Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos da Amazônia

UFAMUniversidade Federal do Amazonas

FT - ENGRAMLucas F. Berti

Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos da Amazônia

ReologiaProf. Dr. Lucas Freitas Berti

Curso de Reologia


FT - ENGRAMFT - ENGRAMLucas F. Berti

Sumário:

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

– Pressão– Temperatura– Taxa de deformação

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

INTRODUÇÃO



CONCEITOS

REOLOGIA

CIÊNCIA DO FLUXO. DEFORMAÇÃO DE UM CORPO SUBMETIDO A ESFORÇOS EXTERNOS.

REOMETRIA

CONSISTE NA DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DO COMPORTAMENTO DE FLUXO



CONCEITOS

SUSPENSÃO

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

REOLOGIA

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



CONCEITOS

Gás

Sólido

Dispersões

Líquido

Aerosol e Aerogel

Suspensão, Emulsão e Gel

Emulsão e Pasta



CONCEITOS

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

1 – Concentração volumétrica de sólidos

2 – Distribuição de tamanho de partículas

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



CONCEITOS

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

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



CONCEITOS

Fullman (1953), Modelo quantitativo microestrutural

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

l = (2/3).db .( 1-Fb )/Fb

l = Livre caminho médiodb= Diâmetro médioFb = Fração volumétrica



CONCEITOS

SUSPENSÕES DILUÍDAS

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

l é grandel >> db

Probabilidade de contatos entre partículas é pequena

Teoria das colisões entre

2 corpos



EVOLUÇÃO HISTÓRICA

Suspensões diluídas



CONCEITOS

SUSPENSÕES “MODERADAMENTE” CONCENTRADAS

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

Suspensões onde não há interações interpartículas já apresenta comportamento viscoelastico

l é pequenol > db

Probabilidade de contatos entre partículas é grande

Colisões entre diversos corpos




Suspensões Moderadamente Concentradas




SUSPENSÕES CONCENTRADAS

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

Forças de interação interpartícula começam a atuar (db ≤ 1mm)

l é pequenol ≤ db

Probabilidade de contatos entre partículas é ~ 100%

Colisões entre diversos corpos




Suspensões Concentradas





~0,65



SUSPENSÕES COLOIDAIS

Reologia de Suspensões Coloidais

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

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

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




Hidrofóbicos

Sistemas Cerâmicos

Propriedades do sistema são governadas por eventos que

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

Interface Sólido-Líquido

Sólido Insolúvel

Pó 1mm a 1 nm

m2/g




Sistema coloidal hidrofóbico não possui estabilidade

Termodinâmica

Coalescência/floculação e/ou precipitação

Separação de fases tende a ser espontânea




Partículas pequenas

Cinética

Pequena velocidade de sedimentação

Lei de Stokes


Suspensões Diluídas

CoalescênciaFloculação

GelificaçãoEstrutura 3D




Movimento Browniano

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

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

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




Movimento Browniano

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

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

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

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

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

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




Movimento Browniano

Colisão entre as partículas dispersas

RepulsãoAtração

SUSPENSÃO INSTÁVEL SUSPENSÃO ESTÁVEL

CoalescênciaFloculação Dispersão




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

Estabilidade da Suspensão1 – Caráter anfótero da superfície.

2 – A dupla camada iônica.

3 – O Potencial Zeta.




Ponto de Carga Zero (PZC)

pH




Material Fórmula Química PCZQuartzo SiO2 1

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

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

Itria Y2O3 11 Magnésia MgO 12 - 13

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




A Dupla Camada Iônica




O Potencial Eletrocinético ou Potencial Zeta




O Potencial Eletrocinético ou Potencial Zeta

Ponto de Carga Zero (PZC)

pH




A Estabilidade de Suspensões Coloidais

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

ESTABILIDADE

Instaura-se uma barreira energética

que impede a aglomeração das

partículas dispersas.




SOL

Suspensão estável.

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

Suspensão defloculada ou peptizada.

SOL




GEL

Suspensão instável.

As partículas tende a formar aglomerados.

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

GEL




Teoria DLVO




Teoria DLVO

VR 1/D2

VA 1/D6

Eletrostático

Van der WallsLondon




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




Teoria DLVO




Ex: Efeito do conteúdo de sólidos




Ex: Suspensão Defloculada

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