DISSERTAÇÃO DE MESTRADO AVALIAÇÃO DA MOLHABILIDADE...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA-CT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

AVALIAÇÃO DA MOLHABILIDADE DE SOLUÇÕES DE

TENSOATIVOS EM AÇO INOXIDÁVEL

André Ezequiel Gomes do Nascimento Orientador: Prof. Dr. Eduardo Lins de Barros Neto (DEQ-UFRN) Coorientadora: Profa. Dra. Maria Carlenise Paiva de A. Moura (DEQ-UFRN)

Natal / RN Setembro / 2009

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André Ezequiel Gomes do Nascimento

AVALIAÇÃO DA MOLHABILIDADE DE SOLUÇÕES DE TENSOATIVOS EM AÇO INOXIDÁVEL

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Química, sob a orientação do ProfessorDr. Eduardo Lins de Barros Neto e da Professora Dra. Maria Carlenise Paiva de Alencar Moura.

Natal / RN Setembro / 2009

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Divisão de Serviços Técnicos Catalogação da Publicação na Fonte

UFRN / Biblioteca Setorial de Engenharia Química

Nascimento, André Ezequiel Gomes do. Avaliação da molhabilidade de soluções de tensoativos em aço inoxidável / André Ezequiel Gomes do Nascimento. – Natal, 2009. 89 f. : il.

Orientador: Eduardo Lins de Barros Neto. Coorientadora: Maria Carlenise Paiva de Alencar Moura. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de

Tecnologia. Departamento de Engenharia Química. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química.

1. Aço inoxidável - Escoamento – Dissertação. 2. Soluções de tensoativos -

Transporte – Dissertação. 3. Molhabilidade das superfícies – Dissertação. 4. Ângulo de contato – Dissertação. I. Barros Neto, Eduardo Lins de. II. . Moura, Maria Carlenise Paiva de Alencar. III. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. IV. Título.

RN/BSPPGEQ CDU 691.714.018.8 (043.3)

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NASCIMENTO, André Ezequiel Gomes do – Avaliação da Molhabilidade de Soluções de Tensoativos em Aço Inoxidável. Dissertação de Mestrado, UFRN, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Natal/RN, Brasil. Orientador: Prof. Dr. Eduardo Lins de Barros Neto Coorientadora: Profa. Dra. Maria Carlenise Paiva de Alencar Moura RESUMO: Com o crescente aumento da industrialização, provocado pela globalização do planeta, tornou-se cada vez mais comum a busca por materiais de alta resistência e durabilidade para os mais diversificados ramos de atividades. Assim, a produção e procura por materiais que atendam estas exigências tornou-se cada vez maior com o passar dos anos. Logo, um dos materiais que vêm preenchendo bem os requisitos necessários para esta aplicação é o aço inoxidável, devido às suas diversas características aplicáveis aos diferentes ramos da indústria. O interesse das companhias de petróleo por reservas de óleos pesados vem apresentando aumento constante durante as últimas décadas. As propriedades reológicas destes óleos impedem o seu transporte em sistemas convencionais de fluxo. A partir deste problema surge a necessidade do desenvolvimento de tecnologias que permitam melhorar o escoamento e transporte, reduzindo os custos de operação, para, assim, viabilizar a produção de óleo no reservatório. Diante disto, surge o transporte através de sistemas contendo tensoativos, que reduzem as tensões interfaciais, facilitando o escoamento do óleo através do duto, reduzindo as perdas de carga por atrito. Para verificar estas interações estudou-se a molhabilidade das superfícies, que é representada pela medida do ângulo de contato de soluções de tensoativo com placas planas de aço inoxidável 304. Foram utilizadas soluções de KCl, tensoativos e misturas de tensoativos com cadeia carbônica linear e aromática de grupos etoxilados variando de 3 a 100. Para determinação da molhabilidade foi utilizado o goniômetro DSA 100, Krüss. A fim de observar a influência da rugosidade na molhabilidade, a placa de aço inoxidável foi usinada e polida com diferentes lixas de referência de 100 até 1200. Os resultados obtidos mostraram que lixar e polir a placa resulta em diminuição da molhabilidade. Quanto às soluções de tensoativos, estas apresentaram melhor molhabilidade em aço inoxidável do que as soluções de KCl testadas. Também foi observado que a mistura de tensoativos é uma opção considerável, uma vez que apresentou ângulos de contato satisfatórios para uma boa molhabilidade na placa de aço inoxidável. Outro fato observado é que a etoxilação também interfere na molhabilidade, reduzindo o ângulo de contato com a redução da etoxilação. Isto nos leva a concluir que tensoativos com maior etoxilação, sendo mais hidrofóbicas, diminuem a interação da água com o duto e, consequentemente, o atrito com o mesmo, melhorando assim o escoamento.

Palavras chaves: Ângulo de contato, Molhabilidade, Aço inoxidável, Tensoativos.

v

NASCIMENTO, André E. G. – Evaluation of wetting of surfactant solutions in Stainless Steel. Qualification of Master, UFRN, Program of Post-Graduation in Chemical Engineering, Natal / RN, Brazil. Advisor: Prof. Dr. Eduardo Lins de Barros Neto Co-Advisor: Profa. Dra. Maria Carlenise Paiva de Alencar Moura ABSTRACT With the increasing industrialization of the planet caused by globalization, it has become increasingly common to search for highly resistant and durable materials for many diverse branches of activities. Thus, production and demand for materials that meet these requirements have constantly increased with time. In view of this, stainless steel is presented as one of the materials which are suitable applications, due to many features that are interesting for several segments of the industry. Concerns of oil companies over heavy oil reservoirs have grown steadily for the last decades. Rheological properties of these oils impair their transport in conventional flow systems. This problem has created the need to develop technologies to improve flow and transport, reducing operation costs so as to enable oil production in the reservoir. Therefore, surfactant-based chemical systems are proposed to optimize transport conditions, effected by reduction of interfacial tensions, thereby enhancing the flow of oil in ducts and reducing load losses by friction. In order to examine such interactions, a study on the wettability of metallic surfaces has been undertaken, represented by measuring of contact angle of surfactant solutions onto flat plates of 304 stainless steel. Aqueous solutions of KCl, surfactants and mixtures of surfactants, with linear and aromatic hydrocarbon chain and ethoxylation degrees ranging between 20 to 100, have been tested. The wettability was assessed by means of a DSA 100 krüss goniometer. The influence of roughness on the wettability was also investigated by machining and polished the stainless steel plates with sandpapers of references ranging between 100 of 1200. The results showed that sanding and polishing plates result in decrease of wettability. As for the solutions, they have provided better wettability of the stainless steel than the KCl solutions tested. It was also been concluded that surfactant mixtures is an option to be considered, since they promote interactions that generate satisfactory contact angles for a good wettability on the stainless steel plate. Another conclusion refers to the influence of the ethoxylation degree of the nonionic surfactant molecules on wettability. It has been observed that contact angles decrease with decreasing ethoxylation degrees. This leads us to conclude that molecules with higher ethoxylation degree, being more hydrophobic, decrease the interaction of water with the ducts, thereby reducing friction and improving the flow. Keywords: Contact angle, Wettability, stainless Steel, Surfactants.

vi

Eu te amo, ó Senhor, força minha. O Senhor é a minha rocha, a minha fortaleza e o meu libertador; o meu Deus, o meu rochedo, em quem me refúgio; o meu escudo, a força da minha salvação, e o meu alto refúgio (Salmo 18:1-2). Ó Senhor, Senhor nosso, quão admirável é o teu nome em toda a terra, tu que puseste a tua glória dos céus! (Salmo 8:1).

vii

AGRADECIMENTOS

Agradeço ao Deus, criador do céu e da terra, por seu imerso amor e misericórdia tem

concedido saúde, força, paciência e sabedoria para a realização dessa dissertação.

Aos meus pais, familiares e amigos pelos princípios transmitidos, pois eles foram as

minhas grandes referências.

Ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química da Universidade Federal do

Rio Grande do Norte e ao corpo docente que o compõe pelos ensinamentos técnicos e

científicos. Aos professores Eduardo Lins de Barros Neto e Maria Carlenise Paiva de Alencar

Moura pela disponibilidade e empenho na orientação deste trabalho.

Ao NUPEG-PRH14/UFRN pelo suporte laboratorial para a realização dos

experimentos no Laboratório de Tecnologia de Tensoativos.

Ao suporte financeiro do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e

Tecnológico pela bolsa concedida.

viii

Sumário Índice de figuras xi

Índice de tabelas xiii

Introdução ................................................................................................................................... 2

Aspectos teóricos ........................................................................................................................ 6

2.1. Molhabilidade .................................................................................................................. 6

2.2. Ângulo de contato ............................................................................................................ 8

2.2.1. Influência da rugosidade ......................................................................................... 11

2.3. Tensoativos .................................................................................................................... 13

2.3.1. Definição ................................................................................................................ 13

2.3.2. Objetivo do tensoativo ............................................................................................ 13

2.3.3. Grupos polares e apolares presentes no tensoativo ................................................ 14

2.3.4. Mecanismo de ação dos tensoativos ....................................................................... 15

2.3.5. Classificação dos tensoativos ................................................................................. 16

2.3.5.1. Iônicos ............................................................................................................. 17

2.3.5.1.1. Catiônicos ................................................................................................. 17

2.3.5.1.2. Aniônicos .................................................................................................. 17

2.3.5.1.3. Anfóteros .................................................................................................. 18

2.3.5.2. Não-iônicos ...................................................................................................... 18

2.3.6. Propriedades dos tensoativos .................................................................................. 19

2.3.6.1. Micelização ...................................................................................................... 19

2.3.6.2. Concentração micelar crítica (c.m.c.) .............................................................. 22

2.3.6.2.1. Fatores que afetam a concentração micelar crítica (c.m.c.)...................... 23

2.3.6.3. Balanço hidrofílico/lipofílico (BHL) ............................................................... 24

2.3.6.3.1. Aplicação do BHL .................................................................................... 25

2.3.6.4. Ponto de Krafft ................................................................................................ 27

2.3.6.5. Ponto de turbidez ............................................................................................. 28

2.3.6.6. Adsorção .......................................................................................................... 29

2.3.6.7. Solubilidade ..................................................................................................... 30

2.4. Aço inoxidável ............................................................................................................... 31

Estado da arte............................................................................................................................ 34

Metodologia experimental ........................................................................................................ 38

4.1. Reagentes ....................................................................................................................... 38

ix

4.1.1. KCl ......................................................................................................................... 38

4.1.2. Água ....................................................................................................................... 38

4.1.3. Tensoativos ............................................................................................................. 38

4.1.3.1. Tensoativos com anel aromático e etoxilados ................................................. 39

4.1.3.2. Tensoativos de cadeia linear e etoxilados........................................................ 40

4.2. Equipamentos ................................................................................................................ 42

4.3. Material Avaliado .......................................................................................................... 42

4.3.1. Aço inoxidável ........................................................................................................ 42

4.4. Concentração micelar crítica (c.m.c.) ............................................................................ 43

4.5. Molhabilidade ................................................................................................................ 43

4.5.1. Processos de usinagem e polimento ....................................................................... 48

4.5.1.1. Usinagem Manual ............................................................................................ 48

4.5.1.2. Usinagem em torno mecânico de alta rotação ................................................. 49

4.5.2. Molhabilidade das soluções de KCl ....................................................................... 49

4.5.3. Molhabilidade das soluções de tensoativos não-iônicos ........................................ 49

Resultados e discussões ............................................................................................................ 52

5.1. Avaliação da molhabilidade do aço através de medidas de ângulo de contato para os

processos de usinagem.......................................................................................................... 52

5.1.1. Processos de usinagem ........................................................................................... 52

5.1.2. Processo de usinagem por lixas em série................................................................ 54

5.2. Avaliação da molhabilidade do aço através de medidas de ângulo de contato ............. 59

5.2.1. Medidas de ângulo de contato com solução de KCl ............................................... 59

5.2.2. Medidas de ângulo de contato com solução de tensoativos não-iônicos (nonilfenol

etoxilado) .......................................................................................................................... 60

5.2.3. Medidas de ângulo de contato com soluções de tensoativos não-iônicos de cadeia

linear (álcool láurico etoxilado) ........................................................................................ 61

5.2.4. Avaliação do ângulo de contato de tensoativos não-iônicos de cadeia aromática e

linear com diferentes graus de etoxilação......................................................................... 63

5.2.5. Medidas de ângulo de contato com soluções de tensoativos não-iônicos de cadeia

aromática e linear com mesmo grau de etoxilação ........................................................... 64

5.2.6. Medidas de ângulo de contato com soluções de misturas de tensoativos não-

iônicos de cadeia aromática .............................................................................................. 65

5.2.7. Medidas de ângulo de contato entre a solução de KCl e tensoativos não-iônicos de

cadeia aromática ............................................................................................................... 66

x

5.2.8. Medidas de ângulo de contato entre a solução de KCl e tensoativos não-iônicos de

cadeia linear ...................................................................................................................... 67

Conclusões ................................................................................................................................ 69

Referências bibliográficas ........................................................................................................ 71

xi

Lista de Figuras Figura 2.1. Comportamento da molhabilidade através de medidas de ângulo de contato. ........ 8

Figura 2.2. Representação das tensões superficiais a partir do ângulo de contato. .................... 9

Figura 2.3. Molécula de tensoativo. ......................................................................................... 13

Figura 2.4. Cadeia carbônica com mais de 10 carbonos e anel aromático. .............................. 14

Figura 2.5. Orientação dos tensoativos na interface de um sistema. ........................................ 16

Figura 2.6. Representação esquemática dos tipos de tensoativos............................................. 17

Figura 2.7. Representação esquemática de agregação molecular em solução aquosa. ............ 20

Figura 2.8. Propriedades afetadas pela formação de micelas. .................................................. 21

Figura 2.9. (a) micela inversa e (b) micela direta. .................................................................... 22

Figura 2.10. Representação esquemática de ação dos tensoativos. .......................................... 23

Figura 2.11. Representação dos tensoativos de baixo e alto BHL. .......................................... 24

Figura 2.12. Diagrama de fase de um tensoativo iônico próximo ao ponto de Krafft. ............ 27

Figura 2.13. Curva de solubilidade para tensoativo não-iônico em função da temperatura..... 28

Figura 2.14. Representação das atividades de moléculas anfifílicas. ....................................... 29

Figura 2.15. Relação de temperatura/solubilidade para tensoativos iônicos típicos. ............... 30

Figura 4.1. Goniômetro DSA 100 (Krüss). .............................................................................. 44

Figura 4.2. Gota de líquido sobre a superfície do aço inoxidável. ........................................... 45

Figura 4.3. Molhabilidade do aço inoxidável em água destilada pelos métodos do ajuste do

círculo e tangente. ..................................................................................................................... 46

Figura 4.4. Molhabilidade do aço inoxidável em tensoativo não-iônico pelos métodos do

ajuste do círculo e tangente. ..................................................................................................... 47

Figura 4.5. Molhabilidade do aço inoxidável em tensoativos não-iônicos pelos métodos do

ajuste do círculo e tangente. ..................................................................................................... 47

Figura 5.1. Molhabilidade do aço inoxidável à água destilada após processos de usinagem e

polimento. ................................................................................................................................. 53

Figura 5.2. Molhabilidade do aço inoxidável no processo de lixação em lixas de série. ......... 54

Figura 5.3. Ângulo de contato da água no aço inoxidável no processo de lixação em lixas de

série. .......................................................................................................................................... 55

Figura 5.4. Representação do cálculo da rugosidade R, como função das alturas, yi, em

relação à linha superficial x, no espaço de medida ℓm, para n medidas. ................................. 56

Figura 5.5. Representação da compactação dos grãos em uma lixa quadrada de lado ι. ......... 57

Figura 5.6. Relação entre o cosseno do ângulo de contato da água sobre uma superfície ....... 58

xii

Figura 5.7. Molhabilidade do aço inoxidável em soluções de KCl representada por medidas de

ângulo de contato. ..................................................................................................................... 59

Figura 5.8. Molhabilidade do aço inoxidável em soluções de tensoativos não-iônicos com

cadeia aromática representada por medidas de ângulo de contato. .......................................... 60

Figura 5.9. Molhabilidade do aço inoxidável em tensoativos não-iônicos com cadeia linear

representada por medidas de ângulo de contato. ...................................................................... 62

Figura 5.10. Comparação da molhabilidade do aço inoxidável em soluções de tensoativos

não-iônicos de cadeia aromática e linear com diferentes graus de etoxilação representada por

medidas de ângulo de contato. .................................................................................................. 63

Figura 5.11. Comparação da molhabilidade do aço inoxidável em soluções de tensoativo não-

iônico de cadeia aromática e linear com mesmo grau de etoxilação representada por medidas

de ângulo de contato. ................................................................................................................ 64

Figura 5.12. Molhabilidade do aço inoxidável em misturas de tensoativos não-iônicos de

cadeia aromática representada por medidas de ângulo de contato. .......................................... 65

Figura 5.13. Comparação da molhabilidade do aço inoxidável em soluções de KCl e

tensoativos não-iônicos de cadeia aromática representado por medidas de ângulo de contato.

.................................................................................................................................................. 66

Figura 5.14. Comparação da molhabilidade do aço inoxidável em soluções de KCl e

tensoativos não-iônicos de cadeia linear representado por medidas de ângulo de contato. ..... 67

xiii

Lista de Tabelas

Tabela 2.1. Classificação dos tensoativos. ............................................................................... 14

Tabela 2.2. Grupos polares. ...................................................................................................... 15

Tabela 2.3. Faixas de BHL e suas aplicações. .......................................................................... 25

Tabela 2.4. Valores dos grupos hidrofílicos e lipofílicos usados no cálculo do BHL.............. 26

Tabela 4.1. Especificações dos tensoativos não-iônicos com anel aromático e etoxilados...... 39

Tabela 4.2. Valores das tensões superficiais e pontos de turbidez para os tensoativos não-

iônicos com anel aromático. ..................................................................................................... 40

Tabela 4.3. Especificações dos tensoativos não-iônicos com cadeia linear e etoxilados. ........ 41

Tabela 4.4. Valores das tensões superficiais e pontos de turbidez para os tensoativos não-

iônicos de cadeia linear............................................................................................................. 41

Tabela 4.5. Equipamentos utilizados durante os procedimentos experimentais. ..................... 42

Tabela 4.6. Composição química do aço inoxidável austenítico 304 (em %). ......................... 42

Tabela 4.7. Concentrações micelares críticas (c.m.c.) para os tensoativos utilizados. ............. 43

CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO

Capítulo 1 – Introdução 2

André Ezequiel Gomes do Nascimento – Setembro/2009 Dissertação de Mestrado/PPGEQ/UFRN

Introdução

Com o crescente aumento da industrialização provocado pela globalização do

planeta, tornou-se cada vez mais comum a busca por materiais de alta resistência e

durabilidade para os mais diversificados ramos de atividades. Assim, a produção e procura

por materiais que atendam estas exigências tornou-se cada vez maior com o passar dos anos.

Desenvolver produtos com tecnologia que atendam estas exigências tem se tornado um

grande desafio para as indústrias. Logo, um dos materiais que vêm preenchendo bem os

requisitos necessários para esta aplicação é o aço inoxidável, devido às suas diversas

características aplicáveis aos diferentes ramos da indústria.

O aço inoxidável está presente em muitas áreas da vida cotidiana e novas aplicações

são encontradas a cada dia nos mais diferentes campos. As razões do crescimento e da

atratividade para aplicações diversas residem na ampla faixa de requisitos que este material é

capaz de atender (Barbosa et al., 2003).

Particularmente, no Brasil, o potencial e as perspectivas de aplicação dos aços

martensíticos, na exploração de petróleo, em plataformas "offshore", são elevados, em razão

de a Petrobras dominar a tecnologia e ser uma das líderes mundiais da exploração de petróleo

em águas profundas e ultra-profundas (Mariano et al., 2006). Logo, tornam-se necessários

estudos mais específicos para o desenvolvimento de tecnologias que agreguem valores

economicamente viáveis e que possam vir a solucionar problemas oriundos da explotação do

óleo pesado até a superfície.

Trabalhos envolvendo estudos em aço inoxidável vêm aumentando

proporcionalmente com as mais recentes descobertas nos mais diversos campos da ciência e

tecnologia. Assim, estudos para avaliação da molhabilidade de aço inoxidável vêm ganhando

destaque no cenário mundial. A molhabilidade é uma propriedade utilizada para avaliar a

relação de hidrofilicidade e/ou hidrofobicidade de um dado material, através de medidas de

ângulo de contato. As pesquisas nesta área aumentaram bastante no mundo inteiro, visando

observar a molhabilidade do aço inoxidável em tubulações para escoamento de petróleo

pesado, como forma de diminuir as perdas de carga geradas pelo acúmulo deste tipo de óleo

nas paredes dos tubos revestidas com este material (Santos, 2003).



O interesse das companhias de petróleo por reservas de óleos pesados vem

apresentando crescente aumento durante as últimas décadas. As propriedades reológicas

destes óleos, no entanto, impedem o seu transporte em sistemas convencionais de fluxo.

Nestes sistemas, as perdas de carga geradas pela alta viscosidade dos óleos pesados podem ser

reduzidas a valores comparáveis ao fluxo monofásico aquoso.

Ao longo do tempo, reservatórios de petróleo vão diminuindo sua produção, não só

pela redução do volume de óleo no reservatório e queda de pressão, mas também pela

mudança gradual das propriedades físico-químicas do óleo, por exemplo, viscosidade e

densidade. Esta mudança dificulta o escoamento do óleo contido no reservatório até os

tanques de armazenamento; desta maneira, sua produção se torna cada vez mais difícil e gera

um alto custo de produção. A partir deste problema surge a necessidade do desenvolvimento

de tecnologias que permitam melhorar o escoamento e transporte, reduzindo os custos de

operação, viabilizando a produção de óleo no reservatório (Santos et al., 2007).

Diante disto surge o transporte através de sistemas contendo tensoativos, que

reduzem as tensões interfaciais, facilitando o escoamento do óleo através do duto e reduzindo

as perdas de carga por atrito.

Como é importante que o fluido escoe no duto sem interagir com suas paredes, neste

trabalho sistemas contendo tensoativos foram utilizados visando avaliar suas interações com

as paredes de dutos revestidos por aço inoxidável.

A presente dissertação divide-se em sete capítulos. Neste primeiro capítulo,

apresenta-se uma introdução geral descrevendo o desenvolvimento tecnológico devido à

globalização do planeta e como consequência a busca por novos materiais que apresentem

diferentes características para diversas aplicações do cotidiano. Dentro deste contexto destaca-

se o aço inoxidável pelas diversas aplicações e características. É abordado o problema do

transporte de petróleo pesado nas tubulações, que ficam incrustadas por este tipo de óleo.

Enfatizando que uma possível solução para diminuir este problema seria a injeção de uma

solução de tensoativos na tubulação de petróleo, ajudando a melhorar o escoamento. Este

capítulo finaliza-se com a idéia de que para ocorrer um bom escoamento são necessários

estudos de molhabilidade de tensoativos em aço inoxidável através de medidas de ângulo de

contato.

No Capítulo 2 descrevem-se tópicos em relação à molhabilidade de superfícies,

tensoativos e aços inoxidáveis, tais como: definição de molhabilidade e ângulo de contato,



classificação e propriedades dos tensoativos e definição e características dos diferentes tipos

de aço inoxidável.

No Capítulo 3 estão listados alguns trabalhos encontrados na literatura relacionados à

molhabilidade de superfícies.

No Capítulo 4 é apresentada a metodologia experimental utilizada para o

desenvolvimento experimental e obtenção dos resultados, relacionando os equipamentos e

reagentes que foram empregados no decorrer do trabalho.

No Capítulo 5 são apresentados os resultados e discussões, mostrando os gráficos e

análise dos dados obtidos experimentalmente.

No Capítulo 6 são apresentadas as conclusões deste trabalho.

No Capítulo 7 são apresentadas as referências bibliográficas utilizadas na construção

e elaboração deste trabalho.

CAPÍTULO 2 ASPECTOS TEÓRICOS

Capítulo 2 – Aspectos teóricos 6


Aspectos teóricos

Neste capítulo descrevem-se os tópicos relacionados à molhabilidade de superfícies,

tensoativos e aços inoxidáveis, tais como: definição de molhabilidade e ângulo de contato,

classificação e propriedades dos tensoativos e definição e características dos diferentes tipos

de aço inoxidável.

2.1. Molhabilidade

A molhabilidade é a capacidade que um líquido tem de aderir-se, sob a forma de uma

gotícula, a uma superfície sólida, em um meio inerte, gás ou líquido; desta forma, quanto

maior a aderência, maior a área de contato da gotícula com a superfície e, consequentemente,

melhor a molhabilidade do líquido na superfície.

Craig (1971) apud Silva (2003) definiu que a molhabilidade é a tendência que um

fluido tem de espalhar-se ou aderir-se sobre uma superfície sólida na presença de outro fluido

imiscível, sendo os dois fluidos, por exemplo, óleo e água. Santos (2003) definiu que a

molhabilidade reflete a afinidade relativa entre a superfície e as duas fases fluidas imiscíveis.

Para melhor retratar as características superficiais de um sólido, indicando sua

hidrofilicidade, a molhabilidade de uma superfície é uma propriedade extremamente importante a

se determinar. Logo, para determinar e quantificar a molhabilidade de superfícies o método

mais fácil e prático utilizado é o da medida do ângulo de contato. Segundo Santos (2003) há

registros na literatura de uma grande variedade de técnicas experimentais para determinar a

medida de ângulo de contato, porém em todas elas o ângulo de contato é determinado através

da avaliação da força de interação entre as fases. Quando a interação entre o líquido e a

superfície sólida é "fraca", a superfície mostra baixa molhabilidade e o ângulo de contato

medido na fase externa ao líquido é alto. Na situação inversa, quando a interação é "forte", a

molhabilidade é alta.

Baseado no princípio de minimização de energia livre pode-se utilizar a

Termodinâmica Interfacial para fazer uma descrição rigorosa do equilíbrio estabelecido no

sistema formado entre o líquido e a superfície do sólido. Sendo assim, a molhabilidade de



uma superfície sólida pode ser representada pela equação de Young. A equação de Young tem

origem teórica na análise mecânica das forças resultantes sobre a linha de contato entre as três

fases coexistentes no equilíbrio, mas tem sido rigorosamente derivada com base em princípios

termodinâmicos. Sua confirmação prática, porém, é impedida devido à impossibilidade da

determinação experimental direta das tensões interfaciais sólido-fluido (Santos, 2003). Ainda,

segundo o autor, quando uma gota é depositada sobre uma superfície sólida, a sua forma final

dependerá da magnitude relativa das forças coesivas, entre as moléculas do líquido, e das

forças de adesão, entre o líquido e o sólido.

Segundo Bernardes (2008), existem vários métodos utilizados para determinar a

hidrofobicidade (grau de rejeição à água) de uma superfície. Dentre os métodos citados,

temos: adesão microbiana a hidrocarbonetos, a cromatografia de interação hidrofóbica, a

adesão a superfícies hidrofóbicas, agregação por adição de sais, partição hidrofóbica num

sistema aquoso bifásico e a medida do ângulo de contato. No entanto, o único método que

permite determinar um valor quantitativo da hidrofobicidade é a medida do ângulo de contato,

pois os demais fornecem apenas um valor relativo para comparação entre microrganismos ou

superfícies.

Hirasaki (1991) apud Silva (2003) argumentou que a molhabilidade pode ser

determinada pela espessura do filme de água. Segundo a autora, que realizou estudos da alteração

da molhabilidade de superfícies internas de tubulações utilizadas no transporte de óleos pesados

via core-flow (técnica utilizada para tornar a produção e o transporte de óleos pesados através de

dutos técnica e economicamente viável, formando uma camada de água ao redor de um núcleo de

óleo pesado no duto), variações na molhabilidade são frequentemente relatadas pela presença ou

ausência de um filme de água entre o óleo e a superfície sólida. Citando Kaminsky e Radke

(1997), que atribuíram importância fundamental ao filme aquoso na prevenção da molhabilidade

da superfície sólida pelo óleo, a autora relatou em seus estudos que, segundo estes autores, a

presença de um fino filme aquoso ajuda a prevenir o contato entre o óleo cru e a superfície,

restringindo o fenômeno de inversão da molhabilidade.

A molhabilidade de um sólido é influenciada pela natureza química, pelo perfil e

heterogeneidade química da superfície, sendo que a última atua de forma conjunta com a

rugosidade (Aquino, 2006).

Segundo Cazabat (1987) apud Wolf (2006), o efeito da molhabilidade observada no

espalhamento espontâneo de uma gota sobre uma superfície, na penetração de um líquido

num meio poroso ou no deslocamento imiscível de um fluido por outro, é o resultado das



interações intermoleculares existentes entre ambos os fluidos (por exemplo, líquido e seu

próprio vapor) e o substrato sólido, e, deste modo, pode ajudar a caracterizar superfícies e

determinar informações sobre a interação fluido-sólido.

Assim, para determinar a molhabilidade de um dado material tem-se o seguinte

parâmetro: quanto menor o ângulo de contato maior a molhabilidade, isto é, mais o líquido

molha a superfície sólida em contato, conforme mostrado na Figura 2.1.

Figura 2.1. Comportamento da molhabilidade através de medidas de ângulo de contato.

Determinando-se o ângulo de contato entre o líquido e a superfície sólida, temos que:

se o ângulo fica entre 0º e 90º, diz-se que o líquido molha a superfície do sólido, e se ficar

entre 90º e 180º, considera-se que o líquido não molha o sólido.

De acordo com van Oss e Giese (1995) apud Bernardes (2008), quando a

molhabilidade é determinada para a água, o ângulo formado será relacionado à

hidrofobicidade da superfície. Assim, ângulos inferiores a 50º indicam uma superfície

hidrofílica e ângulos superiores a 50º, hidrofóbicas.

2.2. Ângulo de contato

O ângulo de contato é o ângulo que permite avaliar a molhabilidade de um material

através da adição de volumes considerados de líquido sobre sua superfície. A análise



tangencial da gota de líquido em relação à superfície permite avaliar o grau de interação entre

o fluido e a superfície sólida. O ângulo de contato entre uma gota de um líquido e uma

superfície sólida vai depender da relação entre as forças adesivas, que fariam a gota se

espalhar sobre a superfície, e as forças coesivas do líquido, que contraem a gota na forma de

uma esfera com superfície mínima. Caso a gota repouse sobre uma superfície homogênea

nivelada de forma perfeita, o ângulo de contato depende das tensões entre o líquido e a

superfície sólida em qualquer ponto da linha que separa fases sólidas e líquidas, bem como

das tensões entre o sólido e a fase de vapor (Coutinho, 2007), conforme representado na

Figura 2.2, considerando o contato entre as três fases, sólida, líquida e gasosa.

Figura 2.2. Representação das tensões superficiais a partir do ângulo de contato.

No equilíbrio, as tensões superficiais são representadas pela equação de Young

[Equação (1)].

(1)



Na Equação (1) fica estabelecida a definição termodinâmica do ângulo de contato, Ө,

através das tensões superficiais. Quando há expansão do líquido, o ângulo de contato é maior

(ângulo de contato avançando) do que quando a gota fica contraída (ângulo de contato se

retraindo). Neste caso, a histerese do ângulo de contato, medida como a diferença entre os

ângulos de contato avançando e retraído, é interpretada como uma sequência de

heterogeneidades geométricas e de energias superficiais do sólido. Para Morra et al. (1990)

apud Coutinho (2007), uma característica importante que fornece informações sobre a

molhabilidade é a existência da histerese do ângulo de contato, a qual fornece correlações

entre a energia, rugosidade e heterogeneidade das superfícies. Tanto a medida quanto a

interpretação do ângulo de contato é encarado como um tema de profunda complexidade.

Durante certo tempo, houve muita controvérsia sobre o real significado dos ângulos de

contato e até que ponto este parâmetro poderia ser considerado uma propriedade

termodinâmica. Os autores salientam que, com a possibilidade de se medir os ângulos de

contato e com os avanços ocorridos na teoria da físico-química de interfaces, é possível

entender melhor a relação entre o ângulo de contato e a molhabilidade. A molhabilidade é

uma função complexa das propriedades do sólido e do fluido. Grandes variações no ângulo de

contato podem ser obtidas por uma seleção apropriada de pares de fluidos ou sólidos.

Segundo Curbelo (2006), uma questão importante sobre a equação de Young é que

em sua dedução foi empregado um sistema ideal, em que não foram considerados diversos

fatores que modificam os ângulos e os diferem dos valores previstos, como por exemplo: a

rugosidade, que possui a tendência de afastar o ângulo de contato ainda mais do valor de 90º;

a heterogeneidade, onde sólidos com diferentes elementos apresentam variações na tensão

interfacial; na contaminação e na mobilidade das superfícies. Além disso, também não se

levaram em conta as propriedades do líquido, como a composição, a viscosidade e a adição de

agentes tensoativos, que modificam a tensão interfacial entre líquidos.

De acordo com Aurenty et al. (1997) apud Coutinho (2007), o ângulo de contato é

um parâmetro importante que determina a qualidade do umedecimento de um sólido por um

líquido. Quando este parâmetro alcança um valor constante para uma determinada situação, o

equilíbrio termodinâmico na interface é obtido. Assim, diversas teorias sobre o ângulo de

contato têm sido propostas. O equilíbrio entre as forças atrativas entre as partículas do fluido e

as do sólido faz com que o fluido forme um determinado ângulo com o sólido. Segundo o

autor: “não se pode negar que a medida e a interpretação dos ângulos de contato são assuntos

de extrema complexidade, mas através do desenvolvimento de técnicas experimentais e



proposta de modelos teóricos é possível entender os mecanismos envolvidos e correlacionar o

ângulo de contato com a superfície e até mesmo com a limpeza da superfície do material”.

Para Bernardes (2008), a determinação das energias livres de superfície pode ser

realizada pela medição do ângulo de contato, que é um método clássico e que permite medir a

interação entre uma superfície e um determinado líquido. Para o uso desta técnica os sólidos

devem ser planos, lisos e homogêneos.

A técnica universal utilizada para determinar a hidrofobicidade de materiais é a

medição de ângulos de contato. Para se poder aplicar esta técnica os sólidos têm que ser

planos, lisos e homogêneos. Por vezes é necessário preparar previamente a superfície para que

esta adquira as características necessárias para a boa execução da técnica (Fowkes et al., 1980

apud Chaves, 2004).

Segundo Bartell e Zuidema (1936) apud Silva (2003), para realização das medidas de

ângulo de contato, a superfície sólida deve ser exposta ao ar ou ao líquido dependendo do que

se quer medir. Se o interesse for no ângulo de contato entre sólido-líquido-ar, a superfície

sólida deve estar exposta ao ar; se o interesse for no ângulo de contato interfacial entre dois

líquidos, a superfície sólida deve estar imersa em um dos líquidos.

Para Neumann e Good (1972) apud Coutinho (2007), o ar do laboratório deve estar

limpo e todas as fontes de vapores de óleo devem ser evitadas. Além disso, os ângulos de

contato devem ser medidos à temperatura ambiente (20 – 22ºC) de modo que as tensões

superficiais dos líquidos testados não variem durante o experimento.

Existem vários métodos para a medição do ângulo de contacto líquido/sólido. O

método mais fácil de utilizar é o da gota séssil (Busscher, 1984 apud Chaves, 2004).

2.2.1. Influência da rugosidade

Nakae et al. (1998) mostraram, através de modelos matemáticos e de medidas de

ângulo de contato, que a molhabilidade é influenciada pela rugosidade da superfície.

Wenzel (1936) analisou a influência da rugosidade da superfície sobre o ângulo de

contato aparente. Sua idéia partia da premissa de que “numa unidade de área superficial

(rugosa) há mais área e, portanto, há uma maior intensidade de energia de superfície, do que

na mesma unidade de área de superfície lisa”. Diante disso, surgiu uma equação que



atualmente é conhecida como equação da contribuição real de Wenzel, representada pela

Equação (2):

(2)

Onde WӨ é o ângulo de Wenzel e R é o chamado fator de rugosidade, que relaciona

a área superficial real à geométrica.

O efeito da rugosidade é o de aumentar as características de molhabilidade do sólido,

isto é, o ângulo de Wenzel aumenta com o acréscimo da rugosidade se o ângulo de Young for

superior a 90º e diminui se for inferior a 90º. Além da rugosidade do material, existem outros

fatores que podem causar histerese nas medidas do ângulo de contato: a penetração do líquido

no sólido, especialmente se este for muito poroso, o embebimento do sólido pelo líquido e a

presença de impurezas (Morra et al., 1990 apud Coutinho, 2007).

Para Coutinho (2007), a molhabilidade depende da rugosidade das superfícies. É

importante descrever esta propriedade e definir os parâmetros de quantificação. A rugosidade

é uma importante propriedade no que tange aos fenômenos superficiais, pois possibilita

quantificar o aumento da área superficial, afeta o coeficiente de atrito e proporciona a

retenção mecânica de materiais estranhos. Assim, o autor observou, através dos experimentos

de McDonald et al. (1998), que o aumento da rugosidade do titânio induz à formação de uma

superfície mais hidrofílica, ou seja, o efeito da rugosidade é o de aumentar a molhabilidade do

sólido.



2.3. Tensoativos

2.3.1. Definição

Os tensoativos, também chamados de surfactantes, são substâncias que diminuem a

tensão superficial ou influenciam a superfície de contato entre dois líquidos, adsorvendo-se

nas interfaces líquido-líquido, líquido-gás e sólido-líquido.

São compostos orgânicos que apresentam em sua constituição moléculas anfifílicas,

contendo partes polares (cabeça) e apolares (cauda), com propriedades de atividade

superficial. São substâncias que possuem moléculas na qual uma das metades tem maior

afinidade por água (grupos polares – hidrofílicos) e a outra maior afinidade por óleo (grupos

apolares – hidrofóbicos), como mostra a Figura 2.3.

Figura 2.3. Molécula de tensoativo.

2.3.2. Objetivo do tensoativo

Os tensoativos têm como principal objetivo agir como conciliador entre compostos

sem afinidade, pela alteração da tensão superficial.

Esta definição é comum sempre que se fala sobre os efeitos de tensoativos. Segundo

os conceitos envolvidos e a área de aplicação, existem inúmeras classificações e



nomenclaturas para um tensoativo, de acordo com o principal efeito observado. Há nomes

diferentes para classificar um mesmo efeito, conforme mostra a Tabela 2.1.

Tabela 2.1. Classificação dos tensoativos.

Classificação dos tensoativos

Emulgador Surfactante Espumante

Dispersante Desengraxante Espalhante

Umectante Lubrificante Emoliente

Detergente Antiestático Penetrante

Antiespumante Amaciante Solubilizante

Qualquer que seja a classificação, o efeito que se observa é o de conciliação entre

compostos sem afinidade, quer sejam líquidos imiscíveis, sólidos e líquidos, líquidos e gases

ou gases e sólidos.

2.3.3. Grupos polares e apolares presentes no tensoativo

Dentre os grupos apolares presentes na molécula, destacam-se as cadeias carbônicas

com mais de 10 átomos de carbono e os anéis aromáticos, como mostra a Figura 2.4.

Figura 2.4. Cadeia carbônica com mais de 10 carbonos e anel aromático.



Quanto aos grupos polares pode-se destacar, conforme a Tabela 2.2.

Tabela 2.2. Grupos polares.

Grupos polares Grupo funcional

Hidroxilas - OH

Aminas - NH2

Carboxilas - COO-

Sulfônicos - SO3

Sulfatos - SO3-

Alcoxilados - (OCH2CH2)n-OH

Nos grupos polares iônicos a afinidade com água provém da presença de cargas na

molécula, e nos grupos polares não-iônicos a afinidade com água provém da formação de

pontes de hidrogênio com a porção hidrófila.

2.3.4. Mecanismo de ação dos tensoativos

Um tensoativo, devido à dupla característica de afinidade presente na molécula,

tende a se concentrar na interface de um sistema. Quando em baixas concentrações, a

molécula com a parte hidrofílica orienta-se voltada para água, e a parte hidrofóbica orienta-se

voltada para o ar ou outra substância que tenha pouca afinidade com a água, como um

pigmento, como mostra a Figura 2.5.



Figura 2.5. Orientação dos tensoativos na interface de um sistema.

Esta característica de orientação da molécula é a principal diferença dos tensoativos

em relação a outros solutos, como os sais inorgânicos, que tendem a se distribuir igualmente

por toda a solução.

2.3.5. Classificação dos tensoativos

Os tensoativos podem ser classificados de acordo com a natureza do grupo

hidrofílico após disposição da molécula neutra em solução aquosa: Iônicos (catiônicos,

aniônicos e anfóteros) e não-iônicos. A Figura 2.6 expressa, de forma esquemática, esta

classificação.



Figura 2.6. Representação esquemática dos tipos de tensoativos.

2.3.5.1. Iônicos

2.3.5.1.1. Catiônicos

São agentes tensoativos que possuem um ou mais grupamentos funcionais que, ao se

ionizarem em solução aquosa, fornecem íons orgânicos carregados positivamente. Os

principais representantes desta classe são os sais quaternários de amônio.

2.3.5.1.2. Aniônicos

São agentes tensoativos que possuem um ou mais grupamentos funcionais que, ao se

ionizarem em solução aquosa, fornecem íons orgânicos carregados negativamente e que são

responsáveis pela tensoatividade. Exemplos típicos são os sabões, os amino-compostos e os

compostos sulfatados, sulfonados e fosfatados.



2.3.5.1.3. Anfóteros

São agentes tensoativos caracterizados por apresentarem, na mesma molécula,

grupamentos positivo e negativo, ou seja, possuem duplo caráter iônico. O grupamento

positivo é, normalmente, representado por um grupo de nitrogênio quaternário e o negativo

por um grupo carboxilato ou sulfonato. Esses compostos, quando em solução aquosa, exibem

características aniônicas ou catiônicas dependendo das condições de pH da solução. Os

tensoativos anfóteros mais comuns incluem, N-alquil e C-alquil betaína e sultaína como

também álcool amino fosfatidil e ácidos.

Esse composto, quando em solução aquosa, exibe características aniônicas,

catiônicas ou não-iônicas dependendo das condições de pH da solução (Moura, 1997 apud

Fernandes, 2005).

pH < 4 → atuam como catiônicos

pH de 4 a 9 → não-iônicos

pH de 9 a 10 → atuam como aniônicos

2.3.5.2. Não-iônicos

São agentes tensoativos caracterizados por possuírem grupos hidrofílicos sem cargas

ligados à cadeia graxa. Apresentam-se como moléculas não dissociadas em solução aquosa e

sua solubilidade média se deve à presença de grupos hidróxi ou polioxietilênicos contidos na

estrutura (Attwood e Florence, 1983 apud Curbelo, 2006).

São agentes emulsificantes com grupamento hidrofílico proveniente do glicol e

lipofílico oriundo do ácido graxo, sendo utilizados normalmente como emulsionantes

auxiliares, dispersantes, agentes de consistência, opacificantes e perolizantes. Possuem um

alto poder de redução da tensão superficial e interfacial e baixos poderes de detergência e

espuma.

Alguns tensoativos não-iônicos são utilizados como solubilizantes de fragrâncias,

citando-se como exemplos, os álcoois laurílicos etoxilados. Com graus de etoxilação entre 6 e

9 os álcoois laurílicos possuem também boa detergência e reduzido volume de espuma, o que

os torna úteis em produtos para limpeza facial. São bastante suaves e biodegradáveis,

apresentando também boa tolerância à dureza da água. Tensoativos não-iônicos também



podem ser utilizados como agentes de consistência, destacando-se o álcool cetoestearílico

etoxilado com 20 mols de óxido de etileno, normalmente utilizado em conjunto com o

material de partida de sua síntese (álcool cetoestearílico não etoxilado) em condicionadores

capilares e cremes diversos.

Um grande grupo de compostos que representa estes tensoativos é obtido pela

condensação de moléculas de óxido de etileno, como mostra a reação abaixo:

H3C – (CH2)10 – CH2 – OH + 8H2C – CH2 => H3C – (CH2)10 – CH2 – (OCH2CH2)8 – OH

O

Álcool laurílico Epóxido Etoxilato

Óxido de etileno Molécula com maior afinidade por água

2.3.6. Propriedades dos tensoativos

2.3.6.1. Micelização

As micelas são agregados moleculares, de tamanho coloidal, em equilíbrio com as

moléculas de monômeros das quais são formadas (DelNunzlo, 1990).

Em soluções aquosas os monômeros de tensoativos orientam-se preferencialmente na

interface, de modo que as cabeças polares estejam direcionadas para a solução e as caudas

apolares orientadas para o ar, reduzindo a tensão interfacial. À medida que se eleva a

concentração de tensoativo no diluente, ocorre uma saturação da interface, permitindo que os

monômeros iniciem a formação espontânea das micelas, as quais se encontram em

permanente equilíbrio dinâmico, como mostra a Figura 2.7.



1 - Formação de filme interfacial 2 - Formação de micela

Figura 2.7. Representação esquemática de agregação molecular em solução aquosa.

Forças eletrostáticas concentram compostos hidrofílicos junto à superfície de micelas

e os compostos lipofílicos podem ser solubilizados em seu interior. Quando utilizados na

tecnologia doméstica são geralmente chamados de emulsificantes, ou seja, substâncias que

permitem conseguir ou manter a emulsão.

As micelas são geralmente esféricas; contudo, estas estruturas podem ser elipsoides,

cilíndricas e em camadas. O formato e o tamanho destas é função da geometria molecular dos

tensoativos, bem como das condições da solução, tais como: concentração, temperatura, pH e

força iônica.

Estes agregados variam entre 0,1 e 0,001 micrômetros de diâmetro formando

soluções coloidais. As micelas se mantêm em constante e aleatório movimento, graças à

repulsão entre elas por causa das cargas elétricas.

A associação de moléculas de surfactantes ocorre para que haja uma diminuição da

área de contato entre as cadeias hidrocarbônicas do tensoativo e a água ou outro composto

polar, o chamado efeito hidrofóbico.

O processo de formação dos agregados ocorre num intervalo pequeno de

concentrações, e pode ser detectado pela variação brusca produzida em determinadas

propriedades físico-químicas da solução, em função da concentração do tensoativo. Assim,

com a formação de micelas, várias propriedades físicas da solução são afetadas, como mostra

a Figura 2.8.



Figura 2.8. Propriedades afetadas pela formação de micelas.

As micelas podem ser formadas de fosfolipídeos (lipídeos complexos), por exemplo,

onde a parte polar ou hidrofílica fica rodeada de água, e a parte apolar ou hidrofóbica (caudas

hidrocarbonadas), ficam sequestradas no interior.

Em solução aquosa com tensoativo, esta distorção da água pelo grupo liofóbico

(hidrofóbico) do tensoativo resulta no aumento da energia livre do sistema. Quando este é

dissolvido, o trabalho necessário para trazer uma molécula tensoativa para a superfície é

menor do que aquele relativo a uma molécula de água. A presença do tensoativo diminui o

trabalho necessário para criar uma unidade de área de superfície (superfície de energia livre

ou tensão superficial), segundo Santos et al. (2007).

Em um agregado iônico, em meio aquoso, a parte hidrofóbica do tensoativo se

agrupa no interior da micela de forma a se ter um mínimo de superfície em contato com a

água, enquanto que as extremidades polares ficam dirigidas para o meio aquoso; esta estrutura

é denominada como micela direta. Quando ocorre o contrário, em meio apolar, as cabeças

polares ficam voltadas para o centro e as cadeias carbônicas voltadas para o meio, de forma

que a estrutura gerada é denominada micela inversa, como mostra a Figura 2.9.



Figura 2.9. (a) micela inversa e (b) micela direta.

2.3.6.2. Concentração micelar crítica (c.m.c.)

A concentração micelar crítica (c.m.c.) é a concentração a partir da qual os

tensoativos iniciam o processo de micelização, ou seja, é a menor concentração onde ocorre a

formação de micelas de um tensoativo. Para uma certa temperatura abaixo da c.m.c., o

tensoativo está predominantemente na forma de monômeros; quando a concentração está

acima, porém próxima da c.m.c., existe um equilíbrio dinâmico entre monômeros e micelas.

A Figura 2.10 apresenta a formação das micelas no gráfico de tensão superficial versus

concentração do tensoativo, onde é possível observar cada região.



Figura 2.10. Representação esquemática de ação dos tensoativos.

A adição de tensoativos à água tende a saturar todas as interfaces (situações B e C),

de modo que a partir da concentração micelar crítica (c.m.c.) há a saturação do meio e a

formação de micelas (situação D).

De acordo com Lopes (2003), em concentrações acima da c.m.c., as micelas possuem

um diâmetro entre 3-6 nm o que representa de 30-200 monômeros.

2.3.6.2.1. Fatores que afetam a concentração micelar crítica (c.m.c.)

A concentração micelar crítica (c.m.c.) é influenciada basicamente por três fatores,

que estão diretamente relacionados com certas características da estrutura dos tensoativos,

efeitos de temperatura e força iônica.

Segundo Mukeejee (1967) apud Curbelo (2006), a regra geral para os tensoativos

iônicos é que o aumento de um grupo metileno a uma determinada molécula pode reduzir à

metade o valor da c.m.c. inicial; entretanto, para cadeias com mais de 16 átomos de carbono

este feito não é tão apreciável, devido ao efeito espiral que acontece na cadeia quando em

solução.



De acordo com Shinoda et al. (1963) apud Curbelo (2006), um efeito ainda mais

pronunciado é verificado para os tensoativos não-iônicos, onde o acréscimo de um grupo CH2

à molécula causa o decréscimo da c.m.c. até, aproximadamente, um terço do valor inicial.

Há uma diferença pronunciada entre a c.m.c. de tensoativos iônicos e não-iônicos

possuidores de regiões hidrofóbicas idênticas. Os menores valores de c.m.c. dos tensoativos

não-iônicos são explicados em termos da ausência de trabalho elétrico necessário à formação

das micelas (Curbelo, 2006).

2.3.6.3. Balanço hidrofílico/lipofílico (BHL)

O balanço hidrofílico/lipofílico (BHL) pode ser definido como um número associado

à molécula de tensoativo que expressa à relação entre grupos polares e apolares da molécula

existentes na estrutura da molécula, como mostra a Figura 2.11. Para isto, uma escala foi

introduzida para caracterizar os tensoativos não-iônicos utilizando, como grupo hidrofílico, o

óxido de etileno. A predominância de uma destas partes dará à molécula anfifílica

características específicas e determinará os tipos de aplicações de cada uma (Berthod, 1983

apud Curbelo, 2006).

Figura 2.11. Representação dos tensoativos de baixo e alto BHL.

A representação gráfica mostra, proporcionalmente, os tamanhos da cadeia lipofílica

e hidrofílica. Um tensoativo de alto BHL possui uma molécula mais etoxilada (maior cadeia

hidrófila) do que em um tensoativo de baixo BHL.

Griffin (1949) introduziu a noção de BHL, estabelecendo, assim, e pela primeira vez,

um sistema para classificar, numericamente, as propriedades hidrófilas e lipófilas das



substâncias tensoativas. Os valores de BHL estão compreendidos entre 1 e 50, aumentando à

medida que a substância torna-se mais hidrófila (Lopes, 2003).

O BHL é um sistema empírico em que o número é obtido por meio de cálculos a

partir da estrutura da molécula. Apesar de orientar a escolha do tensoativo mais adequado,

não é o único fator que influencia. Existem outros, como a estrutura do substrato, as

condições do meio, a temperatura, etc., que também são decisivos na escolha do tensoativo

mais apropriado.

2.3.6.3.1. Aplicação do BHL

O objetivo de se determinar o BHL é economizar tempo na seleção de tensoativos

para se atingir os efeitos desejados. Basicamente utiliza-se um tensoativo de BHL próximo ou

igual ao BHL requerido (número no qual, por exemplo, uma emulsão tem a sua maior

estabilidade) para estabilizar o sistema escolhido. O critério de se utilizar BHL permite usar

uma concentração menor de tensoativo e obter um sistema mais estável.

De acordo com a aplicação e as faixas de BHL, podemos escolher os tensoativos

mais apropriados, como mostra a Tabela 2.3.

Tabela 2.3. Faixas de BHL e suas aplicações.

Faixa de

BHL Aplicação

Nonilfenóis etoxilados

(mols de óxido etoxilado)

Álcoois laurílicos etoxilados

(mols de óxido etoxilado)

4 - 6 Emulsificante A/O 1,8 -

7 - 9 Umectante 4,0 2 a 3

8 - 19 Emulsificante O/A 4 a 40 3 a 23

13 - 15 Detergente 9,5 a 15 9

10 - 18 Solubilizante 5 a 40 6 a 23

Fonte: Curbelo, 2006.



O valor 20 corresponde a um percentual de 100% de caráter hidrofílico. Um

tensoativo com BHL igual a 10 tem as frações em peso das partes hidrofílica (óxidos de

etileno) e hidrofóbica iguais, ou seja, tem igual afinidade tanto pelo o óleo quanto pela água.

Nos casos em que é necessário obter um efeito emulgador para água em óleo (dispersão de

água em um meio oleoso) a faixa ideal de BHL é de 4 a 6; para o efeito umectante, o ideal é

de 7 a 9, e analogamente para os demais efeitos.

Para tensoativos iônicos, Davies e Rideal (1963) propuseram um método alternativo

de estimativa do BHL, adicionando uma propriedade intrínseca a cada grupo presente na

molécula (Curbelo, 2006). O valor do BHL é, então, calculado pela Equação (3):

(3)

Em que: Hi e Li são os valores dos grupos funcionais hidrofílico e lipofílico

(hidrofóbico), respectivamente. Alguns exemplos destes valores estão mostrados na Tabela

2.4.

Tabela 2.4. Valores dos grupos hidrofílicos e lipofílicos usados no cálculo do BHL

Grupo hidrofílico Hi Grupo Lipofílico Li

- OCH2CH2 0,33 - OCH2CH2CH2 - 0,150

- O - (éter) 1,28 - CH = 0,475

- CO2H 2,1 - CH2 - 0,475

- CO2R (éster livre) 2,4 - CH3 0,475

- N = (amina terciária) 9,4 - OCH2CH2CH2CH2 0,620

- SO3-Na+ 11,1 - CF2 - 0,870

- CO2-Na+ 19,1 - CF3 0,870

CO2-K+ 21,1

SO4-Na+ 38,7

Fonte: Curbelo, 2006.



2.3.6.4. Ponto de Krafft

Krafft (1895) mostrou que a solubilidade de um agente tensoativo iônico aumenta

rapidamente sob condições definidas de temperatura e energia térmica necessárias para

destruição dos cristais e formação de micelas. Esta temperatura em que ocorre a solubilização

do tensoativo é definida como temperatura de Krafft (Lopes, 2003).

De acordo com a Figura 2.12, verifica-se que em baixas concentrações e acima da

temperatura de Krafft, tem-se uma solução de monômeros (Zona II). A baixas concentrações,

entretanto, abaixo da temperatura de Krafft, tem-se o tensoativo hidratado sob a forma de

precipitado (Zona I) e para concentrações mais elevadas e acima da temperatura de Krafft

verifica-se a formação de soluções micelares (Zona III).

Figura 2.12. Diagrama de fase de um tensoativo iônico próximo ao ponto de Krafft.

Segundo Silva (2008), a temperatura de Krafft pode ser medida através de métodos

altamente eficazes, dentre eles o método espectrofotométrico ou turbidimétrico; entretanto,

devido à praticidade e a rapidez de determinação, o método visual vem sendo muito

difundido.



2.3.6.5. Ponto de turbidez

O ponto de turbidez é uma característica particular dos tensoativos não-iônicos.

Observa-se que, pela sua própria constituição, em função de parte hidrofílica (óxido de

etileno), sua afinidade por água diminui com o aumento da temperatura (Silva, 2008).

Por não apresentar o fenômeno de Krafft, os tensoativos não-iônicos podem ser

caracterizados pelo ponto de perturbação ou turbidez. Em uma determinada temperatura e

concentração, os tensoativos não-iônicos, em solução aquosa, apresentam um fenômeno de

separação em um ponto crítico (Lopes, 2003).

Segundo Silva (2008), este fato faz com que o tensoativo, ao atingir a temperatura de

turbidez em solução, promova uma separação de fases, sendo uma rica em tensoativo

(coacervato) e outra apresentando baixa concentração do mesmo (fase diluída). O mínimo da

curva T = f(C) é chamado ponto de turbidez ou ponto crítico de separação de fases (Figura

2.13). Nesta última, a concentração do tensoativo na fase é próxima à da c.m.c. do mesmo.

Figura 2.13. Curva de solubilidade para tensoativo não-iônico em função da temperatura.

O fenômeno do ponto de turbidez também é observado com o tensoativo anfótero

(Nilson et al., 1984 apud Lopes, 2003), mas o caso deste tensoativo é particular. Comparando



os seus diagramas binários em função da temperatura com os não-iônicos, verifica-se que no

primeiro a região bifásica está situada abaixo da curva de separação de fases e não acima; a

região monofásica está localizada acima da curva do ponto de turbidez. Os tensoativos

anfóteros apresentam o fenômeno de separação de fase diminuindo a temperatura e não

aumentando, como é o caso dos tensoativos não- iônicos.

2.3.6.6. Adsorção

O tensoativo tem a capacidade de adsorção nas interfaces ocasionando uma redução

significativa da tensão interfacial. O fator responsável por essa propriedade é a existência de

duas regiões com afinidades diferentes, as quais se direcionam segundo suas características. A

Figura 2.14 mostra a adsorção em diferentes situações, sendo elas: a) Interface ar/água, b)

Interface água/óleo, c) Formação de estrutura organizada, d) Adsorção sobre sólidos não

polares, e) Formação de bicamadas e f) Micelas.

Figura 2.14. Representação das atividades de moléculas anfifílicas.



2.3.6.7. Solubilidade

A propriedade fundamental do tensoativo é a presença de grupos solúveis em água e

óleo em sua molécula.

A solubilização em um meio micelar pode se dar por incorporação de um soluto

hidrofóbico no interior das micelas e por associação de um soluto anfifílico à micela. Assim, a

solubilidade total do tensoativo depende, então, não somente da solubilidade do material

monomérico, mas também da “solubilidade” das micelas. Uma representação esquemática da

relação temperatura/solubilidade de tensoativos iônicos é mostrada na Figura 2.15.

Figura 2.15. Relação de temperatura/solubilidade para tensoativos iônicos típicos.

O poder solubilizante do tensoativo é definido como a relação entre o número de

moles do solubilizado e o número de moles do tensoativo na forma micelar.



2.4. Aço inoxidável

O aço inoxidável é uma liga de ferro e cromo (>12%), podendo conter também

níquel, molibdênio, cobre, silício, titânio, nióbio e outros elementos, que apresenta

propriedades físico-químicas superiores aos aços comuns, sendo a alta resistência à oxidação

atmosférica e ao ataque de substâncias químicas agressivas as suas principais características.

Estes elementos de liga, em particular o cromo, conferem uma excelente resistência à

corrosão quando comparados com os aços carbono. As principais famílias de aços

inoxidáveis, classificados segundo a sua microestrutura, são: ferríticos, austeníticos,

martensíticos, endurecíveis por precipitação e Duplex. Esses aços são passivados na presença

de oxigênio ou até mesmo um agente oxidante bem fraco como a água. Passivação é o

recobrimento de uma superfície por uma camada de óxido fina e densa, a qual restringe

reações eletroquímicas e a dissolução do metal, ou seja, o processo de corrosão fica

cineticamente impedido (Silva, 2003). O aço inoxidável apresenta em sua superfície um

conjunto de óxidos, principalmente de cromo, ferro e níquel.

Segundo Santos (2003), é reconhecido que o aço inoxidável é normalmente

hidrofílico, então comportamento similar é esperado quando em contato com soluções de alto

ou baixo pH, situações em que ele adquire, respectivamente, carga negativa ou positiva. Esta

informação é de grande importância para a avaliação da estabilidade dos filmes aquosos em

sistemas óleo-solução aquosa-superfície sólida onde as forças da dupla camada elétrica

possam atuar.

O aço inoxidável pode ser produzido em diferentes graus e diferentes polimentos, de

acordo com a finalidade, o que influencia a adesão bacteriana em função das suas várias

microtopografias e propriedades físico-químicas. A principal diferença entre os graus

disponíveis comercialmente é sua composição relativa de ferro, cromo e níquel. Dentre os

vários tipos de aços inoxidáveis disponíveis, os mais utilizados são os do chamado grupo 18-

8, ou seja, que apresentam em sua composição, aproximadamente, 18 % de cromo e 8 % de

níquel. Deste grupo, as alterações do grau 300, por exemplo, 304 e 316, satisfazem à maioria

das necessidades da indústria de alimentos. O grau 304 é resistente à corrosão originada pela

maioria dos alimentos e agentes de limpeza, não apresenta problemas de manchas, é de fácil

higienização e relativamente barato. Em situações em que a possibilidade de corrosão é mais

intensa, como no caso de salmouras e alimentos muito ácidos, como o vinagre, deve ser



empregado o grau 316, que apresenta cerca de 10 % de níquel e 3 % de molibdênio. O aço

inoxidável difere também no acabamento da superfície, que pode variar de acordo com o

polimento empregado, classificando-se de 1, sem polimento, até 8, cuja superfície é

espelhada. O polimento mecânico e o eletropolimento são tratamentos adicionais que podem

ser feitos na superfície do aço inoxidável, os quais têm por objetivo reduzir a rugosidade

(Bernardes, 2008). Em geral, a indústria de alimentos utiliza o aço inoxidável 304 com

polimento 4 (Hayes, 1993 apud Bernardes, 2008).

CAPÍTULO 3 ESTADO DA ARTE

Capítulo 3 – Estado da arte 34


Estado da arte

Young (1805) afirmou que o equilíbrio das forças atrativas entre as partículas do

fluido e as do sólido faria com que o fluido formasse um determinado ângulo com o sólido.

Assim, a partir de seus estudos na área de molhabilidade, este fenômeno de superfície passou

a ser mais conhecido.

Silva (2003), através de medidas de ângulo de contato, caracterizou o comportamento da

molhabilidade de superfícies sólidas e a sua alteração em função de modificações físicas e

químicas. Ela observou que a rugosidade das superfícies pode contribuir para diminuição do

ângulo de contato. Com base nos seus resultados, pode-se dizer que aços com superfícies mais

rugosas poderão proporcionar uma maior eficiência no transporte de óleo pesado via core-fow.

Chaves (2004) utilizou uma placa de aço 316 para estudar a adsorção de meios de

cultura ricos em nutrientes por medidas de molhabilidade através de fluxos turbulento e

laminar. Todo o experimento foi realizado diretamente na superfície do aço sobre um suporte

de acrílico. Meios de culturas como carbono, nitrogênio e fósforo foram adicionados a um

sistema contendo água potável. Assim, através da técnica da molhabilidade, a autora avaliou a

eficiência de formação de um biofilme sobre a superfície de transporte de água potável. Para

realizar seus estudos ela fez a utilização de lavagem e desengorduramento do aço com

detergentes comerciais. Para obtenção dos ângulos de contato fez uso do goniômetro da Krüss

pelo método da gota séssil.

A fim de investigar os efeitos de asfaltenos e ácidos naftênicos sobre a superfície de

aço, Santos (2003) realizou estudos de molhabilidade sobre a superfície deste material. Em

seus estudos foram obtidas medidas de ângulo de contato estático para determinar o grau de

aderência do petróleo na superfície interna das tubulações. Através de montagem de aparato

especial, ele captou as imagens formadas pela gota de óleo na superfície de aço em meio

aquoso. Assim, pelo método de projeção de imagens, determinou os ângulos de contato pela

tangente da gota de líquido na superfície do aço. Ele concluiu que em sistema contendo fase

aquosa/superfície sólida, superfícies de aço são susceptíveis a alteração da molhabilidade



devido à presença de asfaltenos e ácidos naftênicos. Logo, por esta razão, superfícies

fortemente hidrofílicas estão menos sujeitas a alteração da molhabilidade.

Os ângulos de contato com água foram medidos em vários materiais (metais, ligas

metálicas e polímeros) por Krell (1967), o qual propôs uma relação empírica entre o ângulo

de contato e a profundidade média da rugosidade do sólido. Ele determinou que o ângulo de

contato da água com o aço inoxidável era de 50o e poderia ser aumentado para 90o, apenas

aumentando a rugosidade da superfície da ordem de 2 µm. O objetivo do trabalho foi

determinar um tratamento de superfície que produzisse total molhabilidade e que também

reduzisse os efeitos de quebra do filme líquido devido aos gradientes de tensão superficial.

Coutinho (2007) avaliou a influência da morfologia da superfície na molhabilidade

do titânio comercialmente puro. Em seus estudos ele confeccionou um cilindro de titânio

embutido em resina acrílica e o submeteu a lixamento mecânico até a lixa de 1200 grãos/cm2.

O cilindro foi lavado e imerso em etanol para limpeza de sua superfície. Através do

goniômetro da Ramé-Har, que utiliza uma câmera digital de alta velocidade para captar o

ângulo formado entre o líquido / interface sólido e o vapor / interface líquido, ele utilizou

amostras de sangue, água e solução NaCl 5% para avaliar a molhabilidade do cilindro de

titânio. Ele concluiu que:

a) Quanto à rugosidade, as amostras que apresentaram mesma rugosidade, porém

oriundas de ataques diferentes, apresentaram ângulos de contato diferentes,

provavelmente devido aos tipos de óxidos presentes.

b) Quanto à molhabilidade, comparando-se as amostras entre os grupos, observou-

se que somente o grupo polido apresentou diferença estatisticamente diferente no

ângulo de contato em relação aos grupos submetidos a ataque ácido, anodizados

e tratados com fluoretos.

c) As amostras submetidas à anodização, tanto em contato com a água destilada,

como com o NaCl e com o sangue, foram as que apresentaram maior

molhabilidade.

Bernades (2008) desenvolveu uma modelagem para adesão de células de Bacillus

cereus ao aço inoxidável em função do tempo e da temperatura e avaliou a influência da



rugosidade e da hidrofobicidade sobre a adesão em cupons-teste de aço inoxidável AISI 304

com grau de polimento 4, dimensões 10 mm x 10 mm x 0,5 mm. Foi observada uma pequena

diferença entre o critério qualitativo de avaliação da hidrofobicidade por meio da medição do

ângulo de contato com a água e o critério quantitativo de avaliação da hidrofobicidade obtido

por meio das tensões interfaciais medidas com auxilio do ângulo de contato de três líquidos

de polaridade diferentes. Não houve diferença (p>0,05) na rugosidade das superfícies de aço

inoxidável aderida com diferentes números de células de Bacillus cereus analisadas por

microscopia de força atômica (MFA) e perfilometria. O aumento do número de células

aderidas aos cupons não levou a um aumento da rugosidade da superfície.

Nicolaiewsky e Fair (1999) investigaram a influência do tratamento da superfície na

molhabilidade de placas metálicas e cerâmicas, lisas e texturadas, planas e enrugadas,

empregadas em colunas de destilação. Para tanto, utilizaram líquidos com propriedades físicas

diversas, a fim de que os efeitos da tensão superficial e da viscosidade pudessem ser

analisados. Foram realizadas medidas de ângulo de contato e de sua histerese, através da

técnica da Placa de Wilhelmy, onde se pendura uma placa de vidro (23,5mm x 0,2 mm) a

partir de um braço de uma balança e mergulha-se na solução estudada. Esta técnica mede os

ângulos de avanço e de retrocesso, através da medida de força e é função da profundidade de

imersão do líquido. Foi constatado pelos autores que quanto maior a rugosidade, melhor a sua

molhabilidade em relação a todos os líquidos testados.

CAPÍTULO 4 METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Capítulo 4 – Metodologia experimental 38


Metodologia experimental Este capítulo descreve os materiais e equipamentos, bem como a metodologia

empregada para o desenvolvimento do trabalho.

4.1. Reagentes

Neste trabalho foram utilizados três reagentes: KCl, água destilada e tensoativos não-

iônicos.

4.1.1. KCl

O KCl utilizado na determinação da molhabilidade do aço inoxidável foi obtido

comercialmente da empresa Cromato Produtos Químicos, com 99,9% de pureza e grau

analítico (PA).

4.1.2. Água

A água utilizada nas medidas de molhabilidade do aço inoxidável foi tipo destilada.

A mesma foi obtida do destilador do Laboratório de Tecnologia de Tensoativos (LTT), do

Núcleo de Petróleo e Gás (NUPEG), da Engenharia Química da UFRN.

4.1.3. Tensoativos

Todos os tensoativos utilizados foram do tipo não-iônico de duas famílias com graus

de etoxilação diferentes: cinco da família nonilfenol com graus de etoxilação diferentes,

denominados T1, T2, T3, T4 e T5 (Tabela 4.1) e quatro da família álcool laurílico com

diferentes graus de etoxilação, denominados T6, T7, T8 e T9 (Tabela 4.3). Estes tensoativos

foram obtidos comercialmente da empresa Oxiteno. Devido à distância de etoxilação entre os

tensoativos T4 e T5, foram realizadas misturas destes tensoativos, a fim de obter tensoativos



com graus de etoxilação intermediário a estes dois tensoativos. Os tensoativos sintetizados

foram denominados de T10, T11 e T12, com etoxilação de 60, 70 e 80 óxidos de etileno.

4.1.3.1. Tensoativos com anel aromático e etoxilados

São tensoativos obtidos através da reação de nonilfenol com óxido de etileno. Em

função do número de unidades de óxido de eteno (grau de etoxilação), obtêm-se produtos que

exibem diferentes valores de BHL (balanço hidrófilo-lipófilo), permitindo a escolha de um

produto para cada aplicação.

Este tensoativo pode ser representada pela seguinte fórmula geral:

A Tabela 4.1 mostra os tensoativos não-iônicos com anel aromático e etoxilados utilizados. Tabela 4.1. Especificações dos tensoativos não-iônicos com anel aromático e etoxilados.

Tensoativo Peso molecular

(g/mol) Balanço

hidrofílico/lipofílico Descrição química

T1 1100 16,4 Nonilfenol 20 óxidos de etileno T2 1232 17,1 Nonilfenol 23 óxidos de etileno T3 1540 17,1 Nonilfenol 30 óxidos de etileno T4 1980 17,8 Nonilfenol 40 óxidos de etileno T5 4620 19,0 Nonilfenol 100 óxidos de etileno

São tensoativos não-iônicos, cuja parte hidrófoba da molécula é proveniente de um

fenol e a parte hidrófila é resultante da cadeia de óxido de etileno.

Com o aumento do grau de etoxilação, aumenta-se a hidrofília da molécula (maior

BHL), alterando-se sua solubilidade em água, seu poder espumante, sua molhabilidade e

detergência, permitindo que tais produtos sejam utilizados como emulsionantes, detergentes,

solubilizantes, umectantes e desengraxantes.



A Tabela 4.2 mostra os valores de tensão superficial e ponto de turbidez para os

tensoativos não-iônicos com anel aromático e etoxilados acima da concentração micelar

crítica (c.m.c.) utilizados.

Tabela 4.2. Valores das tensões superficiais e pontos de turbidez para os tensoativos não-iônicos com anel aromático.

Tensoativo Tensão superficial (mN/m) Ponto de turbidez (ºC)

T1 41,35 90,5

T2 41,82 63,5

T3 48,22 64,5

T4 49,65 64,9

T5 54,69 96,5

OBS.: Valores de tensão superficial medidas à 25ºC.

4.1.3.2. Tensoativos de cadeia linear e etoxilados

São obtidos pela reação de álcool laurílico de origem natural com óxido de etileno.

Em função do grau de etoxilação, obtêm-se produtos que exibem diferentes valores de BHL

(balanço hidrófilo-lipófilo) e estado físico, permitindo assim a escolha de um produto para

cada aplicação.

Este tensoativo é representada pela seguinte fórmula geral:

RO (CH2CH2O)xH

Onde:

x = número médio de mols de óxido de etileno (grau de etoxilação)

R = cadeia carbônica do álcool laurílico

A Tabela 4.3 mostra os tensoativos não-iônicos de cadeia linear e etoxilados

utilizados.



Tabela 4.3. Especificações dos tensoativos não-iônicos com cadeia linear e etoxilados.

Tensoativo Peso molecular

(g/mol)

Balanço hidrofílico/lipofílico

Descrição química

T6 318 8,3 Álcool laurílico 3 óxidos de etileno T7 450 11,5 Álcool laurílico 6 óxidos de etileno T8 626 13,9 Álcool laurílico 10 óxidos de etileno T9 1198 16,9 Álcool laurílico 23 óxidos de etileno

Esses tensoativos apresentam em sua molécula caráter lipofílico, proveniente da

cadeia carbônica do álcool de partida, e hidrofílico, resultante da cadeia de óxido de eteno.

Com o aumento do grau de etoxilação, aumenta-se a hidrofília da molécula (maior BHL)

alterando, como conseqüência, sua solubilidade em água, seu poder espumante, sua

detergência e molhabilidade, permitindo que tais produtos sejam utilizados como

emulsionantes, detergentes, solubilizantes, fixadores de essência e intermediários de síntese

na obtenção de tensoativos sulfatados. Apresentam excelente poder de redução da tensão

superficial, alta detergência e molhabilidade. Não precipitam na presença de íons de dureza da

água e são compatíveis com tensoativos aniônicos, catiônicos e não-iônicos.

A Tabela 4.4 mostra os valores de tensão superficial e ponto de turbidez para os tensoativos não-iônicos com cadeia linear e etoxilados acima da concentração micelar crítica (c.m.c.) utilizados.

Tabela 4.4. Valores das tensões superficiais e pontos de turbidez para os tensoativos não-iônicos de cadeia linear.

Tensoativo Tensão superficial (mN/m) Ponto de turbidez (ºC)

T6 40,75* Menor que 25 T7 34,05* Menor que 25 T8 44,02 71,7 T9 52,66 95

* Valores não esperados para esta propriedade, devido ao fato dos tensoativos apresentarem soluções turvas, ou seja, acima do ponto de turbidez. OBS.: Valores de tensão superficial medidas à 25ºC.



4.2. Equipamentos

Na Tabela 4.5 estão relacionados os equipamentos utilizados durante os

procedimentos experimentais.

Tabela 4.5. Equipamentos utilizados durante os procedimentos experimentais.

Nome Modelo Marca Agitador magnético 752 A Fisaton

Balança analítica digital AG 200 (± 0,001 g) Gehaka Compressor CL 200BR Schuz Goniômetro DSA 100 Krüss Tensiômetro Tensiômetro

Banho termostatizado

- DSA 100

-

SensaDyner Krüss Tecnal

4.3. Material Avaliado

Neste estudo foi utilizado o aço inoxidável austenítico da série 304 como superfície

sólida para determinação da molhabilidade através de medidas de ângulo de contato.

4.3.1. Aço inoxidável

O aço inoxidável utilizado neste estudo foi adquirido da Empresa Unimetais de

Natal/RN. Para a realização dos experimentos foi confeccionada uma peça em formato

circular com 1cm de altura e 5cm de raio. Sua composição química está apresentada na

Tabela 4.6.

Tabela 4.6. Composição química do aço inoxidável austenítico 304 (em %).

Tipo de aço ABNT

Fe

Cr

Ni

Mn

Si

C

P

S

304 66,34 - 74 18 - 20 8 - 10 2 1 0,08 0,045 0,030



4.4. Concentração micelar crítica (c.m.c.)

Todos os tensoativos utilizados neste estudo foram preparados com base em suas

concentrações micelares críticas (c.m.c.). A Tabela 4.7 mostra os valores destas concentrações

(em água destilada) para os diferentes tensoativos utilizados na determinação da

molhabilidade do aço inoxidável.

Tabela 4.7. Concentrações micelares críticas (c.m.c.) para os tensoativos utilizados.

Tensoativo Concentração micelar crítica (g/mL)

T1 0,80 x 10-3

T2 0,81 x 10-3

T3 0,77 x 10-3

T4 0,97 x 10-3

T5 0,18 x 10-3

T6 2,5 x 10-3

T7 1,8 x 10-3

T8 0,87 x 10-3

T9 0,92 x 10-3

OBS.: Valores das concentrações micelares críticas foram determinadas à 25ºC. Fonte: Santos et al, 2007.

4.5. Molhabilidade

Chaves (2004) desenvolveu uma metodologia experimental para determinar a

molhabilidade do aço inoxidável martensíticos da série 304 pelo método da gota séssil no

goniômetro (Krüss). Como a molhabilidade é um parâmetro importante para determinar o

grau de aderência ou afinidade de um líquido por uma superfície sólida, estudou-se neste

trabalho a molhabilidade do aço inoxidável em água destilada, soluções de KCl e tensoativos

não-iônicos. As medidas de ângulo de contato foram obtidas utilizando-se o goniômetro DSA

100, Krüss, mostrado na Figura 4.1.



Figura 4.1. Goniômetro DSA 100 (Krüss).

Neste estudo foi escolhido o método da gota séssil como medida para obtenção dos

ângulos de contato, com base em Chaves (2004). Para obter estes valores, o goniômetro DSA

100 faz uso de uma câmera de alta resolução de imagens que capta a gota de líquido

depositada sobre a superfície do material. Estas imagens são transmitidas e ampliadas em

tempo real para um computador, que através de programa computacional especializado

calcula os ângulos de contato a partir das especificações determinadas de zoom, foco, ângulo

de inclinação da câmera e ajuste matemático. Neste estudo foram realizadas medidas de

ângulo de contato através do ajuste do círculo, que ajusta o volume inteiro da gota de líquido

pela equação da uma esfera, traçando retas tangentes a gota de líquido em contato com a

superfície sólida; e o ajuste da tangente, que ajusta o segmento de contato entre as três fases

com o ângulo de contato através de uma função polinomial de 4º grau, também traçando as

mesmas retas tangentes a gota de líquido e superfície sólida, conforme mostrado na Figura

4.2.



Figura 4.2. Gota de líquido sobre a superfície do aço inoxidável. A metodologia desenvolvida para realizar as medidas de ângulo de contato no goniômetro DSA 100 foi à seguinte:

1. Lavagem da placa de aço inoxidável com esponja macia e detergente neutro, em

movimentos circulares e suaves por 1 minuto.

2. Secagem da placa de aço inoxidável com ar comprimido.

3. Preparação do equipamento através do ajuste de especificações e comandos.

4. Preenchimento da seringa do equipamento com a solução desejada.

5. Deposição sequencial e unitária de 1 µL sobre a superfície da placa em um ponto próximo

ao centro da placa até o volume final de 30 µL e repetição em outro ponto próximo ao centro

da placa. Os ângulos de contato são anotados após cada adição de 1 µL na superfície da placa.

6. A molhabilidade é definida ao final dos experimentos com a média final dos 60 µL

adicionados a placa.



Visando observar qual método matemático forneceria os melhores e mais coerentes

resultados na determinação do ângulo de contato, foram analisados dois métodos: ajuste do

círculo e ajuste da tangente. Logo, inicialmente foram realizados experimentos com o intuito

de definir tal método, que posteriormente serviria para realização de todos os experimentos

restantes. Para este processo foi realizada a medição do ângulo de contato para água destilada,

um tensoativo não-iônico de cadeia linear e cinco tensoativos não-iônicos de cadeia

aromática, conforme mostram as Figuras 4.3, 4.4 e 4.5.

Figura 4.3. Molhabilidade do aço inoxidável em água destilada pelos métodos do ajuste do círculo e tangente.



Figura 4.4. Molhabilidade do aço inoxidável em tensoativo não-iônico pelos métodos do ajuste do círculo e tangente.

Figura 4.5. Molhabilidade do aço inoxidável em tensoativos não-iônicos pelos métodos do ajuste do círculo e tangente.

Pelos resultados apresentados nas Figuras 4.3, 4.4 e 4.5 pode-se observar que há um

aumento no ângulo de contato do método calculado pelo ajuste do tangente em relação ao



método pelo ajuste do círculo. Assim, para os estudos realizados neste trabalho quanto menor

o ângulo de contato do líquido com superfície, melhor a molhabilidade. Logo, pode-se

observar que o método pelo ajuste do círculo tem melhores resultados do que o método pelo

ajuste da tangente. Portanto, todos os experimentos realizados neste trabalho utilizaram este

método para obter os ângulos de contato.

4.5.1. Processos de usinagem e polimento

Sabe-se que a rugosidade de um dado material influencia diretamente na

molhabilidade deste material em líquidos através de modificações nas medidas de ângulo de

contato. Assim, pensando em observar o comportamento da superfície do aço inoxidável,

diante das substâncias testadas neste estudo, foi realizado um processo de usinagem seguido

de polimento na superfície do aço inoxidável. Logo, foram realizados três processos de

usinagem, sendo um de forma manual e os outros dois em torno mecânico de alta rotação.

Após a realização de cada etapa do processo de polimento a placa de aço inoxidável foi

levada para o goniômetro para determinação dos ângulos de contato, que determinam o grau

de molhabilidade.

4.5.1.1. Usinagem Manual

A usinagem manual foi realizada com uma sequência crescente de lixas que

variaram do número 400 até 1200 grãos/cm2. O número indicado na lixa representa o tamanho

médio do grão mineral com o qual a lixa foi fabricada, ou seja, quanto maior o número, menor

o tamanho do grão e mais fina a lixa.

Para um melhor acabamento da superfície, a placa foi polida ao final deste processo.

Sendo então levada para determinar a molhabilidade em água destilada.



4.5.1.2. Usinagem em torno mecânico de alta rotação

Após a etapa de usinagem manual foi realizada uma nova usinagem na superfície do

material, desta vez em torno mecânico de alta rotação, a fim de obter um melhor acabamento.

Nesta etapa foi utilizada uma lixa de 1200 grãos/cm2.

Após esta usinagem, novamente foi determinada a molhabilidade do aço inoxidável

em água destilada.

Para uma melhor avaliação do efeito da rugosidade na superfície do aço inoxidável

foi realizada uma segunda usinagem em torno mecânico de alta rotação. Nesta etapa foi

utilizada uma sequência de lixas de 100 a 1200 grãos/cm2. Assim, ao término desta etapa,

novamente foi determinada a molhabilidade do aço em água.

Após a realização de todos os experimentos com a placa usinada pela segunda vez no

torno mecânico de alta rotação, fez-se uma nova usinagem com o objetivo de avaliar de forma

detalhada o efeito da usinagem de cada lixa sobre a superfície da placa e sua consequência na

molhabilidade em água destilada.

4.5.2. Molhabilidade das soluções de KCl

Para avaliar a molhabilidade empregando soluções de KCl foram preparadas

soluções de concentração variando de 2% até 10% em massa (1000 mL de cada solução).

4.5.3. Molhabilidade das soluções de tensoativos não-iônicos

Através das concentrações micelares críticas (c.m.c.), contidas na Tabela 4.5, foram

preparadas soluções de 50mL de cada tensoativo utilizado. Para uma melhor avaliação do

comportamento do tensoativo com a placa de aço inoxidável foi realizada uma varredura nas

concentrações abaixo, acima e no valor da concentração micelar crítica (c.m.c.). Portanto,

foram preparadas 9 (nove) soluções abaixo do valor da c.m.c., com concentrações variando de

90% até 10% em peso da c.m.c.. E, 2 (duas) soluções acima do valor da c.m.c., com

concentrações variando de 110% e 120% em peso da c.m.c.. Assim, ao final da determinação



da molhabilidade individual de cada solução diluída de tensoativo pode-se calcular a

molhabilidade do tensoativo pela média final das doze soluções, avaliando-se o grau de

afinidade pelo aço inoxidável.

A fim de analisar o comportamento dos tensoativos não-iônicos de cadeia aromática,

foi realizada uma mistura dos tensoativos T4 e T5, pois, a distância dos graus de etoxilação

destes tensoativos é muito grande. O tensoativo T4 possui grau de etoxilação de 40 enquanto

o tensoativo T5 possui grau de etoxilação de 100. Logo, foram sintetizados três tensoativos

com graus de etoxilação intermediários a estes dois tensoativos. Os tensoativos gerados

receberam a denominação de T10, T11 e T12, com graus de etoxilação de 60, 70 e 80,

respectivamente. A análise da molhabilidade destes tensoativos em aço inoxidável ajudará a

entender qual o comportamento destas misturas em contato com a placa e se seus ângulos de

contato acompanharão os tensoativos T4 e T5 que serviram de base para suas confecções.

CAPÍTULO 5 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Capítulo 5 – Resultados e discussões 52


Resultados e discussões

Neste capítulo são apresentados os experimentos realizados juntamente com a

discussão a respeito dos resultados obtidos no trabalho.

5.1. Avaliação da molhabilidade do aço através de medidas de ângulo de

contato para os processos de usinagem

5.1.1. Processos de usinagem

A molhabilidade do aço inoxidável à água destilada foi estudada em função do tipo

de processo de usinagem realizado na superfície da placa.

Os resultados apresentados neste experimento mostram que a realização da usinagem

em alta rotação proporciona à superfície um melhor acabamento, fato observado pelo aumento

do ângulo de contato da água destilada com a superfície, tendo em vista que quanto maior a

rugosidade de uma superfície menor é o ângulo de contato obtido pelo equipamento, pois as

ranhuras da superfície provocam um espalhamento maior da gota depositada na superfície. A

Figura 5.1 mostra o comportamento do ângulo de contato nos diferentes processos de

usinagem ao qual a superfície da placa foi submetida.



Analisando a Figura 5.1, podemos observar que o ângulo de contato da água

destilada varia de 72,6o a 81,1o, de acordo com o melhoramento do polimento da superfície,

confirmando assim o fato de que quanto melhor o tratamento superficial maior o ângulo de

contato, implicando em menor molhabilidade.

Pelo fato do processo de usinagem e polimento manual não resultar em uma

superfície completamente livre de imperfeições e rugosidades, a gota de água tende a aderir às

ranhuras, fazendo com que o líquido seja tracionado pelas forças de adesão, provocando a

redução do ângulo de contato.

Em relação ao processo em torno mecânico de alta rotação, pode-se concluir que o

mesmo promove um melhor acabamento, observado pelo aumento do ângulo de contato na

Figura 5.1. Neste caso as ranhuras foram reduzidas, dificultando o contato do líquido com a

superfície, evitando que as forças de adesão tracionem o líquido, e ocasionem a redução do

ângulo de contato do líquido com a superfície.

Durante o experimento, verificou-se visualmente que o melhoramento da usinagem

aumenta o reflexo do metal, tornando-o semelhante a um espelho. Este fato indica também

que a usinagem tende a reduzir as imperfeições da superfície do sólido, melhorando assim a

reflexão da luz sobre a superfície, comprovando que uma superfície polida pode promove um

maior ângulo de contato com o líquido.

Figura 5.1. Molhabilidade do aço inoxidável à água destilada após processos de usinagem e polimento.



Mesmo apresentando um aumento no ângulo de contato através dos processos de

melhora da superfície da placa, pode-se dizer que o aço inoxidável é molhável pela água, isto

é, apresenta um caráter hidrofílico, pois o ângulo de contato na mesma é menor que 90º.

5.1.2. Processo de usinagem por lixas em série

A fim de observar melhor o efeito da redução das ranhuras superficiais na placa de

aço, foi realizado um tratamento superficial através de várias lixas de granulometria diferente,

que são representadas por uma numeração que varia de 100 a 1200 grãos/cm2. Este estudo é

apresentado na Figura 5.2.

Figura 5.2. Molhabilidade do aço inoxidável no processo de lixação em lixas de série.

A análise da Figura 5.2 permite perceber que a molhabilidade do aço inoxidável

decresce com o tratamento, contínuo e crescente de sua superfície, o que é constatado com o

aumento do ângulo de contato, atestando assim o ocorrido no estudo anterior.

Quanto maior o número da lixa, melhor o acabamento da superfície do material, pois

haverá uma redução de vazios na superfície, que fará com que a gota de líquido se “acomode”



menos na superfície do material, aumentando seu ângulo de contato e diminuindo sua

molhabilidade aparente.

Os resultados apresentados mostram que a rugosidade promove um aumento do

ângulo de contato, comprovando a atuação da equação de Wenzel.

Diante destes resultados podemos estimar o comportamento das tensões

representadas pela equação de Wenzel com relação à rugosidade relativa, que tende a 1

quando o tratamento superficial é o melhor possível, isto é, a superfície é totalmente plana, e a

equação de Young se iguala à equação de Wenzel. Como a rugosidade representa a soma

absoluta das alturas acima e abaixo de uma linha superficial média pode-se considerar que R

tende para zero quando a rugosidade é nula.

A fim de desenvolver uma equação que relacione o ângulo de contato com a

rugosidade para o nosso trabalho, foi calculado o cos θ para relacioná-lo com a graduação da

lixa, esta relação está apresentada na Figura 5.3.

Figura 5.3. Ângulo de contato da água no aço inoxidável no processo de lixação em lixas

de série.



Analisando a Figura 5.3 é fácil verificar que para uma lixa com graduação tendendo

a zero o cos θ tende a 0,76, que corresponde a um ângulo de 63,7º. Este ângulo corresponde

ao ângulo de Wenzel (Wθ) mínimo, que é obtido para a rugosidade máxima do processo de

tratamento com a lixa.

Assim como o valor do ângulo mínimo de Wenzel foi determinado para uma

condição de rugosidade extrema, é interessante que seja obtido o verdadeiro ângulo de contato

da água com o aço inoxidável, em uma condição onde a superfície do metal seja a mais polida

possível. Para isto, se faz necessário calcular a rugosidade do metal a partir da estrutura das

lixas utilizadas e então obter uma relação com o cos θ mínimo, que corresponde ao ângulo de

contato real da água com o metal.

Sabendo que a rugosidade de uma superfície é representada pela soma das alturas

acima e abaixo de uma linha superficial, Figura 5.4, pode-se representar a rugosidade pela

Equação (4).

Figura 5.4. Representação do cálculo da rugosidade R, como função das alturas, yi, em relação à linha superficial x, no espaço de medida ℓm, para n medidas.

(4)

Na Equação (4) obtida através da Figura (5.4) não leva em consideração a distância

entre os picos.

Considerando que para uma lixa de graduação “n”, o diâmetro dos grãos que fazem

parte de sua estrutura pode ser calculado pela Equação (5).



(5)

Onde: D é o diâmetro médio dos grãos que compõem a superfície da lixa,

n é o número de grãos/cm2 de lixa.

A Equação (5) é baseada em uma compactação lado a lado dos grãos na superfície da

lixa, que pode ser visualizada na Figura 5.5.

Figura 5.5. Representação da compactação dos grãos em uma lixa quadrada de lado ι. Os valores referentes às alturas yi da Equação (4) foram consideradas como D/4, pois

após uma lixa atuar sobre a superfície de um metal, considerando um grão com dimensões

esféricas, a ranhura produzida pelo mesmo tem a profundidade máxima de D/2, e

considerando a linha superficial do sólido na metade da altura da ranhura temos um yi = D/4.

A Figura 5.6 mostra a relação entre o cos θ e a rugosidade do aço inoxidável,

calculada pela Equação (4).



Figura 5.6. Relação entre o cosseno do ângulo de contato da água sobre uma superfície

tratada por lixa de várias granulometrias, e a rugosidade “R” calculada.

Analisando a Figura 5.6 pode-se notar que a equação que se ajusta ao sistema em

estudo apresenta um coeficiente de correlação igual a 0,98, que pode ser considerado um

ajuste muito bom. Outra observação que pode ser feita é que a equação apresentada tem como

coeficiente linear o valor 0,68, que equivale a um ângulo de 74,1º, que corresponde ao ângulo

de contato da água sobre uma superfície de aço inoxidável completamente polida. Este valor é

menor que aquele medido em uma superfície similar após o polimento com torno mecânico a

alta rotação, Figura 5.1, onde o valor corresponde a 81,1º. Este fato pode estar relacionado

com a diferença entre o polimento a alta rotação e aquele executado com as lixas, que pode

ser confirmado pelo valor do polimento abrasivo (lixa 1200) observado na Figura 5.1, que foi

de 72,6º, que corresponde praticamente ao mesmo valor obtido no estudo do tratamento com

lixas (72,8º - Figura 5.2).



5.2. Avaliação da molhabilidade do aço através de medidas de ângulo de

contato

5.2.1. Medidas de ângulo de contato com solução de KCl

A molhabilidade do aço inoxidável a soluções de KCl foi determinada apenas para a

segunda etapa de usinagem no torno mecânico de alta rotação, conforme processo citado

anteriormente, onde foi variada a concentração em KCl de 2 % até 10%. Santos et. al. (2007),

determinou a concentração micelar crítica (c.m.c.) para tensoativos iônicos e não-iônicos em

água destilada e solução de KCl nestas mesmas concentrações, pois estes valores

correspondem a valores equivalentes de salinidade presentes em águas produzidas com

petróleo, e no presente trabalho fez-se o estudo das propriedades molhantes de sistemas

contendo tensoativos, salinidade e petróleo.

A Figura 5.7 mostra os valores dos ângulos de contato obtidos para cada uma das

soluções salinas de KCl estudadas.

Figura 5.7. Molhabilidade do aço inoxidável em soluções de KCl representada por medidas de ângulo de contato.



Analisando a Figura 5.7, observa-se que com o aumento da concentração de KCl há

uma redução no ângulo de contato com a superfície do aço, tendendo a uma estabilização para

concentrações superiores a 8%. Isto pode ser explicado pelo fato de que, ao se ionizarem na

água, os íons cloreto promovem aumento da condutância da água, a qual ao entrar em contato

com o aço induz um movimento elétrico, melhorando a interação da água com a superfície do

metal, provocando assim a redução do ângulo de contado.

5.2.2. Medidas de ângulo de contato com solução de tensoativos não-iônicos

(nonilfenol etoxilado)

O estudo do ângulo de contato de soluções de tensoativos não-iônicos sobre o aço

inoxidável é importante para entender o comportamento da parte hidrofílica do tensoativo

sobre o metal.

A Figura 5.8 mostra os valores dos ângulos de contato obtidos para os tensoativos

não-iônicos com graus de etoxilação diferentes estudados.

Figura 5.8. Molhabilidade do aço inoxidável em soluções de tensoativos não-iônicos com cadeia aromática representada por medidas de ângulo de contato.



Assim, pelos resultados observados na Figura 5.8, podemos concluir que para os

tensoativos não-iônicos estudados, o tensoativo T1, que apresenta 20 graus de etoxilação,

apresenta a maior molhabilidade e o T5, que apresenta 100 graus de etoxilação, a menor. Ao

analisar estes dois tensoativos isoladamente, é possível observar que a diferença no grau de

etoxilação entre ambos é grande, sendo para o tensoativo T1 um ângulo de contato de 43,88º e

62,86º para o tensoativo T5.

Percebe-se que este aumento na etoxilação foi significativo para o aumento no

ângulo de contato entre os tensoativos, isto pode ser explicado pelo fato do tensoativo de

menor grau de etoxilação apresentar uma melhor deposição na superfície da placa.

Todos os tensoativos estudados apresentam uma cabeça hidrofílica grande, chegando

ao ponto da mesma provocar um impedimento estérico dificultando a estabilização superficial

da parte hidrofílica na superfície do sólido.

Logo, quanto menor a etoxilação do tensoativo não-iônico, melhor será sua

molhabilidade em aço inoxidável, isto em solução aquosa. Neste estudo seria importante

trabalhar com tensoativo de menor etoxilação para assim verificar se existe algum valor de

sinergia do sistema.

5.2.3. Medidas de ângulo de contato com soluções de tensoativos não-iônicos de

cadeia linear (álcool láurico etoxilado)

Um estudo similar ao realizado com os tensoativos nonilfenol etoxilados foi

realizado para o álcool láurico etoxilado. A Figura 5.9 mostra a molhabilidade para soluções

de tensoativos não-iônicos de cadeia linear e graus de etoxilação diferentes.



Figura 5.9. Molhabilidade do aço inoxidável em tensoativos não-iônicos com cadeia linear representada por medidas de ângulo de contato.

Analisando os resultados da Figura 5.9 observa-se que para os tensoativos não-

iônicos de cadeia linear estudados, o tensoativo T6, que possui 3 graus de etoxilação,

apresenta a maior molhabilidade e o T9, que possui 23 graus de etoxilação, a menor.

Enfatizando o que foi dito no item anterior, podemos observar que para os

tensoativos não-iônicos de cadeia linear o comportamento do aumento do ângulo de contato a

partir do grau de etoxilação obedece o mesmo princípio, ou seja, quanto menor o grau de

etoxilação, maior a molhabilidade em aço inoxidável. Neste item pode-se associar também

um melhor comportamento da parte apolar da cadeia do tensoativo não-iônico de cadeia linear

com a superfície da placa de aço inoxidável.



5.2.4. Avaliação do ângulo de contato de tensoativos não-iônicos de cadeia

aromática e linear com diferentes graus de etoxilação

A Figura 5.10 apresenta as duas curvas de molhabilidade para soluções dos

tensoativos não-iônicos de cadeia aromática e linear com diferentes graus de etoxilação em

aço inoxidável representadas por medidas de ângulo de contato.

Figura 5.10. Comparação da molhabilidade do aço inoxidável em soluções de tensoativos

não-iônicos de cadeia aromática e linear com diferentes graus de etoxilação representada por medidas de ângulo de contato.

Analisando a Figura 5.10 fica evidente que o comportamento do ângulo de contato

em ambos os tensoativos não-iônicos utilizados neste trabalho ocorreu da mesma forma.

Mesmo apresentando graus de etoxilação diferentes, suas curvas de molhabilidade em aço

inoxidável apresentam uma tendência de crescimento do ângulo de contato com o aumento do

grau de etoxilação.

A diferença entre os tensoativos ficou relacionada com a cadeia hidrocarbônica que

interferiu de forma a reduzir o ângulo de contato quando da ausência do anel aromático. Este

fato está ligado também ao impedimento estérico da cauda lipofílica do tensoativo devido à



presença do anel. O anel causa um aumento do volume espacial da molécula, o que diminui

sua concentração na interface, promovendo assim a redução das forças atrativas entre a parte

lipofílica e hidrofílica do tensoativo, pois acima da camada de tensoativo adsorvida na

superfície do metal existe uma camada de tensoativo voltada para o seio da solução.

5.2.5. Medidas de ângulo de contato com soluções de tensoativos não-iônicos de

cadeia aromática e linear com mesmo grau de etoxilação

Na Figura 5.11 estão apresentadas as molhabilidades para tensoativos não-iônicos de

cadeia aromática e linear com o mesmo grau de etoxilação. Este item é de fundamental

importância para uma conclusão significativa a respeito dos tensoativos não-iônicos utilizados

neste estudo. Pois, através dos resultados obtidos será possível analisar qual tensoativo

apresenta melhor molhabilidade e, consequentemente, maior afinidade pelo aço inoxidável.

Figura 5.11. Comparação da molhabilidade do aço inoxidável em soluções de tensoativo não-iônico de cadeia aromática e linear com mesmo grau de etoxilação representada por

medidas de ângulo de contato.



Analisando os resultados obtidos na Figura 5.11 nota-se que o tensoativo não-iônico

de cadeia aromática apresenta melhor molhabilidade em aço inoxidável do que o tensoativo

não-iônico de cadeia linear. Assim, comparando este dois tensoativos de cadeias carbônicas

diferentes é possível afirmar que o tensoativo não-iônico de cadeia aromática com 23 graus de

etoxilação possui melhor molhabilidade em aço inoxidável do que o tensoativo não-iônico de

cadeia linear com os mesmos 23 graus de etoxilação.

5.2.6. Medidas de ângulo de contato com soluções de misturas de tensoativos não-

iônicos de cadeia aromática

A Figura 5.12 mostra os valores dos ângulos de contato obtidos para misturas de

tensoativos não-iônicos de cadeia aromática utilizados neste estudo. Analisar o

comportamento de misturas destes tensoativos pode auxiliar a entender como se comporta a

molhabilidade em aço inoxidável, visto que os tensoativos utilizados possuíam graus de

etoxilação diferentes.

Figura 5.12. Molhabilidade do aço inoxidável em misturas de tensoativos não-iônicos de cadeia aromática representada por medidas de ângulo de contato.



Pelos resultados obtidos na mistura de tensoativos não-iônicos observa-se que os

ângulos de contato ficaram bem próximos, havendo uma melhor molhabilidade no tensoativo

T11.

Analisando a Figura 5.12 pode-se observar que a mistura de tensoativos não-iônicos

não apresentou um comportamento proporcional à molhabilidade dos tensoativos puros. Este

fato pode está relacionado ao impedimento estérico da parte hidrofílica do tensoativo de maior

etoxilação, pois a mistura dos mesmos não preenche o espaço deixado pela menor etoxilação

do menor tensoativo. Este fato diminui a presença do tensoativo na interface e,

conseqüentemente as forças atrativas, diminuindo, assim, o ângulo de contato da solução com

o metal, fato similar ao apresentado na Figura 5.11.

5.2.7. Medidas de ângulo de contato entre a solução de KCl e tensoativos não-

iônicos de cadeia aromática

A Figura 5.13 mostra uma comparação entre os valores dos ângulos de contato

obtidos para as soluções de KCl e para os tensoativos não-iônicos de cadeia aromática.

Figura 5.13. Comparação da molhabilidade do aço inoxidável em soluções de KCl e tensoativos não-iônicos de cadeia aromática representado por medidas de ângulo de

contato.



Observa-se na Figura 5.13 que os tensoativos não-iônicos apresentam melhor

resultado que as soluções de KCl em qualquer concentração, uma vez que pode ser notado

que o menor ângulo de contato obtido pela maior concentração de KCl apresenta valor

superior ao maior ângulo de contato obtido pela maior etoxilação de tensoativo não-iônico.

Isto se dá devido ao fato da melhor interação dos grupos etoxilados presentes na estrutura dos

tensoativos com as cargas presentes na superfície da placa do que dos íons cloreto presentes

em solução.

5.2.8. Medidas de ângulo de contato entre a solução de KCl e tensoativos não-

iônicos de cadeia linear

A figura 5.14 mostra uma comparação entre os valores dos ângulos de contato

obtidos para as soluções de KCl e os tensoativos não-iônicos de cadeia linear.

Pelos resultados apresentados na Figura 5.14 fica evidente a observação realizada no

item anterior, que os tensoativos não-iônicos de cadeia linear apresentam melhor

molhabilidade em aço inoxidável do que a solução de KCl.

Figura 5.14. Comparação da molhabilidade do aço inoxidável em soluções de KCl e tensoativos não-iônicos de cadeia linear representado por medidas de ângulo de contato.

CAPÍTULO 6 CONCLUSÕES

Capítulo 6 – Conclusões 69


Conclusões

Podemos concluir que através dos resultados obtidos na melhora da superfície do aço

inoxidável através do processo de lixação e polimento diminui a molhabilidade. No entanto,

segundo os dados da literatura, com ângulos inferiores a 90º diz-se que a superfície é

molhável pelo líquido. Sendo assim, mesmo com os processos de lixação e polimento

realizados na placa, sua superfície é molhável pela água.

Os resultados obtidos para a solução salina de KCl e tensoativos não-iônicos também

nos levam a concluir que ambos os líquidos molham a superfície da placa. Mas, ao comparar

os resultados dos ângulos de contato de ambos, nota-se que o tensoativo em geral apresentou

melhor molhabilidade no aço inoxidável do que a solução de KCl.

Analisando a mistura de tensoativos não-iônicos, podemos concluir que não

apresentaram um comportamento proporcional à molhabilidade dos tensoativos puros.

Portanto, sendo necessária a realização de novos testes e pesquisas com estas misturas para

um melhor aprofundamento de sua molhabilidade em aço inoxidável.

A etoxilação de tensoativo promove uma redução da molhabilidade de suas soluções

no aço inoxidável. Assim, pode-se concluir que tensoativos com maior etoxilação diminuem a

interação da água com o duto e consequentemente o atrito com o mesmo, melhorando assim o

escoamento.

Capítulo 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Capítulo 7 – Referências bibliográficas 71


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