Fundamentos de Reologia-Estabilidade de Suspensões

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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:
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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
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
Aerosol e Aerogel
Gás
Emulsão e Pasta
Suspensão,
Emulsão e Gel
Dispersões
Sólido
Líquido
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
l = Livre caminho médio
db= Diâmetro médio
Fb = Fração volumétrica
O livre caminho médio (l) é um
bom indicador para definir-se a
“concentração” de uma suspensão
CONCEITOS
SUSPENSÕES DILUÍDAS
Ocorre quando Fb é “pequeno” (< 0,05) e/ou db é “grande”
Teoria das
colisões entre
2 corpos
l é grande
l >> db
Probabilidade de contatos
entre partículas é pequena
EVOLUÇÃO HISTÓRICA
Suspensões diluídas
CONCEITOS
SUSPENSÕES “MODERADAMENTE” CONCENTRADAS
Ocorre para Fb “intermediário” (> 0,05 ) e/ou db é “pequeno”
Colisões entre
diversos
corpos
l é pequeno
l > db
Probabilidade de contatos
entre partículas é grande
Suspensões onde não há interações interpartículas já apresenta
comportamento viscoelastico
EVOLUÇÃO HISTÓRICA
Suspensões Moderadamente Concentradas
CONCEITOS
SUSPENSÕES CONCENTRADAS
Ocorre quando Fb é elevado (> 0,3) e/ou db é “muito pequeno”
Colisões entre
diversos
corpos
l é pequeno
l ≤ db
Probabilidade de contatos
entre partículas é ~ 100%
Forças de interação interpartícula começam a atuar (db ≤ 1mm)
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
Pó 1mm a 1 nm
m2/g
Interface
Sólido-Líquido
Propriedades do sistema são
governadas por eventos que
ocorrem na interface, ou seja,
por propriedades de superfície.
Sólido Insolúvel
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
Atração
Repulsão
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).
1 – Caráter anfótero da superfície.
2 – A dupla camada iônica.
3 – O Potencial Zeta.
Estabilidade da
Suspensão
SUSPENSÕES COLOIDAIS
Ponto de Carga
Zero (PZC)
pH
SUSPENSÕES COLOIDAIS
Material
Fórmula Química
PCZ
Quartzo
SiO2
1
Sílica Amorfa
SiO2
3-4
Zirconia
ZrO2
4-5
Rutilo
TiO2
4-5
Magnetita
Fe3O4
6-7
Fe2O3
Hematita
6-9
Al2O3
c Alumina
7-9
 Alumina
 Al2O3
9 – 9,5
Itria
Y2O3
11
Magnésia
MgO
12 - 13
Albita
Na2O . Al2O3 . 6 SiO2
2
Caulim
Al2O3 . SiO2 . 2H2O
6-7
Mulita
3Al2O3 . 2SiO2
7-8
SUSPENSÕES COLOIDAIS
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.
ESTABILIDADE
Instaura-se uma
barreira energética
que impede a
aglomeração das
partículas
dispersas.
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
VR  1/D2
Eletrostático
Van der Walls
London
VA  1/D6
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
SUSPENSÕES COLOIDAIS
Ex: Efeito do conteúdo de sólidos
SUSPENSÕES COLOIDAIS
SUSPENSÕES COLOIDAIS
SUSPENSÕES COLOIDAIS
SUSPENSÕES COLOIDAIS
Ex: Suspensão Defloculada
SUSPENSÕES COLOIDAIS

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