viernes, 29 de agosto de 2014

¿Qué es exactamente la espuma viscoelástica?



A veces es realmente difícil de explicar una propiedad o efecto, incluso si es muy cotidiano en nuestras vidas.
Las espumas viscoelásticas (denominadas en Inglés como "espumas con memoria o memory foam") juegan un papel importante en nuestro descanso diario, en los colchones y almohadas.
Pero, ¿qué son exactamente los materiales viscoelásticos?.
Viscoelástico es la yuxtaposición de viscoso y elástico. La pregunta es si puede ser posible que exista un material tanto viscoso como elástico.
Los materiales elásticos son bien conocidos: si se los somete a una fuerza de estiramiento aumentan su longitud, y al detener dicha fuerza recuperan la longitud inicial. Por ejemplo, un colchón de látex muestra este comportamiento, y en general los productos de caucho, elastómeros, gomas, neumáticos, etc.
Sin embargo, un material viscoso es un producto que, sometido a una fuerza, se deforma y fluye, y después de detener la fuerza el material no recupera la forma inicial. Todos los líquidos clásicos muestran un comportamiento viscoso. Pero no son todos igual de viscosos. La viscosidad de un fluido se puede medir con procedimientos muy simples. Por ejemplo, un embudo puede llenarse con líquido, cubriendo la parte inferior con un dedo. Cuando se retira el dedo, se mide el tiempo que tarda en vaciarse el embudo, y esta será una medida de su viscosidad. Si el embudo está lleno de agua, que se vaciará pronto; se necesitará más tiempo para drenar el aceite, e incluso más tiempo si el embudo está lleno de glicerina o alquitrán.
Todos estos tipos de líquidos se llaman fluidos newtonianos, porque siguen una ley de la fluidez de Newton, la cual establece que a mayor fuerza aplicada a un fluido, más velocidad cogerá (de hecho, la ley no dice exactamente eso, pero de esta manera es más fácil de entender).
Pero hay muchas sustancias que no se comportan como un líquido-sólido o viscoso elástico, sino con un comportamiento intermedio. Muchas sustancias cotidianas, como la mayonesa, el yogur, la miel, la leche condensada, salsa de tomate, las pinturas, la mayoría de los cosméticos o geles de baño tienen comportamientos muy complejos. Algunos de ellos pueden sostener una cuchara clavada en la parte superior, pero si se agitan ya no son capaces de sostenerla. Otros no caen de una botella con un agujero pequeño, pero caen si la botella se agita, o si el agujero es un poco más grande. Estos comportamientos son fluidos no newtonianos. Los hay de muchas clases. Quizás los más conocidos son los fluidos tixotrópicos, como por ejemplo las pinturas. Tienen menor viscosidad a medida que se trabajan, y eso es bueno para su uso, ya que de esta manera los cepillos o las brochas pueden extender la pasada.
Hay fluidos viscoelásticos, que tienen un comportamiento muy curioso. Tengo en casa una bola hecha de un material con un aspecto arcilloso, que depositada sobre la mesa se ​​comporta como un fluido viscoso: va desparramándose y chafándose, y va cogiendo forma plana. Pero cuando esta misma bola es lanzada al suelo rebota como una pelota de látex. Su estructura es tan especial que si el esfuerzo aplicado es corto -como en un bote- actúa elásticamente. Pero si el esfuerzo es continuo -cuando se deposita  en la mesa-, tiene un comportamiento viscoso.
Vamos a los colchones y almohadas. Cuando un colchón de látex se comprime, nuestro peso deforma la estructura del polímero, conforme con las leyes de la elasticidad: más peso, más deformación. Es el equilibrio de acción-reacción, la tercera ley de Newton. El material por debajo del peso quiere recuperar su forma y ejerce una fuerza contra el cuerpo, pero nuestro peso le impide recuperar su forma original.
Los colchones de material viscoelástico tienen un comportamiento radicalmente diferente. Estos materiales se inventaron para los astronautas de la NASA con el fin de evitar molestias en sus largos períodos sentados en posiciones inusuales, y se han aplicado por ejemplo a los materiales de hospital para evitar erosiones y escarificaciones en las zonas en contacto prolongado con el colchón.
¿Cómo funcionan?
Los colchones se componen de un conjunto complejo de capas de polímeros de diferentes propiedades. La capa inferior es generalmente un material elástico que actúa de soporte a las capas viscoelásticas superiores. Por encima suele haber una o dos capas de material viscoelástico, de espesor y densidad variable dependiendo de la calidad del colchón.
La idea básica se entiende más fácilmente en una almohada viscoelástica: al apoyar nuestra cabeza, el peso corporal y la temperatura ayuda al proceso mediante el cual el material "fluye", mientras se evacúa el aire a través de su estructura porosa, y el material se comprime mucho, sin ninguna fuerza elástica que actúe contra el cuerpo por encima suyo. La cabeza permanece sumergida en la almohada, con una sensación de una dureza mucho menor que en el caso de almohadas elásticas. De hecho algunas publicidades se refieren a una sensación de “ingravidez”.  Cuando se retira el peso de encima el material se comporta elásticamente, y vuelve a su forma original, de acuerdo con una propiedad llamada resiliencia.
El secreto de los ingenieros químicos que desarrollaron estos materiales ha sido encontrar materiales que muestren ambos comportamientos, con la densidad adecuada, alta porosidad –de manera que cuando la cabeza se coloque encima se evacúe el aire y se deforme siguiendo el comportamiento viscoso-, y una reticulación  y porosidad adecuada para lograr alta resistencia y recuperación de la forma inicial a través del mecanismo elástico.
Los materiales que son capaces de mostrar estas increíbles propiedades pertenecen a una familia de materiales llamados poliuretanos (PU).

Como podéis ver, el tema del comportamiento de los fluidos y los materiales semisólidos, a través de disciplinas como la reología o la mecánica de medios continuos es extraordinariamente complicado.  Intentar explicar algo tan sencillo como lo que aparece en el siguiente vídeo es todo un desafío, y eso que únicamente se han tratado los conceptos más básicos.

Pero la sensación de descanso al sumergirte en una de estas almohadas o colchones es, ciertamente, deliciosamente inexplicable.




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Este post está basado en el artículo “Viscoelàstica densoactiva” del catedrático y doctor en química de la Universidad de Barcelona, Claudi Mans, que realiza una increíble labor de divulgación en química, tanto en catalán como en castellano.




2 comentarios:

  1. Gracias por su comentario elogioso. Permítame una matización a la frase final de su post. La mayor parte de escritos relacionados con la divulgación de la química (y el de viscoelástica también) están publicados simultáneamente en castellano en la web SciLogs de la revista Investigación y Ciencia, cuyo enlace es el siguiente:
    http://www.investigacionyciencia.es/blogs/fisica-y-quimica/24/posts

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    1. Muchas gracias por su comentario, señor Mans, la frase final del post (inicialmente “que realiza una increíble labor de divulgación en química, pero lamentablemente sólo en catalán”) ha sido modificado. Disculpe el error, ha sido únicamente por mi torpeza de no poder encontrar sus post en castellano.
      Como digo, me encantó su entrada, y me basé en ella para escribir las versiones en castellano y en inglés de la parte que a mí me interesaba, puesto que usted hablaba de dos adjetivos, el “densoactivo” y la “viscoelástica”, y a mí sólo me interesaba este último.
      Se trata de una explicación rigurosa y amena de los aspectos químicos de la viscoelasticidad de colchones y almohadas, y en muchas partes me basé estrictamente en su texto original. No obstante, en su post original realiza un comentario sobre la que usted denomina “principal empresa investigadora de estos materiales” que querría también matizar.
      Según un brevísimo estudio de mercado, y en números muy redondos, el mercado de almohadas viscoelásticas (moldeadas con poliuretano en base MDI) se reparte entre BASF (65%), Bayer (30%) y otros (5%). El mercado de colchones es más complicado, pero efectivamente la capa de espuma viscoelástica (una capa de bloque fabricado en contínuo, con poliuretano en base TDI, que representa el 95% del mercado) está siendo suministrada casi en exclusiva por Bayer. El resto del mercado (5%, de espuma de bloque fabricado en discontínuo con poliuretano en base MDI) está algo más repartido, pero se vuelve a repartir entre Bayer y BASF como principales suministradores.
      La principal fuente de innovaciones en materiales viscoelásticos de poliuretano se encuentra en la aplicación de almohadas, no en colchones. Por tanto, no es muy correcto decir que es Bayer la principal empresa investigadora de estos materiales, sino BASF.

      Reciba un cordial saludo de un gran admirador suyo.
      Servet Casabona

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