Reologia de Suspensões 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 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.

Suspensão, Emulsão e Gel CONCEITOS Gás Sólido Dispersões Líquido 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 l = (2/3).db .( 1-Fb )/Fb 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

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

EVOLUÇÃO HISTÓRICA Suspensões diluídas

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

Suspensões Moderadamente Concentradas 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) l é pequeno l ≤ db Probabilidade de contatos entre partículas é ~ 100% Colisões entre diversos corpos

Suspensões Concentradas EVOLUÇÃO HISTÓRICA Suspensões Concentradas

Suspensões Concentradas EVOLUÇÃO HISTÓRICA Suspensões Concentradas

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.)

Interface Sólido-Líquido 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 1mm a 1 nm m2/g

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

SUSPENSÕES COLOIDAIS Cinética Partículas pequenas Coalescência Pequena velocidade de sedimentação Lei de Stokes Suspensões Concentradas Suspensões Diluídas 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 http://www.youtube.com/watch?v=UDj7BXA1CHU 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

Colisão entre as partículas dispersas SUSPENSÕES COLOIDAIS Movimento Browniano Colisão entre as partículas dispersas Repulsão Atração SUSPENSÃO INSTÁVEL SUSPENSÃO ESTÁVEL Coalescência Floculação Dispersão

Estabilidade da Suspensão 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.

Ponto de Carga Zero (PZC) SUSPENSÕES COLOIDAIS Ponto de Carga Zero (PZC) pH

SUSPENSÕES COLOIDAIS Material Fórmula Química PCZ Quartzo SiO2 1 Sílica Amorfa 3 - 4 Zirconia ZrO2 4 - 5 Rutilo TiO2 Magnetita Fe3O4 6 - 7 Hematita Fe2O3 6 - 9 c Alumina Al2O3 7 - 9  Alumina  Al2O3 9 – 9,5 Itria Y2O3 11 Magnésia MgO 12 - 13 Albita Na2O . Al2O3 . 6 SiO2 2 Caulim Al2O3 . SiO2 . 2H2O Mulita 3Al2O3 . 2SiO2 7 - 8

SUSPENSÕES COLOIDAIS

SUSPENSÕES COLOIDAIS A Dupla Camada Iônica

SUSPENSÕES COLOIDAIS O Potencial Eletrocinético ou Potencial Zeta

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

SUSPENSÕES COLOIDAIS ESTABILIDADE 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 VR a 1/D2 VA a 1/D6 Teoria DLVO Eletrostático Van der Walls London

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