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Curso de Fundamentos de ReologiaCurso de Fundamentos de Reologia
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
Reologia de SuspensõesReologia de Suspensões
João Batista Rodrigues NetoJoão Batista Rodrigues Neto
Sumário:Sumário:
• Conceitos básicos • Evolução histórica• Definições • Variáveis que afetam a viscosidade
- Pressão- Temperatura- Taxa de deformação
• Comportamento de fluxo• Modelos lineares• Modelos Não lineares• O ponto de fluxo – Tensão de Escoamento• Comportamento dependente do tempo
INTRODUÇÃOINTRODUÇÃO
CONCEITOSCONCEITOS
SUSPENSÃOSUSPENSÃO
Apresenta uma microestrutura composta por partículas sólidas incluídas em um meio líquido
REOLOGIAREOLOGIA
O comportamento reológico de uma suspensão se apresenta dentro dos limites entre um sólido e um líquido.
CONCEITOSCONCEITOS
Aerosol e AerogelAerosol e Aerogel
Suspensão, Suspensão, Emulsão e Gel Emulsão e Gel
Emulsão e PastaEmulsão e Pasta
As propriedades reológicas de uma suspensão são influenciadas, de maneira marcantes, pelas características físico-químicas da fase sólida presente.
CONCEITOSCONCEITOS
1 – Concentração volumétrica de sólidos1 – Concentração volumétrica de sólidos
2 – Distribuição de tamanho de partículas2 – Distribuição de tamanho de partículas
3 – Interações 3 – Interações (atração e repulsão)(atração e repulsão) entre as partículas dispersas entre as partículas dispersas
As características de fluxo de uma suspensão são definidas em As características de fluxo de uma suspensão são definidas em função da relação entre o movimento de translação/rotação função da relação entre o movimento de translação/rotação das partículas sólidas no interior do líquido e as interações das partículas sólidas no interior do líquido e as interações interpartícula.interpartícula.
CONCEITOSCONCEITOS
O movimento das O movimento das partículas durante o partículas durante o fluxo é dependente fluxo é dependente da da “concentração”“concentração” da da suspensãosuspensão
Fullman (1953), Modelo quantitativo microestruturalFullman (1953), Modelo quantitativo microestrutural
CONCEITOSCONCEITOS
O livre caminho médio (O livre caminho médio () é um ) é um bom indicador para definir-se a bom indicador para definir-se a “concentração” de uma “concentração” de uma suspensãosuspensão
= (2/3).d= (2/3).d .( 1-.( 1- )/ )/
= Livre caminho médio= Livre caminho médio
dd= Diâmetro médio= Diâmetro médio
= Fração volumétrica= Fração volumétrica
SUSPENSÕES DILUÍDASSUSPENSÕES DILUÍDAS
Ocorre quando Ocorre quando é “pequeno” (< 0,05) e/ou d é “pequeno” (< 0,05) e/ou d é “grande” é “grande”
CONCEITOSCONCEITOS
é grandeé grande >> d>> d
Probabilidade de contatos Probabilidade de contatos entre partículas é pequenaentre partículas é pequena
Teoria das Teoria das colisões entre colisões entre
2 corpos2 corpos
EVOLUÇÃO HISTÓRICAEVOLUÇÃO HISTÓRICA
Suspensões diluídasSuspensões diluídas
SUSPENSÕES “MODERADAMENTE” CONCENTRADASSUSPENSÕES “MODERADAMENTE” CONCENTRADAS
Ocorre para Ocorre para “intermediário” (> 0,05 ) e/ou d “intermediário” (> 0,05 ) e/ou d é “pequeno” é “pequeno”
Suspensões onde não há interações interpartículas já Suspensões onde não há interações interpartículas já apresenta comportamento viscoelasticoapresenta comportamento viscoelastico
CONCEITOSCONCEITOS
é pequenoé pequeno > d> d
Probabilidade de contatos Probabilidade de contatos entre partículas é grandeentre partículas é grande
Colisões entre Colisões entre diversos diversos corposcorpos
EVOLUÇÃO HISTÓRICAEVOLUÇÃO HISTÓRICA
Suspensões Moderadamente ConcentradasSuspensões Moderadamente Concentradas
SUSPENSÕES CONCENTRADASSUSPENSÕES CONCENTRADAS
Ocorre quando Ocorre quando é elevado (> 0,3) e/ou d é elevado (> 0,3) e/ou d é “muito pequeno” é “muito pequeno”
Forças de interação interpartícula começam a atuar (dForças de interação interpartícula começam a atuar (d≤ 1≤ 1m)m)
CONCEITOSCONCEITOS
é pequenoé pequeno ≤ ≤ dd
Probabilidade de contatos Probabilidade de contatos entre partículas é ~ 100%entre partículas é ~ 100%
Colisões entre Colisões entre diversos diversos corposcorpos
EVOLUÇÃO HISTÓRICAEVOLUÇÃO HISTÓRICA
Suspensões ConcentradasSuspensões Concentradas
EVOLUÇÃO HISTÓRICAEVOLUÇÃO HISTÓRICA
Suspensões ConcentradasSuspensões Concentradas
EVOLUÇÃO HISTÓRICAEVOLUÇÃO HISTÓRICA
Suspensões ConcentradasSuspensões Concentradas
~0,65~0,65
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
Reologia de Suspensões ColoidaisReologia de Suspensões Coloidais
- Os sistemas coloidais envolvem uma classe específica de dispersões onde o diâmetro das “partículas” dispersas exercem papel determinante sobre as propriedades dessa dispersão.
- As dispersões coloidais são obtidas quando o tamanho das partículas dispersas estão dentro do intervalo entre 1 1 m e 1 nmm e 1 nm.
- Será utilizado o exemplo das suspensões coloidais cerâmicas como instrumento de caracterização do comportamento reológico dos sistemas colidais (aerosol, emulsões, etc.)
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
HidrofóbicosHidrofóbicos
Sistemas CerâmicosSistemas Cerâmicos
Propriedades do sistema são Propriedades do sistema são governadas por eventos que governadas por eventos que
ocorrem na interface, ou seja, ocorrem na interface, ou seja, por propriedades de superfície.por propriedades de superfície.
Interface Interface Sólido-LíquidoSólido-Líquido
Sólido InsolúvelSólido Insolúvel
Pó 1Pó 1m a 1 nmm a 1 nm
mm22/g/g
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
Sistema coloidal hidrofóbico Sistema coloidal hidrofóbico não possui estabilidadenão possui estabilidade
TermodinâmicaTermodinâmica
Coalescência/floculação Coalescência/floculação e/ou precipitaçãoe/ou precipitação
Separação de fases Separação de fases tende a ser espontâneatende a ser espontânea
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
Partículas pequenasPartículas pequenas
CinéticaCinética
Pequena velocidade de Pequena velocidade de sedimentaçãosedimentação
Lei de StokesLei de Stokes
Suspensões Suspensões ConcentradasConcentradas
Suspensões Suspensões DiluídasDiluídas
CoalescênciaCoalescênciaFloculaçãoFloculação
GelificaçãoGelificaçãoEstrutura 3DEstrutura 3D
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
Movimento BrownianoMovimento Browniano
- As partículas de uma suspensão coloidal são animadas por um movimento desordenado e incessante definido como “Movimento “Movimento Browniano”Browniano”.
- Tal evento ocorre devido aos choques produzidos pelas moléculas do líquido (vibração térmica e auto-difusão) junto as partículas sólidas dispersas.
- Como o tamanho das partículas é muito pequeno, os efeitos gravitacionais não se manifestam significativamente permitindo que as moléculas do líquido induzam movimento nessas partículas.
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
Movimento BrownianoMovimento Browniano
http://www.youtube.com/watch?v=UDj7BXA1CHU
http://www.youtube.com/watch?v=_ri398BViQk
http://www.scielo.br/pdf/rbef/v27n2/a13v27n2.pdf
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
Movimento BrownianoMovimento Browniano
Colisão entre as Colisão entre as partículas dispersaspartículas dispersas
RepulsãoRepulsãoAtraçãoAtração
SUSPENSÃO INSTÁVELSUSPENSÃO INSTÁVEL SUSPENSÃO ESTÁVELSUSPENSÃO ESTÁVEL
CoalescênciaCoalescênciaFloculaçãoFloculação DispersãoDispersão
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
Serão apresentados, a seguir, alguns conceitos fundamentais para a compreensão de quando e porque há atração ou repulsão entre as partículas dispersas , para o caso de uma suspensão coloidal cerâmica em meio aquoso (eletrólito).
Estabilidade da Estabilidade da SuspensãoSuspensão1 – Caráter anfótero da superfície.1 – Caráter anfótero da superfície.
2 – A dupla camada iônica.2 – A dupla camada iônica.
3 – O Potencial Zeta.3 – O Potencial Zeta.
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
Ponto de Carga Ponto de Carga Zero (PZC)Zero (PZC)
pHpH
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
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
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
A Dupla Camada IônicaA Dupla Camada Iônica
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
O Potencial Eletrocinético ou Potencial ZetaO Potencial Eletrocinético ou Potencial Zeta
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
O Potencial Eletrocinético ou Potencial ZetaO Potencial Eletrocinético ou Potencial Zeta
Ponto de Carga Ponto de Carga Zero (PZC)Zero (PZC)
pHpH
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
A Estabilidade de Suspensões ColoidaisA Estabilidade de Suspensões Coloidais
Com base nos conceitos apresentados anteriormente pode-se agora dar um sentido mais preciso com relação à estabilidade de uma suspensão coloidal cerâmica.
ESTABILIDADEESTABILIDADE
Instaura-se uma Instaura-se uma barreira energética barreira energética
que impede a que impede a aglomeração das aglomeração das
partículas partículas dispersas.dispersas.
EVOLUÇÃO HISTÓRICAEVOLUÇÃO HISTÓRICA
SOLSOL
Suspensão Suspensão estável.estável.
Apresenta uma Apresenta uma distribuição aleatória de distribuição aleatória de partículaspartículas no interior da fase líquida. no interior da fase líquida.
Suspensão Suspensão defloculada ou peptizada.defloculada ou peptizada.
SOLSOL
EVOLUÇÃO HISTÓRICAEVOLUÇÃO HISTÓRICA
GELGEL
Suspensão Suspensão instável.instável.
As partículas tende a formar As partículas tende a formar aglomerados.aglomerados.
A A fase sólida fase sólida pode ser pode ser tratada com um tratada com um todotodo. Estrutura floculada tridimensional . Estrutura floculada tridimensional ((separação de fasesseparação de fases).).
GELGEL
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
Teoria DLVOTeoria DLVO
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
Teoria DLVOTeoria DLVO
VVRR 1/D 1/D22
VVAA 1/D 1/D66
EletrostáticoEletrostático
Van der WallsVan der WallsLondonLondon
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
Estabilização poliméricaEstabilização polimérica
Quando adiciona-se moléculas orgânicas dissolvidas no meio l´quido Quando adiciona-se moléculas orgânicas dissolvidas no meio l´quido de uma suspensão coloidal, surge um novo tipo de força repulsiva de uma suspensão coloidal, surge um novo tipo de força repulsiva entre as partículas dispersas ocasionada por um entre as partículas dispersas ocasionada por um “impedimento “impedimento estérico”estérico” (efeito restritivo de volume). (efeito restritivo de volume).
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
Teoria DLVOTeoria DLVO
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
Ex: Efeito do conteúdo de sólidosEx: Efeito do conteúdo de sólidos
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS
Ex: Suspensão DefloculadaEx: Suspensão Defloculada
SUSPENSÕES COLOIDAISSUSPENSÕES COLOIDAIS