Descrição
Reômetros: modelo HAAKE™, RheoStress™1, marca ThermoFischer e modelo HR10, TA instruments.
Introdução
Reologia é a ciência da deformação e fluxo. O termo se origina do grego ‘rhein’ que significa “fluir”, logo reologia se traduz literalmente em “medida do fluxo”, contudo experimentos reológicos não apenas revelam propriedades de fluxo de líquidos mas também as propriedades de deformação de sólidos. A conexão entre estas é que enquanto há grandes forças de deformação tangencial os materiais entram em fluxo. Esta deformação tangencial é denominada de cisalhamento.
É possível descrever vários tipos de comportamento de cisalhamento utilizando reologia e os materiais geralmente se encontram entre dois extremos: fluídos idealmente viscosos, por exemplo óleo mineral e sólidos idealmente elásticos por exemplo vigas de aço. Quando há combinação destes comportamentos ideais diz-se que o material exibe propriedades viscoelásticas podendo estar mais próximo de qualquer um dos lados do espectro.
Reometria é o termo usado para descrever as tecnologias utilizadas para determinação de dados reológicos. Ambos sólidos e líquidos podem ser investigados utilizando reômetros oscilatórios e rotacionais. Testes rotacionais servem para caracterizar a viscosidade e testes oscilatórios, assim como testes de relaxação e de arrastamento (creep test), servem para caracterizar propriedades viscoelásticas.
O Modelo de placas paralelas é um artifício ilustrativo usado para definir parâmetros reológicos fundamentais. Ele é composto por duas placas, uma inferior e outra superior com área (\(A\)) e altura (\(h\)) entre placas constante e um material que preenche este espaço entre as placas. Quando aplicada uma força tangencial (\(F\)) há deformação deste material.
Figura 1: Modelo de placas paralelas.
FONTE: Mezger, (2014).
A tensão de cisalhamento é a força tangencial aplicada sobre o material, o símbolo usado para representá-la é \(\tau\) (pronunciado “tau”) e é calculado em função da força (\(F\)) em Newtons e da área da placa (\(A\)) em metros quadrados: \(\tau = \frac{F}{A}\). A unidade no sistema SI é Pascal [Pa] ou [N/m2] mas ainda é encontrado em literatura menos recente a unidade do CGS dyne/cm2, onde 1 dyne/cm2 = 0,1 Pa.
A taxa de cisalhamento, representado por \(\dot\gamma\), é definida como a taxa de deformação aplicada sobre o material pela placa superior e é calculado como a razão entre velocidade (\(v\)) e altura (\(h\)) entre as placas: \(\dot\gamma = \frac{v \ [m \; s^{-1}]}{h \ [m]}\) portanto sua unidade é [1/s] ou [s-1] chamada de segundos recíprocos. Alguns sinônimos da taxa de cisalhamento são: taxa de deformação, gradiente de velocidade e gradiente de cisalhamento.
Em todos os fluídos, há o movimento relativo entre moléculas, e esse processo resulta em forças internas de fricção, portanto para todos os fluídos em movimento sempre há uma resistência ao fluxo denominada viscosidade.
A viscosidade dinâmica é definida como a razão entre a tensão de cisalhamento e a taxa de cisalhamento, ou seja: e a unidade de medida SI é a Pascal segundo [Pa.s], podendo ser usado também kilo Pascal segundo [kPas] e mega Pascal Segundo [MPa s] assim como a unidade centiPoise [cP] equivalente a miliPascal segundo [mPa s].
Comportamento de fluídos
Didaticamente, tratando-se de fluxo, o comportamento reológico pode ser descrito em algumas categorias. Fluidos Newtonianos são aquelas cuja viscosidade é constante independente do cisalhamento aplicado, líquidos como óleos e soluções aquosas diluídas apresentam este comportamento. Os não Newtonianos são todos os fluídos onde o relacionamento entre viscosidade e o cisalhamento não é linear, podendo ser dependente do tempo ou independente do tempo, reo-fluidificante ou reo-espessante. Outra categorização que pode ser feita é em relação ao ponto de ruptura do material, pois tempos os pláticos, ou seja, materiais semi-sólidos podem não fluir em condições onde o cisalhamento ou tensão aplicada é pequena mas iniciam fluxo quando a tensão de cisalhamento ultrapassa um ponto crítico, a tensão de ruptura.
Os fluidos não newtonianos se dividem em pseudoplástico e dilatante, nos quais a viscosidade aumenta e diminui, respectivamente com o aumento da tensão de cisalhamento. Pode-se citar também dentro desta categoria o plástico de Bingham, este se comporta como um sólido em tensões baixas de cisalhamento, sendo assim precisa de uma tensão mínima de cisalhamento para iniciar o comportamento de fluxo, a partir deste ponto passa a se comportar como um fluido newtoniano.
Por fim o fenômeno de tixotropia é explicado pela diminuição da viscosidade com o tempo de aplicação de uma taxa de cisalhamento sobre a amostra. Enquanto para os reopéticos ocorre o inverso, com o tempo de aplicação de uma taxa de cisalhamento a sua viscosidade aumenta. Este comportamento é dependente do tempo, ou seja, após algum tempo de observação a amostra retorna a sua viscosidade inicial, caso isso não aconteça, sendo observado uma fluidificação ou espessamento irreversível da amostra esta apresentará o comportamento de reomalaxe.
Comportamento de materiais viscoelásticos
A viscoelasticidade é composta pelos componentes elástico e viscoso que a maioria dos materiais possui. É possível determinar qual componente é predominante através de ensaios reológicos dinâmico-oscilatórios. Essa caracterização se faz através de ensaios dinâmico-oscilatórios, e a diferenciação entre materiais com comportamento mais elástico do que viscoso se dá pelo tempo que a amostra leva para se deformar entre oscilações de tensão aplicada pelo equipamento, criando um ângulo de fase maior que zero graus. Assim, quanto maior o atraso da resposta da amostra, maior o componente viscoso é, enquanto que tempos curtos de atraso correspondem a materiais com maior componente elástico. Sabendo-se isso a caracterização reológica pode ser feita avaliando variações na tensão de cisalhamento e frequência das oscilações mas também modificando outras condições como temperatura e tempo de análise.
Técnica
Consiste em aplicar força de cisalhamento em um material e registrar a tensão e deformação durante o período de aplicação e em uma faixa de temperatura selecionada.
Aplicação
As aplicações de reologia vão da caracterização de materiais para produção de asfalto até aplicações na indústria de alimentos, e apesar dos conceitos não diferirem entre as aplicações, os equipamentos sim. A caracterização de viscosidade traz dados que podem ser utilizados em processos industriais de envase e percepção sensorial de produtos cosméticos e alimentícios mas também pode ser utilizadas para desenvolvimento de lubrificantes e agentes que auxiliam na perfuração para serem utilizados na exploração de petróleo. Também há aplicações no estudo de estabilidade físico-química de dispersões e suspensões que depende da sensibilidade do equipamento. Pode ser usada no controle de qualidade de matérias-primas assim como de produtos finalizados.
Geometrias
Cone e placa: esta configuração é indicada para análise de polímeros fundidos, suspensões e emulsões em medições normais de tensão. Não há gradiente de velocidade ao longo do diâmetro do cone durante o teste.
Placa paralela: esta configuração é indicada para a análise de polímeros fundidos, sólidos macios e fluídos de maior viscosidade. A faixa de tamanho de geometria, a folga variável e a facilidade de carregamento tornam esta geometria muito versátil, para materiais com viscosidades diversas.
Cilindro concêntrico: esta configuração é indicada para fluidos de baixa viscosidade e materiais voláteis. A baixa exposição da amostra a atmosfera torna este arranjo ideal para materiais à base de solvente e a base de água.
Experimentos
Ensaios Rotacionais
Curva de Fluxo
As curvas de fluxo são obtidas em função da taxa de cisalhamento. A análise permite a determinação do tipo de fluido (pseudoplástico, plástico, dilatante e newtoniano e outros comportamentos de fluxo), além da área de histerese entre as curvas ascendentes e descendentes que exemplifica o efeito memória da tixotropia.
Tixotropia
Neste teste, realizado em 3 etapas, inicialmente se aplica uma taxa de cisalhamento baixa constante por um tempo determinado para que se tenha uma medida confiável da viscosidade dinâmica do material. Na segunda etapa aumenta-se a taxa de cisalhamento para se deformar o material completamente e na terceira etapa busca-se determinar se a recuperação do material é completa ou parcial, observando a diferença dos valores de viscosidade ou tensão de cisalhamento entre plateau inicial e final.
Ensaios oscilatórios
Varredura de Amplitude
Neste ensaio a frequência é fixada e a deformação aplicada sobre a amostra varia incrementalmente. O ideal é que este experimento de caracterização reológica seja o primeiro teste oscilatório a ser executado, visto que experimentos subsequentes devem ser processados com valores de tensão dentro da região de viscoelasticidade linear, portanto, abaixo da deformação crítica (tensão em que o material se deforma irreversivelmente ou é completamente destruído). Utilizado para determinar o perfil das curvas do módulo viscoso e elástico, podendo assim buscar valores que sejam correlacionáveis com a estabilidade de formulações.
Varredura de Frequência
Este teste é realizado para investigar o comportamento de uma amostra em função do tempo dada uma tensão de cisalhamento constante. Quando o módulo elástico (\(G’\)), também chamado de módulo de armazenamento é sempre maior que o módulo viscoso (\(G”\)), também chamado de módulo de perda diz-se que o comportamento do material é de gel, porém quanto maior a dependência dos módulos em função da frequência diz-se que o material se comporta como um líquido viscoelástico, onde em frequências altas \(G’ > G”\) e em frequências baixas \(G’ < G”\).
Rampa de Temperatura
Estudos acelerados com variação de temperatura são utilizados na determinação de estabilidade de cosméticos e medicamentos. Levando em consideração a região de viscoelasticidade linear, a tensão e a frequência são fixadas e a temperatura varia em ciclos. Este experimento pode ser aplicado para elucidar as propriedades viscosas e elásticas mediante a consecutivas rampas de aumento e diminuição da temperatura para buscar se prever a estabilidade de materiais em função dos ciclos de temperatura.
Observações
Estão disponíveis geometrias cone-placa com ângulo de 2º e diâmetro de 60 mm, geometrias placa-placa com os diâmetros de 20 mm e 30 mm, com superfície jateada e serrilhada respectivamente, geometria de cilindros concêntricos e cilindro com parede dupla para utilização para materiais com viscosidade baixa.
Responsável
Lucas Chagas Lima do Carmo
Fotos
Figura 2: Reômetro Thermo Haake, Modelo RheoStress 1 (Esquerda da foto)
e Reômetro TA Instruments, Modelo HR10 (Direita da foto)
FONTE: BIOPOL, (2020)
Autores
- Bernardo Mauad Régnier
- Laura Steffens Perius
- Lucas Chagas Lima do Carmo
Revisado e modificado por: Rilton Alves de Freitas
Termo de responsabilidade para o uso dos equipamentos do laboratório
Referências
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