove (coefficienti degli sforzi normali, viscosità estensionale, moduli viscoelastici,..) misurare valori estremamente diversi misurarsi con proprietà - funzioni materiali (con comportamenti non lineari)

2 viscosità Valori di viscosità (mpa s) aria acqua olio lubrificante glicerina sciroppo bitume viscosità di liquidi Newtoniani: proprietà dipendente da T (e P) (Pa.s) (Pa) (s -1 ) 1 Pa.s = 10 Poise

3 viscosità: da proprietà a funzione materiale microemulsione O/W: da sistema Newtoniano a sistema non Newtoniano per aggiunta di Carbopol (acido poliacrilico reticolato) microemulsione O/W Carbopol

4 viscosità: da proprietà a funzione materiale microemulsione O/W: da sistema Newtoniano a sistema non Newtoniano per aggiunta di Carbopol (acido poliacrilico reticolato) 1 2% microemulsione

5 viscosità: da proprietà a funzione materiale greggio ceroso: da sistema Newtoniano a sistema non Newtoniano per diminuzione della temperatura al di sotto del pour point 1.E+08 1.E C 5 C 1.E C ( ) gel (T <30 C) liquido Newtoniano (T>30 C) [Pa s] 1.E+05 1.E+04 1.E+03 1.E+02 1.E+01 1.E+00 1.E C 25 C 30 C 35 C 20 C 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 [Pa]

6 Reologia vuol dire fare i conti con comportamenti non lineari, caratterizzati non da singoli valori ma da funzioni (curve) viscosità (valore) viscosità (funzione) e definiti in maniera completa da più funzioni (viscosità di taglio, coefficienti degli sforzi normali, ) fare i conti con sistemi il cui comportamento può essere molto differente e collocarsi in un qualunque punto intermedio della scala (tra viscoso ideale ed elastico ideale) solido elastico ideale De liquido viscoso ideale De 0 De = l / L numero di Deborah

7 I concetti di solido e di liquido e il numero di Deborah solido elastico (lineare) lo sforzo applicato produce una deformazione che è linearmente proporzionale dal valore istantaneo dello sforzo tramite il modulo G la deformazione è recuperata completamente e istantaneamente quando è rimosso lo sforzo 1 1 liquido viscoso (lineare o Newtoniano) 2 t 0 t 0 lo sforzo applicato produce una velocità di deformazione che dipende in maniera linearmente proporzionale dal valore istantaneo dello sforzo tramite la viscosità la deformazione è irreversibile e non è recuperata quando lo sforzo è rimosso t t

8 I concetti di solido e di liquido e il numero di Deborah solido elastico (lineare) lo sforzo applicato produce una deformazione che è linearmente proporzionale dal valore istantaneo dello sforzo tramite il modulo G la deformazione è recuperata completamente e istantaneamente quando è rimosso lo sforzo 1 1 liquido viscoso (lineare o Newtoniano) 2 t 0 t 0 lo sforzo applicato produce una velocità di deformazione che dipende in maniera linearmente proporzionale dal valore istantaneo dello sforzo tramite la viscosità la deformazione è irreversibile e non è recuperata quando lo sforzo è rimosso t 0 t

9 elasticità sistema solido viscosità sistema liquido? I solidi reali possono esibire una componente viscosa, subendo deformazioni il cui recupero non è né completo né istantaneo. In molti liquidi reali, quando lo sforzo viene rimosso, si ha (in tempi osservabili) un parziale recupero delle deformazioni: si manifesta quindi una componente elastica. Un sistema può comportarsi da solido o da liquido, e ciò dipende dal tempo caratteristico l del materiale (da secondi a 10 n secondi) e dal tempo L che caratterizza il processo di deformazione o di flusso, in altri termini dal numero di Deborah, De = l/l. Quando il processo di deformazione è molto veloce (L piccolo), De è molto grande: il materiale può comportarsi come un solido elastico. Quando il processo di deformazione è molto lento (L grande), De è molto piccolo: il materiale può comportarsi come un liquido viscoso.

10 comportamento liquido viscoso scorrimento d acqua in un canale esame del comportamento della pece su scala pluridecennale comportamento solido elastico impatto di una goccia d acqua su una superficie comportamento della pece all urto o alla percussione De 0 materiale liquido viscoso De materiale solido elastico flusso di un fluido viscoelastico attraverso una brusca contrazione in condizioni di moto differenti (velocità crescenti da sinistra a destra) crescente De

11 il comportamento viscoelastico G G in 0 t 0 t curve di rilassamento di sistemi viscoelastici comprese tra due estremi caratteristici di comportamenti semplici solido elastico liquido viscoso l l 0 curve di rilassamento di sistemi viscoelastici differenti sono caratterizzate da l differenti

12 il comportamento viscoelastico lineare e non log G(t,g) (dine/cm 2 ) andamenti del modulo di rilassamento per deformazioni applicate crescenti G (t) G (,t) il comportamento viscoelastico passa da lineare a non lineare t / l* blend micellare di stirene-butadiene in matrice polimerica (poliisoprene)

13 i ruoli della reologia integrativo: colmare lo spazio culturale non coperto dalle discipline storiche meccanica del continuo meccanica dei solidi fluidodinamica reologia innovativo: definire la relazione tra comportamento macroscopico e caratteristiche/processi strutturali dei materiali

14 Di quali materiali si occupa la reologia? comportamenti non lineari caratteristiche degli elementi costitutivi particelle solide particelle liquide catene polimeriche caratteristiche strutturali in stato di quiete e in flusso strutture ordinate forme associate strutture aggregate (discrete, continue) sospensioni emulsioni soluzioni polimeriche gel polimerici reticoli o domini cristallini strutture frattali reticoli 3D percolativi strutture a celle strutture bicontinue strutture reticolari polimeriche

15 Di quali materiali si occupa la reologia? Classi di materiali (dal Larson, The structure and Rheology of Complex Fluids) Polymers Glassy liquids Polymer gels Particulate suspensions Particulate gels Electro- and magnetoresponsive suspensions Foams, emulsions and blends Liquid crystals Liquid crystalline polymers Surfactant solutions Block copolymers gel polimerico

16 Strutture tipiche di sistemi polimerici soluzioni associative gel chimici in sistemi concentrati strutture reticolari differenti (vincoli topologici, fisici, chimici) fusi, soluzioni ordinarie gel fisici Strutture tipiche di sospensioni particelle disperse particelle aggregate

17 Esempi di strutture di sistemi polimerici gel di agarosio lattice coagulato gel di actina schiuma di polietilene

18 Comportamenti non lineari differenti condizioni di campo (sforzi, deformazioni) differenti conformazioni e/o distribuzioni spaziali degli elementi costitutivi differenti livelli e forme di strutturazione (stati di ordinamento, associazione o aggregazione) differenti valori delle funzioni materiali di risposta (viscosità,..)

19 Processi strutturali in sospensioni indotti dal flusso rottura degli aggregati promossa dal flusso ordinamento spaziale delle particelle promosso dal flusso

20 Processi strutturali in sospensioni indotti dal flusso rottura degli aggregati promossa dal flusso orientazione delle particelle promossa dal flusso

21 Obiettivi e applicazioni della reologia relazioni proprietà - struttura comportamento macroscopico prove sperimentali in condizioni di equilibrio e/o di flusso informazioni strutturali (altre) modelli reologici (molecolari o micro-) controllo e ottimizzazione delle formulazioni progettazione di materiali

22 sistemi scleroglucano/acqua scleroglucano: polisaccaride non ionico di origine fungina unità glucopiranosidiche possibilità di formazione di gel fisici legata alla conformazione e alle modalità di associazione tra catene (segmenti di catene) impiego come matrice di sistema dispersi (sospensioni, fanghi di perforazione, emulsioni cosmetiche)

23 sistemi scleroglucano/acqua G', G'' (Pa) ,1 0,01 G' 1.2 % G'' 1.2 % G' 0.8 % G'' 0.8 % G' 0.4 % G'' 0.4 % G' 0.2 % G'' 0.2 % 0,01 0, w (rad/s) curve di flusso viscosità - sforzo transizione a plastico transizione sol/gel spettri meccanici moduli - frequenza

24 dispersioni di nanoparticelle (PTFE) G', G'' [Pa] wt% 63.0 wt% wt% G [Pa.s] wt% wt% [Pa] 100 G G 10 G wt% 54.3 wt% G w [rad/s] curve di flusso viscosità - sforzo transizione a plastico transizione sol/gel spettri meccanici moduli - frequenza

25 Obiettivi e applicazioni della reologia relazioni proprietà - struttura comportamento macroscopico Indagini sui processi strutturali indotti da: reazioni chimiche (reticolazioni, degradazioni enzimatiche..) variazioni delle condizioni ambientali termodinamiche (T, ph, fase solvente, ) campo elettrico campo magnetico condizioni patologiche in fluidi biologici reologia come spettroscopia (e diagnostica) da combinare e confrontare con altre tecniche (ottiche, light scattering, NMRI, SANS, SALS, DSC, )

26 effetti strutturali indotti da variazioni di ph lattici stirene-butadiene carbossilati : aumento del ph aumento del volume effettivo della fase dispersa ph=9.7 all aumentare del ph aumenta lo spessore dello strato di carbossili legati ph=5.6

27 effetti strutturali indotti da variazioni di ph lattici stirene-butadiene carbossilati : aumento dello spessore del hairy layer per aumento del ph o per aumento delle catene carbossiliche ph maggior dissociazione dei gruppi ionici del layer a ph maggiori carbossili motivi sterici (aumento delle catene polimeriche sulla superficie)

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33 condizioni necessarie per l analisi di dati macroscopici e l applicazione di tecniche reometriche classiche la possibilità di passare da grandezze macroscopiche a grandezze locali e viceversa legata alla possibilità di trattare il sistema reale come un mezzo continuo avente una distribuzione continua e regolare al suo interno di deformazioni e velocità di deformazione limiti e problemi derivanti da: dimensioni minime del campo di moto comparabili con quelle degli elementi strutturali del sistema (particelle, gocce, strutture di associazione/aggregazione) condizioni al contorno in flussi interni (wall slippage) ruolo rilevante delle interazioni con le pareti e delle forze superficiali per dimensioni minime del sistema (strati sottili, superfici interfacciali)

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38 microreologia vs macroreologia

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