REOLOGIA

Introdução

O termo reologia provém do grego (rheo = fluir; logos = ciência), significando, então,

"a ciência dos fluidos", e foi sugerido por Binghan e Crawford para descrever o fluxo de

líquidos e a deformação dos sólidos. A viscosidade expressa a resistência do fluido a

fluir. Quanto maior a viscosidade, maior será sua resistência a fluir. Os líquidos simples

podem ser descritos em termos de viscosidade absoluta (um único valor de viscosidade),

porém, as propriedades reológicas de dispersões heterogêneas são muito mais

complexas, não podendo ser expressadas em um único valor.

Recentemente, os princípios fundamentais de reologia têm sido empregados no estudo

de tintas, materiais para construção de estradas, da litosfera e em uma gama de produtos

farmacêuticos como cosméticos, emulsões, supositórios, cremes, comprimidos e

transdérmicos, sendo a importância nesta área inicialmente alertada por Scott-Blair. A

grande importância na área farmacêutica deve-se à necessidade de os produtores de

formulações farmacêuticas desenvolverem produtos com consistência e suavidade

aceitáveis e por precisarem garantir esta reprodutibilidade todas as vezes que o produto

for ser utilizado pelo consumidor.

A reologia está intimamente relacionada com os fenômenos sofridos por uma

formulação farmacêutica. Pode-se citar o empacotamento em um tubo de creme dental e

sua remoção para o uso e a passagem de uma formulação por uma seringa. As

propriedades reológicas de um sistema farmacêutico influenciam severamente na

escolha do equipamento a ser usado no processamento do mesmo. O desenvolvimento

do equipamento a ser usado sem a correta apreciação das propriedades reológicas do

sistema farmacêutico leva à produção de um produto indesejado, pelo menos em termos

de suas propriedades de fluxo.

Os materiais podem ser classificados de acordo com os tipos de fluxo e deformação:

newtonianos ou não newtonianos, sendo que esta escolha depende do fato das

propriedades de fluxo do fluido estarem de acordo com a lei do fluxo de Newton.

Esquema de classificação dos fluídos segundo o comportamento reológico

O que é Fluído?

Um fluido é uma substância que se deforma continuamente quando submetida a uma

tensão de cisalhamento, não importando o quanto pequena possa ser essa tensão. Tanto

os gases quanto os líquidos são classificados como fluidos.

O que é Viscosidade?

A viscosidade é a propriedade reológica mais conhecida, e a única que caracteriza os

fluidos newtonianos.

A viscosidade pode ser definida como sendo a resistência ao escoamento de um sistema

submetido a uma certa tensão mecânica. A viscosidade é uma expressão da resistência

de um fluido ao escoamento, sendo assim, quanto maior a viscosidade maior a

resistência.

Sistemas Newtonianos

Os sistemas newtonianos englobam os fluidos simples e foram inicialmente descritos

por Newton. Estes representam fluidos compostos por várias camadas horizontais

deslizantes entre si, sendo que a camada mais inferior encontra-se imóvel e a superior

possui uma velocidade máxima. As camadas internas possuem velocidades

proporcionais à sua distância em relação à camada superior. A velocidade relativa entre

duas camadas de líquido separadas por uma distância infinitamente pequena é chamada

de gradiente de velocidade ou taxa de deformação. A força por unidade de área

requerida para produzir o fluxo é chamada de tensão de cisalhamento.

Nos fluidos newtonianos, a taxa de deformação é diretamente proporcional à tensão de

cisalhamento. Logo, pode-se observar que, para os fluidos newtonianos, existe apenas

um valor de coeficiente de viscosidade, o qual, para os referidos fluidos são chamados

apenas de viscosidade. Ex.: gases, água, leite, soluções de sacarose e óleos vegetais

A unidade de viscosidade é o Poise e descreve a tensão de cisalhamento necessária para

produzir a velocidade entre duas placas paralelas de líquido com 1cm2 de área, distantes

entre si 1cm. No sistema CGS, a unidade de viscosidade é. Como a temperatura é uma

grandeza que influencia em todas as determinações físicas, químicas e físico-químicas,

a viscosidade não é uma exceção, tendo sido a sua influência já deduzida.

Sistemas Não-Newtonianos

Os farmacêuticos se deparam muito mais com os fluidos que não respeitam a Lei de

Fluxo de Newton do que com os fluidos simples. Em geral, essas substâncias complexas

são formadas por dispersões heterogêneas, tais como solução de colóides, emulsões e

suspensões líquidas, sendo chamadas de sistemas Não-Newtonianos. Quando os fluidos

não-newtonianos são analisados em um viscosímetro rotacional, e seus resultados

plotados, obtemos três classes de fluidos: os plásticos, os pseudoplásticos e os

dilatantes.

Propriedades independentes do tempo de cisalhamento

Propriedades dependentes do tempo de cisalhamento

viscoelásticos

Viscoelásticos

Existem fluidos que exibem muitas características de sólidos, são os chamados

viscoelásticos. Os fluidos viscoelásticos são substâncias que apresentam propriedades

viscosas e elásticas acopladas. Quando cessa a tensão de cisalhamento ocorre uma certa

recuperação da deformação. Ex.: massas de farinha de trigo, gelatinas, queijos.

Propriedades dependentes do tempo de cisalhamento

As propriedades reológicas dependem do tempo de aplicação da tensão

Reopéticos

Apresentam comportamento inverso aos tixotrópicos. Os ciclos de histereses destas

substâncias dependem da velocidade de mudança da taxa de deformação. Muitas das

substâncias citadas anteriormente apresentam certo grau de tixotropia ou reopeticidade

que pode ser desprezado.

Tixotrópicos

A tixotropia é um fenômeno curioso que ocorre em alguns sistemas pseudoplásticos e

plásticos. Ela pode ser definida como a permanência (ou a lenta diminuição da

deformação) quando a tensão de cisalhamento é removida.

Os reogramas destes sistemas aparecem como plásticos (ou pseudoplásticos) durante a

atuação da tensão de cisalhamento e como Newtonianos durante a remoção da tensão de

cisalhamento.

fenômeno de tixotropia ocorre quando o sistema contém partículas de tamanhos

variados e com numerosos pontos de contato, formando uma complexa rede em três

dimensões, a qual sustenta a deformação até um certo tempo após o encerramento da

tensão de cisalhamento. A sustentação da deformação não depende apenas da variedade

de tamanho das partículas e dos pontos de contato, mas também, da duração da

deformação e de sua magnitude. Ex.: a lama e os cremes dentais.

Propriedades independentes do tempo de cisalhamento

As propriedades reológicas não dependem do tempo de aplicação da tensão de

cisalhamento.

Tensão de cisalhamento

Consideremos um elemento de volume com a forma de um paralelepípedo e

consideremos a resposta do material a uma força externa aplicada.

Sob estas condições, se desenvolverá uma força interna agindo na mesma direção, mas

em sentido contrário, denominada tensão, definida como força por área. Existem

basicamente dois tipos de tensão:

Tensões normais: agem perpendicularmente às faces do corpo.

Tensões de cisalhamento: agem tangencialmente às faces do corpo.

Sem tensão de cisalhamento inicial

Maioria dos fluidos não newtonianos.

Fluídos Dilatantes ou reoespessante

Certas suspensões com um alto teor de pequenos sólidos dispersos exibem um aumento

na resistência ao fluxo com o aumento da taxa de deformação. Tais substâncias têm seu

volume e viscosidade aumentados quando aplicada uma tensão de cisalhamento e são

chamadas de Fluidos Dilatantes. Quando a tensão é removida, o sistema dilatante

retorna ao seu estado original de fluidibilidade. Este tipo de fluido tem um

comportamento reológico inverso ao dos fluidos pseudoplásticos, os quais demonstram

uma redução da viscosidade quando aplicada uma tensão de cisalhamento.

As substâncias com comportamento dilatante são aquelas com uma alta concentração

(acima de 50%) de partículas defloculadas pequenas.

A explicação para o comportamento pouco coerente dos sistemas dilatantes é a seguinte:

como as partículas são muito numerosas e pequenas, quando não há uma tensão de

cisalhamento, as partículas encontram-se compactadas e há veículo suficiente para

"solvatá-las", podendo elas deslizar entre si. No entanto, quando uma tensão de

cisalhamento é aplicada, as partículas começam a se separar e, forma-se grandes lacunas

entre elas (preenchidas pelo veículo), restando pouco veículo para envolve-las. Assim, o

sistema torna-se mais consistente levando a um aumento da viscosidade. Ex.: amido de

milho em água ou pisar na areia molhada

Fluídos Pseudo-plásticos ou reofluidificante

Um grande número de produtos farmacêuticos, incluindo gomas sintéticas e naturais,

como por exemplo dispersões líquidas de alginato de sódio exibem um fluxo pseudo-

plástico. Os sistemas pseudoplásticos são compostos por polímeros em solução, ao

contrário dos sistemas plásticos que são compostos por substâncias floculadas em

suspensão. Não se pode atribuir aos pseudoplásticos apenas um valor de viscosidade. A

viscosidade dos materiais pseudoplásticos diminui com o aumento da taxa de

deformação. Ex.: cremes pomadas, soluções concentradas de polissacarídeos ou de

proteínas (polpas de frutas, caldos de fermentação e melação de cana).

Com tensão de cisalhamento inicial

Requerem a aplicação de uma tensão de cisalhamento superior a um certo valor para

que haja deformação. Tal comportamento é considerado conseqüência de uma estrutura

interna que impede a movimentação. Sob a ação de uma certa tensão, a estrutura do

fluido colapsa e se inicia a deformação.

Fluídos Plásticos ou Fluido de Bingham

Um fluído plástico apresenta um comportamento Newtoniano, a partir de uma

determinada tensão limite de escoamento, ou seja, valores de tensão de cisalhamento

inferiores não acarretarão nenhum escoamento do material. Ex.: purê de batata,

chocolate, vidro, batom, bala de goma, sabonete.

O fluxo da substância apenas inicia quando esta tensão de cisalhamento é alcançada.

Abaixo desta tensão de cislhamento, a substância age como um material elástico. Os

fluidos plásticos estão associados com a presença de partículas floculadas em

suspensões concentradas. O comportamento plástico deste fluido é devido às forças de

Van der Waals entre as partículas, as quais devem ser rompidas para que o fluido inicie

o fluxo. Consequentemente, o valor crítico é conhecido como a força de floculação.

Quanto mais floculada a suspensão, maior será seu valor crítico.

Fluídos Herschel-Bulkley : são fluídos que não o comportamento reológico com o

tempo. Ex.: fluídos alimentícios (óleos alimentares).

Determinação de Propriedades Reológicas

A escolha do viscosímetro

A determinação e avaliação bem sucedidas das propriedades reológicas de uma

formulação dependem largamente da escolha do correto método instrumental. Para

sistemas Newtonianos, nos quais a viscosidade é diretamente proporcional à tensão de

cisalhamento, pode-se tranqüilamente empregar os métodos de um único ponto

(viscosímetros pontuais). A partir deles obtêm-se um único ponto e, por extrapolação,

liga-se esse

ponto à origem traçando o perfeito reograma para os sistemas Newtonianos. Porém,

infelizmente, são poucos os fluidos providos desta facilidade. Então, devemos usar de

metodologias mais complexas, tais como os reômetros, instrumentos multipontos

capazes de fornecer dados para traçarmos um completo reograma de sistemas Não-

Newtonianos.

Tipos de Viscosímetro ou Reómetros

Viscosimetria

É a medida da viscosidade de compostos líquidos, emulsões e colóides. Viscosidade é a

resistência que esses fluidos possuem ao deslizamento de suas partículas. Existem

vários tipos de viscosímetros, sendo os principais:

Brookfield: consiste em um agitador rotativo (rotacional) que mede a

viscosidade do fluido com base na resistência por ele oferecida à agitação. (Para

medidas rápidas, determinação em formas farmacêuticas líquidas e semi-sólidas

com temperaturas entre 25º e 65º a 6, 12, 30 e 60 rpm).

Ostwald: inventado em 1900, consiste em um sistema de mangueiras onde é

cronometrado o tempo de escoamento do fluido do traço de referência superior

até o menisco inferior, sendo esse resultado comparado com o da água feito nas

mesmas condições. (É simples e de preço acessível, também utilizados por

laboratórios em exames de patologia clínica).

Copo de Ford: consiste em um copo metálico com um orifício na parte inferior

por onde escoa o fluido. Cronometra-se o tempo que o fluido leva para escoar

totalmente e compara-se com a água. (Determinam a viscosidade cinemática, a

25 ºC, de tintas, vernizes, resinas e outros líquidos com propriedades

Newtonianas.)

Figuras de Viscosímetros

Importância dos Estudos Reológicos

Os estudos reológicos são muito importantes para o controle de qualidade em várias

áreas: Ex.: farmacêutica, cosméticos e de higiene corporal, alimentícia e química.

Farmacêutica: a sua biodisponibilidade, sua estabilidade química o tempo de

escoamento do frasco, a extrusão de um tubo, o espalhar de uma pomada, o

dosemaneto de um produto, a estabilidade de uma suspensão ou emulsão, quanto

mais viscosidade mais lento é o movimento. Ex.: supositórios, óvulos vaginais,

medicamentos para artrite.

Cosméticos e higiene pessoal: modo como um creme espalha, a duração da

fixação, aplicação, distribuição, eficácia do produto e o tempo de escoamento do

recipiente e onde é armazenado o produto. Ex.: creme dental, gel para cabelo,

shampoo, cremes hidratantes e batons

Alimentícia: controle de qualidade de alimentos, textura e consistência. Ex.:

chocolates, pães, bolos, sorvetes e muitos outros alimentos.

Química: a forma como o produto escorre, a sua plasticidade, a forma como flui

do recipiente. Ex.: cola, tintas, vernizes e petróleo.

Laboratórios de Análises Clínicas: a reologia do sangue (hemácia afoiçada -

anemia falciforme) tem um papel importante na patogenese da oclusão

vascular; entretanto a reologia do sangue não é definida por um único fator mas

é influenciada por um número de fatores como a viscosidade plasmática,

hematócrito, concentração de hemoglobina celular, propriedades mecânicas de

membrana e relação volume/área de superfície das hemácias. Esses fatores estão

intimamente relacionados e a alteração em um parâmetro geralmente afeta o

outro. Assim, uma vez uma hemácia afoiçada torna-se desidratada, sua

deformabilidade diminui e isto por sua vez aumenta a viscosidade sangüínea.

Importância da Reologia na Construção Civil e Indústrias Petrolíferas

A reologia também é utilizada em materiais para construção e indústrias petrolíferas,

em materiais para construção tem gerado uma economia cerca de 12%, produzido como

o comum (areia, cimento, pedra e água). A diferença e a adição de uma espuma química

a mistura. Ao evaporar, a espuma provoca bolhas e deixa a parte interna da massa

porosa, parecida com chocolate aerado. Por causa do aumento do volume, utiliza-se

35% de material a menos para produzir a mesma quantidade que a massa comum

produziria. E a adequação da técnica, econômica, a construções populares que precisam

de baixo custo.

Na industria petroquímica é utilizada a reologia na tecnologia de engenharia de poços, é

utilizado o viscosímetro e rearômetros de última geração que são possíveis para

determinar os parâmetros reológicos de fluidos de perfuração formulados com

polímeros de estruturas moleculares as mais complexas. Os ensaios reológicos são

realizados de modo cisalhante e oscilatório, permitindo medidas de ordem viscosa e

elástica, respectivamente.

Objetivos

Determinação das propriedades reológicas de diferentes materiais usando-se diferentes

métodos ou aparelhos comercialmente conhecidos, observando-se e analisando-se as

diferenças de resultados entre os diferentes aparelhos e suas respectivas vantagens e

desvantagens.

Conclusão

Pudemos concluir que para se conhecer de modo eficaz e confiável o comportamento

reológico de um fluido é indispensável o uso de um reômetro. Ainda pudemos constatar

a influência do uso de diferentes viscosímetros em relação ao resultado obtido, mais

especificamente se o fluido for um material não newtoniano.

Seu uso, porém, não deve ser abolido totalmente, pois são muito úteis quando

trabalhamos com fluidos newtonianos ou plásticos de Binghan, e em controle de

qualidade não muito rigoroso.

Por fim, conseguimos visualizar de modo didático as vantagens e desvantagens dos

diferentes equipamentos.

A importância da Reologia em várias áreas da Indústria, tanto para eficácia de produtos

como no controle de qualidade dos mesmos.

Glossário

Adenilato ciclase: é uma enzima que converte o ATP no segundo mensageiro AMP

cíclico (AMPc). A proteína Gs está envolvida na estimulação da adenilato ciclase, ao

passo que a proteína Gi inibe essa enzima, sendo que a maioria dos receptores que

regula a ação do AMPc o fazem através do seu efeito em uma dessas proteínas G. Um

efeito central do AMPc é a ativação da proteína quinase A (PKA), uma enzima que

regula canais iônicos, elementos do citoesqueleto e fatores de transcrição, constituindo,

desse modo, um passo crítico nas modificações neurobiológicas duradouras. Um dos

fatores de transcrição fosforilados e modulados pela PKA é a AMPc response element

binding protein (CREB), que regula numerosos processos neuronais, incluindo

excitação, desenvolvimento e apoptose de neurônios e plasticidade sináptica.

Alginato: é extraído de algas marrons da classe Phaeophyceae. O alginato forma gel em

temperatura ambiente na presença de pequenas quantidades do íon cálcio e de outros

metais bi ou trivalentes. É muito usado para aumentar a viscosidade de sucos de frutas e

permitir a formação da dispersão dos insolúveis no suco. São usados em sorvetes,

contribuindo para o corpo, textura e resistência à formação de grandes cristais de gelo.

São usadas em recheios de tortas, coberturas para bolos, para a textura característica

desses produtos. Em pudins e similares, são usados como espessantes, e em cervejas

como estabilizante de espuma.

Cisalhamento: deformação das rochas em zonas tensionadas que sofrem pressão

dirigida, levando a ruptura e deformações texturais e estruturais com deslocamentos

paralelizados ao plano principal de ruptura próximo.

CGS de unidades: é um sistema de unidades de medidas físicas onde as unidades de

base são o centímetro para o comprimento, o grama para a massa e o segundo para o

tempo.

Colóides: são sistemas de pequenas partículas suspensas em fluido, não se consegue

preparar soluções coloidais de substâncias sólidas insolúveis.

Emulsificantes: Produzem uma textura mais macia e corpo mais firme e seco, reduzem

tempo de batimento e aeração. Promovem uma aeração uniforme. O uso desses aditivos

resulta em bolhas de ar menores, que são distribuídas mais uniformemente na estrutura

interna do sorvete. Outros efeitos são: a diminuição do tamanho do cristal de gelo e a

melhor resistência à fusão.

Estabilizantes: auxilia na manutenção de uma textura macia pela inibição da formação

de cristais de gelo grandes, durante o manuseio pelo fabricante, comerciante e

consumidor, entre a manufatura e o consumo. O mecanismo consiste em reduzir a água

livre do sistema ligando a água como água de hidratação ou imobilizando-a, dentro de

uma estrutura de gel. Todos os estabilizantes aumentam a viscosidade da porção não

congelada da mistura, o que restringe a migração do núcleo de cristalização, limitando,

portanto, a velocidade de cristalização.

Extrusão: é um processo de tratamento térmico que dá novas características funcionais,

nutricionais e estruturais a produtos feitos a partir de matérias-primas como proteínas e

amidos.

Histereses: A energia perdida que está envolvida com a tensão elástica, produz uma

fonte muito pequena de fricção no freio.

Poise ou centiPoise (mPa/s): utilizada na leitura de viscosidade de fluidos pseudo-

plásticos. Viscosímetros: Brookfield, Haake.

Polímeros carboxivinílicos

utilizados como agentes espessantes, de suspensão, formadores de géis transparentes

para cabelos e cremes dermatológicos; Uvasorb, benzofenonas utilizadas como

absorvedores de UV, para filtros e bloqueadores solares, xampus, cremes e loções

bronzeadoras; Abiol, imidazolidina uréia, utilizada como agente preservante contra

bactérias gram-positivas e negativas, em loções, cremes, géis e xampus.

Poliquaternário 6: empregado como agente auxiliar do pentear em xampus

condicionadores, tinturas para cabelos, laquês e sabonetes líquidos.

Reopeticiade: veja tixotrópico

Tixotrópico: provém da associação do grego thixis (toque) + trópico, que, basicamente

quer dizer, "muda com o toque". Segundo diferentes referências científicas, a

"tixotropia" é uma propriedade que certas misturas em gel possuem, de se

transformarem em líquidos quando expostas a forças de pressão ou vibração.

Valor Crítico: valor pré determinado