Reologia de Suspensões

Apresentação em tema: "Reologia de Suspensões"— Transcrição da apresentação:

1 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

2 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

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 Suspensão, Emulsão e Gel
CONCEITOS Gás Sólido Dispersões Líquido Aerosol e Aerogel Emulsão e Pasta Suspensão, Emulsão e Gel

5 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

6 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

7 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

8 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

9 EVOLUÇÃO HISTÓRICA Suspensões diluídas

10 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

11 Suspensões Moderadamente Concentradas
EVOLUÇÃO HISTÓRICA Suspensões Moderadamente Concentradas

12 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

13 Suspensões Concentradas
EVOLUÇÃO HISTÓRICA Suspensões Concentradas

14 Suspensões Concentradas
EVOLUÇÃO HISTÓRICA Suspensões Concentradas

15 Suspensões Concentradas
EVOLUÇÃO HISTÓRICA Suspensões Concentradas ~0,65

16 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.)

17 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

18 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

19 SUSPENSÕES COLOIDAIS Cinética Partículas pequenas Coalescência
Pequena velocidade de sedimentação Lei de Stokes Suspensões Concentradas Suspensões Diluídas Coalescência Floculação Gelificação Estrutura 3D

20 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.

21 SUSPENSÕES COLOIDAIS http://www.youtube.com/watch?v=UDj7BXA1CHU
Movimento Browniano

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

23 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.

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

25 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 Albita Na2O . Al2O3 . 6 SiO2 2 Caulim Al2O3 . SiO2 . 2H2O Mulita 3Al2O3 . 2SiO2 7 - 8

26 SUSPENSÕES COLOIDAIS

27 SUSPENSÕES COLOIDAIS A Dupla Camada Iônica

28 SUSPENSÕES COLOIDAIS O Potencial Eletrocinético ou Potencial Zeta

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

30 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

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

32 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).

33 SUSPENSÕES COLOIDAIS Teoria DLVO

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

35 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).

36 SUSPENSÕES COLOIDAIS Teoria DLVO

37 SUSPENSÕES COLOIDAIS

38 SUSPENSÕES COLOIDAIS Ex: Efeito do conteúdo de sólidos

39 SUSPENSÕES COLOIDAIS

40 SUSPENSÕES COLOIDAIS

41 SUSPENSÕES COLOIDAIS

42 SUSPENSÕES COLOIDAIS Ex: Suspensão Defloculada

43 SUSPENSÕES COLOIDAIS