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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.

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1 Curso de Fundamentos de Reologia Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais Reologia de Suspensões João Batista Rodrigues Neto

2 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

3 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.

4 CONCEITOS GásSólido Dispersões Líquido Aerosol e Aerogel Suspensão, Emulsão e Gel Emulsão e Pasta

5 As propriedades reológicas de uma suspensão são influenciadas, de maneira marcantes, pelas características físico-químicas da fase sólida presente. CONCEITOS 1 – Concentração volumétrica de sólidos 2 – Distribuição de tamanho de partículas 3 – Interações (atração e repulsão) entre as partículas dispersas

6 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. CONCEITOS O movimento das partículas durante o fluxo é dependente da concentração da suspensão

7 Fullman (1953), Modelo quantitativo microestrutural Fullman (1953), Modelo quantitativo microestrutural CONCEITOS O livre caminho médio () é um bom indicador para definir-se a concentração de uma suspensão = (2/3).d.( 1- )/ = (2/3).d.( 1- )/ = Livre caminho médio = Livre caminho médio d = Diâmetro médio = Fração volumétrica = Fração volumétrica

8 SUSPENSÕES DILUÍDAS Ocorre quando é pequeno (< 0,05) e/ou d é grande CONCEITOS é grande é grande >> d >> d Probabilidade de contatos entre partículas é pequena Teoria das colisões entre 2 corpos

9 EVOLUÇÃO HISTÓRICA Suspensões diluídas

10 SUSPENSÕES MODERADAMENTE CONCENTRADAS Ocorre para intermediário (> 0,05 ) e/ou d é pequeno Suspensões onde não há interações interpartículas já apresenta comportamento viscoelastico CONCEITOS é pequeno é pequeno > d > d Probabilidade de contatos entre partículas é grande Colisões entre diversos corpos

11 EVOLUÇÃO HISTÓRICA Suspensões Moderadamente Concentradas

12 SUSPENSÕES CONCENTRADAS Ocorre quando é elevado (> 0,3) e/ou d é muito pequeno Forças de interação interpartícula começam a atuar (d 1m) CONCEITOS é pequeno é pequeno d d Probabilidade de contatos entre partículas é ~ 100% Colisões entre diversos corpos

13 EVOLUÇÃO HISTÓRICA Suspensões Concentradas

14 EVOLUÇÃO HISTÓRICA Suspensões Concentradas

15 EVOLUÇÃO HISTÓRICA Suspensões Concentradas ~0,65

16 SUSPENSÕES COLOIDAIS Reologia de 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. 1 m e 1 nm - As dispersões coloidais são obtidas quando o tamanho das partículas dispersas estão dentro do intervalo entre 1 m e 1 nm. - Será utilizado o exemplo das suspensões coloidais cerâmicas como instrumento de caracterização do comportamento reológico dos sistemas colidais (aerosol, emulsões, etc.)

17 SUSPENSÕES COLOIDAIS 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 1m a 1 nm m 2 /g

18 SUSPENSÕES COLOIDAIS Sistema coloidal hidrofóbico não possui estabilidade Termodinâmica Coalescência/floculação e/ou precipitação Separação de fases tende a ser espontânea

19 SUSPENSÕES COLOIDAIS Partículas pequenas Cinética Pequena velocidade de sedimentação Lei de Stokes Suspensões Concentradas SuspensõesDiluídas CoalescênciaFloculação Gelificação Estrutura 3D

20 SUSPENSÕES COLOIDAIS Movimento Browniano Movimento Browniano 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.

21 SUSPENSÕES COLOIDAIS Movimento Browniano Movimento Browniano

22 SUSPENSÕES COLOIDAIS Movimento Browniano Colisão entre as partículas dispersas Repulsão Atração SUSPENSÃO INSTÁVEL SUSPENSÃO ESTÁVEL CoalescênciaFloculação Dispersão

23 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.

24 SUSPENSÕES COLOIDAIS Ponto de Carga Zero (PZC) pH

25 SUSPENSÕES COLOIDAIS MaterialFórmula QuímicaPCZ QuartzoSiO 2 1 Sílica AmorfaSiO ZirconiaZrO RutiloTiO MagnetitaFe 3 O Hematita Fe 2 O c Alumina Al 2 O Alumina Al 2 O 3 9 – 9,5 ItriaY2O3Y2O3 11 MagnésiaMgO AlbitaNa 2 O. Al 2 O 3. 6 SiO 2 2 CaulimAl 2 O 3. SiO 2. 2H 2 O6 - 7 Mulita3Al 2 O 3. 2SiO

26 SUSPENSÕES COLOIDAIS

27 A Dupla Camada Iônica

28 SUSPENSÕES COLOIDAIS O Potencial Eletrocinético ou Potencial Zeta

29 SUSPENSÕES COLOIDAIS O Potencial Eletrocinético ou Potencial Zeta Ponto de Carga Zero (PZC) pH

30 SUSPENSÕES COLOIDAIS A Estabilidade de 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.

31 EVOLUÇÃO HISTÓRICA SOL Suspensão estável. Suspensão estável. Apresenta uma distribuição aleatória de partículas no interior da fase líquida. Apresenta uma distribuição aleatória de partículas no interior da fase líquida. Suspensão defloculada ou peptizada. Suspensão defloculada ou peptizada. SOL

32 EVOLUÇÃO HISTÓRICA GEL Suspensão instável. Suspensão instável. As partículas tende a formar aglomerados. As partículas tende a formar aglomerados. A fase sólida pode ser tratada com um todo. Estrutura floculada tridimensional (separação de fases). A fase sólida pode ser tratada com um todo. Estrutura floculada tridimensional (separação de fases). GEL

33 SUSPENSÕES COLOIDAIS Teoria DLVO

34 SUSPENSÕES COLOIDAIS Teoria DLVO V R 1/D 2 V A 1/D 6 Eletrostático Van der Walls London

35 SUSPENSÕES COLOIDAIS Estabilização polimérica 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).

36 SUSPENSÕES COLOIDAIS Teoria DLVO

37 SUSPENSÕES COLOIDAIS

38 Ex: Efeito do conteúdo de sólidos Ex: Efeito do conteúdo de sólidos

39 SUSPENSÕES COLOIDAIS

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42 Ex: Suspensão Defloculada Ex: Suspensão Defloculada

43 SUSPENSÕES COLOIDAIS


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