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Curso de Fundamentos de Reologia Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais Reologia de Suspensões João Batista Rodrigues Neto. INTRODUÇÃO. Sumário: Conceitos básicos Evolução histórica Definições Variáveis que afetam a viscosidade - Pressão - Temperatura
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Curso de Fundamentos de Reologia Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais Reologia de Suspensões João Batista Rodrigues Neto
INTRODUÇÃO • 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
CONCEITOS SUSPENSÃO REOLOGIA Apresenta uma microestrutura composta por partículas sólidas incluídas em um meio líquido O comportamento reológico de uma suspensão se apresenta dentro dos limites entre um sólido e um líquido.
CONCEITOS Aerosol e Aerogel Emulsão e Pasta Suspensão, Emulsão e Gel
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 l = (2/3).db.( 1-Fb )/Fb O livre caminho médio (l) é um bom indicador para definir-se a “concentração” de uma suspensão l = Livre caminho médio db= Diâmetro médio Fb = Fração volumétrica
CONCEITOS l é grande l >> db SUSPENSÕES DILUÍDAS Ocorre quando Fb é “pequeno” (< 0,05) e/ou db é “grande” Probabilidade de contatos entre partículas é pequena Teoria das colisões entre 2 corpos
EVOLUÇÃO HISTÓRICA Suspensões diluídas
CONCEITOS l é pequeno l > db SUSPENSÕES “MODERADAMENTE” CONCENTRADAS Ocorre para Fb “intermediário” (> 0,05 ) e/ou db é “pequeno” Suspensões onde não há interações interpartículas já apresenta comportamento viscoelastico Probabilidade de contatos entre partículas é grande Colisões entre diversos corpos
EVOLUÇÃO HISTÓRICA Suspensões Moderadamente Concentradas
CONCEITOS l é pequeno l ≤ db SUSPENSÕES CONCENTRADAS Ocorre quando Fb é elevado (> 0,3) e/ou db é “muito pequeno” Forças de interação interpartícula começam a atuar (db≤ 1mm) Probabilidade de contatos entre partículas é ~ 100% Colisões entre diversos corpos
EVOLUÇÃO HISTÓRICA Suspensões Concentradas
EVOLUÇÃO HISTÓRICA Suspensões Concentradas
EVOLUÇÃO HISTÓRICA 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.)
SUSPENSÕES COLOIDAIS Sistemas Cerâmicos Hidrofóbicos Sólido Insolúvel Interface Sólido-Líquido Pó 1mm a 1 nm Propriedades do sistema são governadas por eventos que ocorrem na interface, ou seja, por propriedades de superfície. m2/g
SUSPENSÕES COLOIDAIS Termodinâmica Sistema coloidal hidrofóbico não possui estabilidade Separação de fases tende a ser espontânea Coalescência/floculação e/ou precipitação
SUSPENSÕES COLOIDAIS Cinética Partículas pequenas Lei de Stokes Pequena velocidade de sedimentação Suspensões Diluídas Suspensões Concentradas Coalescência Floculação Gelificação Estrutura 3D
SUSPENSÕES COLOIDAIS • 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.
SUSPENSÕES COLOIDAIS • 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
SUSPENSÕES COLOIDAIS Movimento Browniano Colisão entre as partículas dispersas Repulsão Atração Coalescência Floculação Dispersão SUSPENSÃO INSTÁVEL SUSPENSÃO ESTÁVEL
SUSPENSÕES 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 Suspensão 1 – Caráter anfótero da superfície. 2 – A dupla camada iônica. 3 – O Potencial Zeta.
SUSPENSÕES COLOIDAIS Ponto de Carga Zero (PZC) pH
SUSPENSÕES COLOIDAIS A Dupla Camada Iônica
SUSPENSÕES COLOIDAIS O Potencial Eletrocinético ou Potencial Zeta
SUSPENSÕES COLOIDAIS O Potencial Eletrocinético ou Potencial Zeta Ponto de Carga Zero (PZC) pH
SUSPENSÕES COLOIDAIS • 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. Instaura-se uma barreira energética que impede a aglomeração das partículas dispersas. ESTABILIDADE
EVOLUÇÃO HISTÓRICA SOL SOL • Suspensão estável. • Apresenta uma distribuição aleatória de partículas no interior da fase líquida. • Suspensão defloculada ou peptizada.
EVOLUÇÃO HISTÓRICA GEL GEL • Suspensão instável. • As partículas tende a formar aglomerados. • A fase sólida pode ser tratada com um todo. Estrutura floculada tridimensional (separação de fases).
SUSPENSÕES COLOIDAIS Teoria DLVO
SUSPENSÕES COLOIDAIS Teoria DLVO VAa 1/D6 VRa 1/D2 Van der Walls London Eletrostático
SUSPENSÕES COLOIDAIS • 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).
SUSPENSÕES COLOIDAIS Teoria DLVO
SUSPENSÕES COLOIDAIS • Ex: Efeito do conteúdo de sólidos
SUSPENSÕES COLOIDAIS • Ex: Suspensão Defloculada
