Reología interfacial
Una interfaz es la zona de contacto entre dos fases inmiscibles (p. ej., la interfaz agua-aceite). El sistema de reología interfacial (IRS) permite medir las propiedades reológicas de una película interfacial entre dos líquidos o entre un líquido y un gas, como el aire. Permite estudiar el efecto de distintos tensioactivos sobre la estabilidad de la película (p. ej., en la formulación de emulsiones o espumas, o en la estabilidad de las gotas) y realizar mediciones reológicas incluso en estructuras interfaciales muy débiles.
Antecedentes
En combinación con un reómetro MCR, el IRS permite realizar las denominadas mediciones reológicas bidimensionales de películas interfaciales en interfaces líquido/aire y líquido/líquido.
En este tipo de mediciones, el esfuerzo de cizalla se expresa como esfuerzo de cizalla interfacial τs, con [τs] = Pa·m. La viscosidad se expresa, a su vez, como viscosidad de cizalla interfacial ηs, según la relación: τs = ηs · γ. La viscosidad de cizalla interfacial se mide en [ηs] = Pa·s·m = N·s/m o en poise de superficie.
Se sitúa un sistema de medición específico en la interfaz para medir películas adsorbidas o extendidas (p. ej., películas formadas por proteínas o tensioactivos).
Las dos principales geometrías de medición empleadas en reología interfacial son:
- Geometría de bicono:
- Medición en interfaces líquido-líquido (agua-aceite) y agua-gas (aire)
- Campo de cizallamiento definido
- Medición de viscosidades elevadas
- Anillo de doble pared (DWR):
- Medición en interfaces líquido-gas (aire); la medición en interfaces líquido-líquido (agua-aceite) también es posible, con limitaciones
- Campo de cizallamiento definido
- Escasa influencia de la subfase (número de Boussinesq elevado)
Tenga en cuenta: la reología interfacial de cizalla solo es pertinente cuando existe una película interfacial. Existen dos métodos generales para generar películas interfaciales: por extensión o por adsorción.
Películas extendidas (principalmente para tensioactivos de bajo peso molecular) pueden prepararse de la siguiente manera:
- Disolver el tensioactivo en un disolvente de extensión (p. ej., hexano, etanol o cloroformo)
- Extender la solución directamente sobre la superficie del agua con una microjeringa
- Esperar a que el disolvente se evapore por completo
- Verter la fase oleosa sobre la película de tensioactivo
Películas adsorbidas (p. ej., en el caso de capas interfaciales de proteínas) se forman por adsorción desde la fase de volumen hacia la interfaz. Esto puede lograrse de la siguiente manera:
- Disolver las proteínas en agua destilada
- Verter suavemente la fase oleosa sobre la disolución acuosa de proteínas
El IRS, en combinación con un reómetro MCR y una geometría de bicono o DWR, permite medir la reología interfacial incluso de las estructuras interfaciales más débiles. Además, con una geometría de bicono pueden medirse viscosidades interfaciales elevadas.
Los ensayos reológicos estándar generan los datos brutos a partir de los cuales se calculan posteriormente las propiedades interfaciales. Durante el posprocesamiento, el análisis hidrodinámico del campo de flujo sustrae la contribución de la fase de volumen y de la fase de recubrimiento, y calcula las propiedades interfaciales relevantes de la capa interfacial medida. Las mediciones pueden realizarse en modos rotacional y oscilatorio, lo que permite, por ejemplo, registrar curvas de flujo y realizar ensayos de fluencia en una capa interfacial, o llevar a cabo ensayos oscilatorios durante procesos de formación de películas.
La temperatura se controla mediante elementos Peltier en un rango de 5 °C a 70 °C; el sensor de fuerza normal patentado, situado en el cojinete de aire del reómetro MCR, permite posicionar con precisión cualquier geometría en la interfaz.
Los ensayos típicos de reología interfacial que pueden realizarse son:
- Ensayos en función del tiempo para seguir la formación de películas interfaciales
- Curvas de flujo
- Barridos de amplitud
- Barridos de frecuencia
Aplicaciones típicas:
- Alimentos: emulsiones y espumas
- Productos de consumo: emulsiones, espumas y tensioactivos
- Productos farmacéuticos: encapsulación y liberación de fármacos
- Industria petrolera: tensioactivos, reductores de arrastre y sistemas agua/aceite
- Monocapas de Langmuir: películas en la interfaz agua/aire
Ejemplo de medición
La siguiente figura muestra una medición representativa de las propiedades reológicas interfaciales de la crema de café. En ella se muestra la formación de la película para la misma muestra de café a tres concentraciones diferentes. Al medir con deformación y frecuencia constantes, es posible seguir la adsorción y la formación de la red de los componentes tensioactivos en la interfaz líquido/aire. A concentraciones más altas, la película adquiere elasticidad en menos tiempo. En la concentración más baja, los módulos siguen aumentando durante más tiempo y al final del experimento todavía no alcanzan valores de meseta. Esto indica que, cuanto mayor es la concentración de café en polvo, más rápidamente se forma la película.
