Viscoelasticidad y Estructura Textura y Reología por Dra. Mª Jesús Hernández Lucas©

Recordad que en realidad, las sustancias son viscoelásticas. Por tanto, además de la viscosidad, que nos informa del comportamiento fluido, viscoso, nos interesan otros parámetros que también tengan en cuenta esa parte de comportamiento elástico que tendrán nuestros fluidos obtenidos a partir de los hidrocoloides y que nos informarán sobre su estructura interna¹.

Existen diferentes tipos de ensayos, que requieren equipos más sofisticados y bastante caros. Quizá no tengáis acceso a ellos (yo rezo para tener uno en mi laboratorio, pero ¡son 10 kilos!....) pero sí podréis tener acceso a los resultados obtenidos por otros y que aparecen en los libros o en los artículos, así que comentaré algunas cosas para que podáis saber de qué están hablando.

♦ Ensayos oscilatorios: se aplica un esfuerzo (o deformación) oscilatoria y se mide la deformación (o esfuerzo) resultante, que resulta ser también oscilatoria
♦ Ensayos de fluencia (“creep”): se aplica un esfuerzo constante y se registra la deformación relativa resultante a lo largo del tiempo. También puede registrarse la recuperación del fluido tras parar el esfuerzo al llegar a la deformación máxima (“recovery”)
♦ Ensayos de relajación: se aplica una deformación constante y se registra el esfuerzo resultante a lo largo del tiempo
♦ Transitorios (“start-up”): se aplica una velocidad de cizalla constante y se registra el esfuerzo resultante a lo largo del tiempo. Como consecuencia de la viscoelasticidad aparece un máximo al principio (“overshoot”)

Los primeros son los más “populares” en la actualidad. Se suelen llamar “ensayos dinámicos” porque ofrecen valores de la viscosidad diferentes de los ensayos de cizallas a los que se suele referir como viscosidad en estado estacionario. Ambas pueden compararse y establecerse relaciones interesantes. Comentaré el significado de las magnitudes implicadas y algunas cuestiones prácticas.

Ensayos oscilatorios
Los reómetros con los que se realizan estas medidas también pueden funcionar como viscosímetros rotacionales; o sea que fundamentalmente el sistema de medida en cuanto a esfuerzos de cizalla y velocidades de cizalla es el mismo, pero ahora con sofisticados equipos ópticos y magnéticos de gran sensibilidad que también permiten medir deformaciones relativas, γ. En el caso de medidas oscilatorias, el plato o cono (también los cilindros, pero es menos habitual porque tienen mucha inercia) no giran continuamente, sino que oscilan, se mueven a un lado o a otro, “van y vuelven”.La rapidez de este movimiento es lo que se llama frecuencia de la oscilación² (ν en s^-1, o frecuencia angular ω = 2πν, en rad/s). El desplazamiento angular del plato, θ, varía hasta un valor máximo que es un parámetro controlable en el experimento (amplitud). Éste está relacionado con la deformación relativa, que por tanto realiza un movimiento de tipo sinusoidal con el tiempo. La respuesta del fluido da lugar a un momento de torsión, y por tanto un esfuerzo, también oscilante (ver siguiente figura).En el caso de un sólido, la deformación y el esfuerzo varían de la misma forma, de manera que alcanzan los valores máximos al mismo tiempo, y la deformación es cero cuando pasa por la posición de equilibrio. Sin embargo, en el caso de un líquido newtoniano, la variación temporal de estas dos variables está desplazada. Cuando el esfuerzo alcanza el valor máximo, la deformación pasa por el valor cero, es decir, la posición de equilibrio. Los comportamientos intermedios, viscoelásticos, dan lugar a desplazamientos intermedios. Este “desplazamiento” en la oscilación es el desfase, δ, que tiene dimensiones de ángulo y se mide en grados o radianes. Para el sólido δ= 0 y para el líquido δ= 90º, o sea, δ= π/2 rad. Por tanto, para un fluido viscoelástico su comportamiento se acercará más al del líquido o al del sólido según el valor del desfase se acerque a 90 ó 0 grados.A partir de este valor del ángulo de desfase y los valores máximos de velocidad de cizalla y esfuerzo de cizalla, se calculan los módulos de almacenamiento, G’, y de pérdida, G’’ y las llamadas viscosidades dinámicas, que nos informan del comportamiento elástico y viscoso, ya que en los casos límite de sólido o líquido coinciden con el módulo elástico o la viscosidad (ver tabla siguiente).Normalmente se miden estos módulos y se va variando la rapidez de oscilación, representándolos en función de la frecuencia. La figura siguiente ilustra esto, de manera que un comportamiento será más "líquido" si el módulo de pérdida es mayor que el de almacenamiento y, además, crecerá con la frecuencia; sin embargo, será más "sólido" si el módulo de almacenamiento es mayor que el de pérdida. Además, el módulo de almacenamiento suele presentar una meseta (comportamiento más o menos constante) en una determinada zona de frecuencias.Los experimentos se realizan en la zona viscoelástica lineal, que debe determinarse previamente (G' y G'' no varían con la frecuencia a una deformación constante). Esto suele suceder para deformaciones muy pequeñas³, con lo cual, se supone que el experimento no es destructivo, como podía ser la cizalla de agitación continua, manteniéndose intacta la estructura interna de la sustancia. Así pues, ésta es una buena experiencia para obtener información sobre esa estructura interna, que puede complementar la información obtenida sobre el flujo.

En la figura siguiente vemos dos ejemplos típicos. La primera figura corresponde a una sustancia con moléculas entrecruzadas ("entanglements") y la segunda indica la existencia de una red tridimensional, lo que llamaríamos un "gel"⁴.Os voy a comentar un caso interesante con un ejemplo real, pero hay millones más.

Con la intención de ver qué ocurría entre la xantana y la caseína (que aparecen juntos en algunos preparados lácticos), mezclamos xantana al 1% p/p con diferentes concentraciones de caseína. La viscosidad final disminuía al aumentar la cantidad de caseína (con respecto a la inicial de la xantana), pero no sabíamos por qué. Si miráis la gráfica siguiente, ahora ya podéis contestarme. La gráfica azul, con un 2% de caseína era casi idéntica a la de la xantana, pero la roja, con un 5% de caseína, tiene una forma completamente diferente.Después de ver las gráficas anteriores, ya podríais decirme que en la primera se mantiene la estructura de gel de la xantana. Sin embargo, en la segunda, la mayor cantidad de caseína destruye la estructura interna que formaba la xantana y tenemos un comportamiento más "líquido".

Otro ejemplo de aplicación interesante son los procesos de curado. Si se mantiene la gelatina a 10ºC sometida a estas oscilaciones a lo largo de 24 horas, evidentemente, era líquida cuando la colocamos y sólida al retirarla. Las gráficas de G' y G'' irán variando con el tiempo, de forma que G' irá aumentando hasta superar a G''. Se suele considerar el punto de cruce de ambas como el punto de gelificación.

Ver también: I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | XIII | XIV | XV