Ensayos de oscilación en reología: G′, G″ y tan δ
Qué son los módulos de almacenamiento y de pérdida, cómo se determina el rango viscoelástico lineal y qué información dan los barridos de amplitud, frecuencia, temperatura y tiempo.
Los ensayos de oscilación son la herramienta más potente de un reómetro. En lugar de hacer girar la geometría de forma continua, la mueven adelante y atrás con una amplitud pequeña. Así se mide la estructura del material sin destruirla, algo que un viscosímetro no puede hacer.
Qué se mide: G′, G″ y tan δ
Se aplica una deformación (o una tensión) sinusoidal y se mide la respuesta. En un sólido ideal, tensión y deformación están en fase; en un líquido ideal, desfasadas 90°. Los materiales reales están en medio, y de ese desfase se obtienen:
- G′, módulo de almacenamiento: la parte elástica, la energía que el material almacena y devuelve. Cuanto mayor, más «sólido».
- G″, módulo de pérdida: la parte viscosa, la energía que se disipa. Cuanto mayor, más «líquido».
- Ángulo de fase δ y tan δ = G″/G′: resumen el carácter del material. Por debajo de 45° (tan δ < 1) predomina lo elástico; por encima, lo viscoso.
- Viscosidad compleja |η*|: la resistencia total a la deformación oscilatoria.
Idea clave: si G′ > G″, la muestra se comporta en reposo como un sólido (un gel, una pasta estable); si G″ > G′, como un líquido. El punto en que se cruzan marca el cambio de uno a otro.
1. Barrido de amplitud: el primer ensayo
Se aumenta la amplitud a frecuencia constante. Al principio los módulos no cambian: es el rango viscoelástico lineal (LVR, por sus siglas en inglés), en el que la estructura de la muestra se mantiene intacta. A partir de cierta deformación o tensión crítica, la estructura empieza a romperse y los módulos caen.
Este ensayo sirve para dos cosas:
- Fijar la amplitud del resto de ensayos de oscilación, que deben hacerse dentro del rango lineal para que los resultados sean comparables.
- Caracterizar la resistencia de la estructura: el final del rango lineal y el punto de cruce de G′ y G″ (a menudo usado como tensión de fluencia en oscilación).
2. Barrido de frecuencia: la «huella dactilar» del material
Dentro del rango lineal, se varía la frecuencia. Las frecuencias bajas reflejan el comportamiento a tiempos largos (almacenamiento, sedimentación) y las altas, a tiempos cortos (golpes, aplicación rápida).
- En un gel o dispersión estable, G′ es mayor que G″ y casi independiente de la frecuencia.
- En un polímero fundido, a frecuencias bajas domina G″ y a altas G′; la posición del cruce se relaciona con el peso molecular y la forma de las curvas, con su distribución.
En polímeros, la regla de Cox-Merz permite comparar la viscosidad compleja del barrido de frecuencia con la viscosidad en rotación. Es la forma preferida de obtener la curva de viscosidad de un fundido, porque evita los problemas de rotura en el borde que aparecen al girar a velocidades altas. La superposición tiempo-temperatura amplía el rango combinando barridos a varias temperaturas. Lo tratamos en reología de polímeros.
3. Barrido de temperatura
Se varía la temperatura a amplitud y frecuencia constantes. Así se detectan fusiones, cristalizaciones, transiciones sol-gel y la transición vítrea en sólidos (ensayos DMTA). Al dar una temperatura de transición vítrea hay que indicar siempre el criterio usado (máximo de G″, máximo de tan δ…), porque cada uno da un valor distinto, como se ve en la nota sobre curado UV de adhesivos.
4. Barrido de tiempo
Con todo constante, se sigue la evolución de la muestra: curado de resinas y adhesivos, gelificación, recuperación de la estructura después de agitar (tixotropía) o cristalización isoterma, como en la manteca de cacao.
El punto de cruce y el punto de gel
En curados y gelificaciones, el momento o la temperatura en que G′ supera a G″ se usa a menudo como punto de gel. Es un criterio práctico y reproducible, pero depende de la frecuencia y de las condiciones del ensayo.
Además, la oscilación no siempre es inocua: en estructuras frágiles, una tensión demasiado alta puede alterar el propio proceso que se quiere medir. En la nota sobre gelificación y tensión de ensayo, un gel medido con una tensión alta directamente no llega a formarse.
Errores habituales
- Medir fuera del rango lineal porque no se ha hecho antes el barrido de amplitud.
- Usar una tensión o deformación tan grande que modifica la estructura durante un curado o una gelificación.
- No equilibrar la temperatura o no dejar relajar la muestra después de cargarla.
- Deslizamiento en la pared con pastas y grasas: se evita con geometrías arenadas o estriadas.
- Evaporación durante ensayos largos: se evita con tapas y trampas de disolvente.
- Par demasiado bajo para el equipo en muestras muy débiles: puede exigir un reómetro de cojinete de aire.
La oscilación se puede hacer con reómetros de control de calidad como el HAAKE Viscotester iQ (opcional) y de forma completa con los HAAKE MARS iQ y MARS 40/60. Si quiere practicarla con equipos reales, nuestros cursos de reología dedican una parte a medidas oscilatorias.
Preguntas frecuentes
¿Qué significan G′ y G″?
G′ (módulo de almacenamiento) representa la parte elástica: la energía que el material almacena y devuelve. G″ (módulo de pérdida) representa la parte viscosa: la energía que se disipa como calor. Si G′ es mayor que G″, la muestra se comporta sobre todo como un sólido; si es menor, como un líquido.
¿Qué es el rango viscoelástico lineal?
Es el intervalo de deformación o tensión en el que los módulos no dependen de la amplitud aplicada, porque la estructura de la muestra no se altera. Se determina con un barrido de amplitud y es el punto de partida de cualquier otro ensayo de oscilación.
¿Qué indica el punto de cruce de G′ y G″?
Marca el paso de un comportamiento predominantemente viscoso a uno predominantemente elástico, o al revés. Se usa a menudo como punto de gelificación en curados y transiciones sol-gel, siempre indicando cómo se ha medido.
