Curso de Reologia
FT - ENGRAM
Programa de Pós-Graduação em
Engenharia de Recursos da
Amazônia
Reologia
Prof. Dr. Lucas Freitas Berti
Lucas F. Berti
INTRODUÇÃO
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Sumário:
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•
Conceitos básicos
Evolução histórica
Definições
Variáveis que afetam a viscosidade
– Pressão
– Temperatura
– Taxa de deformação
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•
•
Comportamento de fluxo
Modelos lineares
Modelos Não lineares
O ponto de fluxo – Tensão de Escoamento
Comportamento dependente do tempo
Lucas F. Berti
CONCEITOS
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Lucas F. Berti
REOMETRIA
CONSISTE NA DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL
DO COMPORTAMENTO DE FLUXO
REOLOGIA
CIÊNCIA DO FLUXO. DEFORMAÇÃO DE UM
CORPO SUBMETIDO A ESFORÇOS EXTERNOS.
CONCEITOS
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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
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Aerosol e Aerogel
Gás
Emulsão e Pasta
Suspensão,
Emulsão e Gel
Dispersões
Sólido
Líquido
CONCEITOS
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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
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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
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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
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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
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Suspensões diluídas
CONCEITOS
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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
EVOLUÇÃO HISTÓRICA
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Suspensões Moderadamente Concentradas
EVOLUÇÃO HISTÓRICA
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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
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Suspensões Concentradas
EVOLUÇÃO HISTÓRICA
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Suspensões Concentradas
EVOLUÇÃO HISTÓRICA
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Suspensões Concentradas
~0,65
SUSPENSÕES COLOIDAIS
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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
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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
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Termodinâmica
Sistema coloidal hidrofóbico
não possui estabilidade
Separação de fases
tende a ser espontânea
Coalescência/floculação
e/ou precipitação
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SUSPENSÕES COLOIDAIS
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Cinética
Partículas pequenas
Lei de Stokes
Pequena velocidade de
sedimentação
Suspensões
Diluídas
Suspensões
Concentradas
Coalescência
Floculação
Gelificação
Estrutura 3D
SUSPENSÕES COLOIDAIS
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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
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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
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SUSPENSÕES COLOIDAIS
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Movimento Browniano
Colisão entre as
partículas dispersas
Atração
Repulsão
Coalescência
Floculação
Dispersão
SUSPENSÃO INSTÁVEL
SUSPENSÃO ESTÁVEL
SUSPENSÕES COLOIDAIS
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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
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Ponto de Carga
Zero (PZC)
pH
SUSPENSÕES COLOIDAIS
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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
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SUSPENSÕES COLOIDAIS
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SUSPENSÕES COLOIDAIS
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A Dupla Camada Iônica
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SUSPENSÕES COLOIDAIS
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O Potencial Eletrocinético ou Potencial Zeta
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SUSPENSÕES COLOIDAIS
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O Potencial Eletrocinético ou Potencial Zeta
Ponto de Carga Zero
(PZC)
pH
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SUSPENSÕES COLOIDAIS
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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.
SUSPENSÕES COLOIDAIS
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SOL
SOL
Suspensão estável.
Apresenta uma distribuição aleatória de
partículas no interior da fase líquida.
Suspensão defloculada ou peptizada.
SUSPENSÕES COLOIDAIS
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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
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Teoria DLVO
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SUSPENSÕES COLOIDAIS
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Teoria DLVO
VR  1/D2
Eletrostático
Van der Walls
London
VA  1/D6
SUSPENSÕES COLOIDAIS
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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
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Teoria DLVO
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SUSPENSÕES COLOIDAIS
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SUSPENSÕES COLOIDAIS
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Ex: Efeito do conteúdo de sólidos
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SUSPENSÕES COLOIDAIS
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SUSPENSÕES COLOIDAIS
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SUSPENSÕES COLOIDAIS
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Ex: Suspensão Defloculada
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