Curso de Fundamentos de Reologia Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais

Curso de Fundamentos de ReologiaCurso de Fundamentos de Reologia

Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais

Reologia de SuspensõesReologia de Suspensões

João Batista Rodrigues NetoJoão Batista Rodrigues Neto

Sumário:Sumário:

• Conceitos básicos • Evolução histórica• Definições • Variáveis que afetam a viscosidade

- Pressão- Temperatura- Taxa de deformação

• Comportamento de fluxo• Modelos lineares• Modelos Não lineares• O ponto de fluxo – Tensão de Escoamento• Comportamento dependente do tempo

INTRODUÇÃOINTRODUÇÃO

CONCEITOSCONCEITOS

SUSPENSÃOSUSPENSÃO

Apresenta uma microestrutura composta por partículas sólidas incluídas em um meio líquido

REOLOGIAREOLOGIA

O comportamento reológico de uma suspensão se apresenta dentro dos limites entre um sólido e um líquido.

CONCEITOSCONCEITOS

Aerosol e AerogelAerosol e Aerogel

Suspensão, Suspensão, Emulsão e Gel Emulsão e Gel

Emulsão e PastaEmulsão e Pasta

As propriedades reológicas de uma suspensão são influenciadas, de maneira marcantes, pelas características físico-químicas da fase sólida presente.

CONCEITOSCONCEITOS

1 – Concentração volumétrica de sólidos1 – Concentração volumétrica de sólidos

2 – Distribuição de tamanho de partículas2 – Distribuição de tamanho de partículas

3 – Interações 3 – Interações (atração e repulsão)(atração e repulsão) entre as partículas dispersas entre as partículas dispersas

As características de fluxo de uma suspensão são definidas em As características de fluxo de uma suspensão são definidas em função da relação entre o movimento de translação/rotação função da relação entre o movimento de translação/rotação das partículas sólidas no interior do líquido e as interações das partículas sólidas no interior do líquido e as interações interpartícula.interpartícula.

CONCEITOSCONCEITOS

O movimento das O movimento das partículas durante o partículas durante o fluxo é dependente fluxo é dependente da da “concentração”“concentração” da da suspensãosuspensão

Fullman (1953), Modelo quantitativo microestruturalFullman (1953), Modelo quantitativo microestrutural

CONCEITOSCONCEITOS

O livre caminho médio (O livre caminho médio () é um ) é um bom indicador para definir-se a bom indicador para definir-se a “concentração” de uma “concentração” de uma suspensãosuspensão

= (2/3).d= (2/3).d .( 1-.( 1- )/ )/

= Livre caminho médio= Livre caminho médio

dd= Diâmetro médio= Diâmetro médio

= Fração volumétrica= Fração volumétrica

SUSPENSÕES DILUÍDASSUSPENSÕES DILUÍDAS

Ocorre quando Ocorre quando é “pequeno” (< 0,05) e/ou d é “pequeno” (< 0,05) e/ou d é “grande” é “grande”

CONCEITOSCONCEITOS

é grandeé grande >> d>> d

Probabilidade de contatos Probabilidade de contatos entre partículas é pequenaentre partículas é pequena

Teoria das Teoria das colisões entre colisões entre

2 corpos2 corpos

EVOLUÇÃO HISTÓRICAEVOLUÇÃO HISTÓRICA

Suspensões diluídasSuspensões diluídas

SUSPENSÕES “MODERADAMENTE” CONCENTRADASSUSPENSÕES “MODERADAMENTE” CONCENTRADAS

Ocorre para Ocorre para “intermediário” (> 0,05 ) e/ou d “intermediário” (> 0,05 ) e/ou d é “pequeno” é “pequeno”

Suspensões onde não há interações interpartículas já Suspensões onde não há interações interpartículas já apresenta comportamento viscoelasticoapresenta comportamento viscoelastico

CONCEITOSCONCEITOS

é pequenoé pequeno > d> d

Probabilidade de contatos Probabilidade de contatos entre partículas é grandeentre partículas é grande

Colisões entre Colisões entre diversos diversos corposcorpos


Suspensões Moderadamente ConcentradasSuspensões Moderadamente Concentradas

SUSPENSÕES CONCENTRADASSUSPENSÕES CONCENTRADAS

Ocorre quando Ocorre quando é elevado (> 0,3) e/ou d é elevado (> 0,3) e/ou d é “muito pequeno” é “muito pequeno”

Forças de interação interpartícula começam a atuar (dForças de interação interpartícula começam a atuar (d≤ 1≤ 1m)m)

CONCEITOSCONCEITOS

é pequenoé pequeno ≤ ≤ dd

Probabilidade de contatos Probabilidade de contatos entre partículas é ~ 100%entre partículas é ~ 100%

Colisões entre Colisões entre diversos diversos corposcorpos


Suspensões ConcentradasSuspensões Concentradas


Suspensões ConcentradasSuspensões Concentradas

~0,65~0,65

SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS

Reologia de Suspensões ColoidaisReologia de Suspensões Coloidais

- Os sistemas coloidais envolvem uma classe específica de dispersões onde o diâmetro das “partículas” dispersas exercem papel determinante sobre as propriedades dessa dispersão.

- As dispersões coloidais são obtidas quando o tamanho das partículas dispersas estão dentro do intervalo entre 1 1 m e 1 nmm e 1 nm.

- Será utilizado o exemplo das suspensões coloidais cerâmicas como instrumento de caracterização do comportamento reológico dos sistemas colidais (aerosol, emulsões, etc.)


HidrofóbicosHidrofóbicos

Sistemas CerâmicosSistemas Cerâmicos

Propriedades do sistema são Propriedades do sistema são governadas por eventos que governadas por eventos que

ocorrem na interface, ou seja, ocorrem na interface, ou seja, por propriedades de superfície.por propriedades de superfície.

Interface Interface Sólido-LíquidoSólido-Líquido

Sólido InsolúvelSólido Insolúvel

Pó 1Pó 1m a 1 nmm a 1 nm

mm22/g/g


Sistema coloidal hidrofóbico Sistema coloidal hidrofóbico não possui estabilidadenão possui estabilidade

TermodinâmicaTermodinâmica

Coalescência/floculação Coalescência/floculação e/ou precipitaçãoe/ou precipitação

Separação de fases Separação de fases tende a ser espontâneatende a ser espontânea


Partículas pequenasPartículas pequenas

CinéticaCinética

Pequena velocidade de Pequena velocidade de sedimentaçãosedimentação

Lei de StokesLei de Stokes

Suspensões Suspensões ConcentradasConcentradas

Suspensões Suspensões DiluídasDiluídas

CoalescênciaCoalescênciaFloculaçãoFloculação

GelificaçãoGelificaçãoEstrutura 3DEstrutura 3D


Movimento BrownianoMovimento Browniano

- As partículas de uma suspensão coloidal são animadas por um movimento desordenado e incessante definido como “Movimento “Movimento Browniano”Browniano”.

- Tal evento ocorre devido aos choques produzidos pelas moléculas do líquido (vibração térmica e auto-difusão) junto as partículas sólidas dispersas.

- Como o tamanho das partículas é muito pequeno, os efeitos gravitacionais não se manifestam significativamente permitindo que as moléculas do líquido induzam movimento nessas partículas.



http://www.youtube.com/watch?v=UDj7BXA1CHU

http://www.youtube.com/watch?v=_ri398BViQk

http://www.scielo.br/pdf/rbef/v27n2/a13v27n2.pdf

http://www.youtube.com/watch?v=UDj7BXA1CHU

http://www.youtube.com/watch?v=_ri398BViQk

http://www.scielo.br/pdf/rbef/v27n2/a13v27n2.pdf



Colisão entre as Colisão entre as partículas dispersaspartículas dispersas

RepulsãoRepulsãoAtraçãoAtração

SUSPENSÃO INSTÁVELSUSPENSÃO INSTÁVEL SUSPENSÃO ESTÁVELSUSPENSÃO ESTÁVEL

CoalescênciaCoalescênciaFloculaçãoFloculação DispersãoDispersão


Serão apresentados, a seguir, alguns conceitos fundamentais para a compreensão de quando e porque há atração ou repulsão entre as partículas dispersas , para o caso de uma suspensão coloidal cerâmica em meio aquoso (eletrólito).

Estabilidade da Estabilidade da SuspensãoSuspensão1 – Caráter anfótero da superfície.1 – Caráter anfótero da superfície.

2 – A dupla camada iônica.2 – A dupla camada iônica.

3 – O Potencial Zeta.3 – O Potencial Zeta.


Ponto de Carga Ponto de Carga Zero (PZC)Zero (PZC)

pHpH


Material Fórmula Química PCZQuartzo SiO2 1

Sílica Amorfa SiO2 3 - 4Zirconia ZrO2 4 - 5Rutilo TiO2 4 - 5

Magnetita Fe3O4 6 - 7Hematita Fe2O3 6 - 9c Alumina Al2O3 7 - 9 Alumina Al2O3 9 – 9,5

Itria Y2O3 11 Magnésia MgO 12 - 13

Albita Na2O . Al2O3 . 6 SiO2 2Caulim Al2O3 . SiO2 . 2H2O 6 - 7Mulita 3Al2O3 . 2SiO2 7 - 8


A Dupla Camada IônicaA Dupla Camada Iônica


O Potencial Eletrocinético ou Potencial ZetaO Potencial Eletrocinético ou Potencial Zeta


O Potencial Eletrocinético ou Potencial ZetaO Potencial Eletrocinético ou Potencial Zeta

Ponto de Carga Ponto de Carga Zero (PZC)Zero (PZC)

pHpH


A Estabilidade de Suspensões ColoidaisA Estabilidade de Suspensões Coloidais

Com base nos conceitos apresentados anteriormente pode-se agora dar um sentido mais preciso com relação à estabilidade de uma suspensão coloidal cerâmica.

ESTABILIDADEESTABILIDADE

Instaura-se uma Instaura-se uma barreira energética barreira energética

que impede a que impede a aglomeração das aglomeração das

partículas partículas dispersas.dispersas.


SOLSOL

Suspensão Suspensão estável.estável.

Apresenta uma Apresenta uma distribuição aleatória de distribuição aleatória de partículaspartículas no interior da fase líquida. no interior da fase líquida.

Suspensão Suspensão defloculada ou peptizada.defloculada ou peptizada.

SOLSOL


GELGEL

Suspensão Suspensão instável.instável.

As partículas tende a formar As partículas tende a formar aglomerados.aglomerados.

A A fase sólida fase sólida pode ser pode ser tratada com um tratada com um todotodo. Estrutura floculada tridimensional . Estrutura floculada tridimensional ((separação de fasesseparação de fases).).

GELGEL


Teoria DLVOTeoria DLVO



VVRR 1/D 1/D22

VVAA 1/D 1/D66

EletrostáticoEletrostático

Van der WallsVan der WallsLondonLondon


Estabilização poliméricaEstabilização polimérica

Quando adiciona-se moléculas orgânicas dissolvidas no meio l´quido Quando adiciona-se moléculas orgânicas dissolvidas no meio l´quido de uma suspensão coloidal, surge um novo tipo de força repulsiva de uma suspensão coloidal, surge um novo tipo de força repulsiva entre as partículas dispersas ocasionada por um entre as partículas dispersas ocasionada por um “impedimento “impedimento estérico”estérico” (efeito restritivo de volume). (efeito restritivo de volume).


Ex: Efeito do conteúdo de sólidosEx: Efeito do conteúdo de sólidos


Ex: Suspensão DefloculadaEx: Suspensão Defloculada

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