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5. 0 - AULA TEÓRICA SOBRE O ESTUDO DA CONSISTÊNCIA MECÂNICA DOS MATERIAIS
5. 1 – Introdução
O objetivo é determinar a curva de defloculação de suspensão cerâmica
utilizando silicato de sódio como defloculante.
5. 2 – O Estudo da Consistência Mecânica dos Materiais pelo fenomenologia de Causa e Efeito
O estudo da consistência de um material (sólido, líquido ou gasoso) pode ser
realizado por meio de uma abordagem fenomenológica de causa e efeito, onde se aplica
uma força deformante sobre a superfície do corpo em estudo e observa-se o efeito de
sua deformação, conforme mostra a Figura - 5. 1. Este estudo está baseado no fato de
que as forças exercidas sobre o contorno de um meio são transmitidas através do meio.
Figura - 5. 1. Estudo da consistência de uma corpo nas direções normal e tangencial; Tensão na direção normal n nF As =
rr e Tensão cisalhante na direção tangencial t tF At =
rr.
Conseqüentemente, um corpo pode apresentar propriedades de consistência nas duas
direções fundamentais (normal e tangencial).
; , ,nnn
n
Fn x y z
As = = (5. 1)
( )1 ; , , ,tn t nt
n
Fn t x y z
At d= - = (5. 2)
5. 3 – A Consistência Mecânica dos Materiais quanto a Deformação
No caso de corpos sólidos os comportamentos básicos em relação à tensão
de deformação são:
a) Comportamento Elástico (reversível) – é aquele em que cessando a causa
(tensão) cessa também o efeito (deformação) - Figura - 5. 2a.
b) Comportamento Plástico (irreversível) – é aquele em que cessando a
causa (tensão) o efeito (deformação) permanece. Figura - 5. 2b.
Considerando-se ainda que a ruptura em todas as partes do corpo se faz necessária.
Figura - 5. 2. Comportamentos básicos de uma corpo sólido sujeito a uma tensão de deformação em uma direção genérica.
A lei de Hooke para a deformação é dada por:
; , ,nn nnE n x y zs e= = (5. 3)
; , , ,nt ntG n t x y zt g= = (5. 4)
De forma generalizada nós temos:
; , , ,ij ij nn ij i j x y zs l d e mg= + = (5. 5)
onde 1 0ij se i j e se i jd = = ¹ é o delta de Kroenecker.
5. 4 – A Consistência Mecânica dos Materiais quanto a Taxa de Deformação
No caso de corpos fluídicos (líquido ou gases) os comportamentos básicos
em relação à tensão de deformação são:
a) Comportamento Newtoniano (reversível) – é aquele em que cessando a
causa (tensão) cessa também o efeito (deformação)
b) Comportamento Plástico (irreversível) – é aquele em que cessando a
causa (tensão) o efeito (deformação) permanece.
Figura - 5. 3. Comportamentos básicos de uma corpo sólido sujeito a uma tensão de deformação em uma direção genérica.
A lei de Newton para a viscosidade é dada por:
; , ,nn nn n x y zs l e= =& (5. 6)
; , , ,nt nt n t x y zt mg= =& (5. 7)
De forma generalizada nós temos:
; , , ,ij ij nn ij i j x y zs l d e mg= + =& & (5. 8)
No caso de fluido porque o volume se conserva na deformação temos: 13
l m= , onde m
é o coeficiente de viscosidade.
As propriedades de consistência para o caso de fluidos nas direções normais
e tangenciais é chamada de viscosidade. Neste caso os fenômenos observados estão
mais comumente relacionados a componente tangencial da força deformante por
unidade de superfície, também chamada de tensão tangencial ou tensão de
cisalhamento, cujos comportamentos, mostrados na Figura - 5. 2, possuem seus
análogos para um fluido o quais são mostrados na Figura - 5. 3.
Conceito de Viscosidade:
O comportamento dos fluidos “elásticos” foi proposto e descrito por Isaac
Newton. Segundo seu modelo os fluidos deformam-se continuamente até se
defrontarem com alguma barreira física que impeça o escoamento. Dessa forma a
caracterização reológica para fluidos envolve a determinação da taxa de deformação do
material com o tempo )( .
Figura - 5. 4. Modelo de Newton para definir a viscosidade: Duas laminas de fluido.
A relação entre tensão )( e a taxa de deformação )( dos fluidos, pode ser
explicada pela relação sugerida por Newton onde lâminas paralelas de fluido de área
igual a “a ”, separadas por uma distância infinitesimal “dy ”, e movidas na mesma
direção com velocidades distintas “ 1V ” e “ 2V ”, conforme indicado na figura 1.1.
Fazendo uma análise entre a taxa de cisalhamento )(e a tensão aplicada
sobre as lâminas, Newton verificou que existe uma relação de proporcionalidade linear
direta para diversos fluidos, conforme descrito pela equação 1.1:
. .xdvFA dy
t h h g= = = & (5. 9)
A constante de proporcionalidade entre estas variáveis é também conhecida como a
viscosidade do fluído e descreve a sua consistência do fluido como uma forma de
resistência ao cisalhamento. De acordo com o sistema Internacional de unidades a
unidade de Viscosidade é dada em .Pa s , adotada em substituição ao Poise
(1 0.1 .Poise Pa s= ). Esta propriedade indica a facilidade de um fluido escoar
continuamente sob a ação de uma tensão de cisalhamento externa.
Os fluidos que apresentam tal comportamento são chamados de “Fluidos
Newtonianos”, como é o caso da água e da maioria dos líquidos.
8. 1 – Estudo da consistência de um corpo fluídico em termos da sua viscosidade, por meio da análise de causa e efeito
A propriedade de consistência na direção tangencial de um fluido é chamada
de viscosidade. Neste caso, o corpo em estudo é um corpo fluídico (líquido, solução,
suspensão ou gases) e os fenômenos a serem observados estão relacionados com a
componente tangencial da força deformante por unidade de superfície, também
chamada de tensão tangencial ou tensão de cisalhamento, cujos comportamentos
mostrados na Erro! Fonte de referência não encontrada. possuem seus análogos para
um fluido submetido a uma tensão de cisalhamento, conforme a Erro! Fonte de
referência não encontrada..
3.8.1 - Lei da viscosidade de Newton - coeficiente de viscosidade e
Fluidos Newtonianos
Microscopicamente um fluido newtoniano pode ser entendido como
formado de esferas rígidas com atrito entre elas. Neste tipo de fluidos a taxa de
deformação ou o gradiente de velocidades é proporcional a tensão de cisalhamento.
O comportamento dos fluidos lineares ou “elásticos” foi descrito por
Newton da seguinte forma:
j
iij x
v~ , (8. 1)
onde é a tensão tangencial, dada no CGS em dinas/cm2. A expressão v/y é o
gradiente de cisalhamento dado em s-1.
Portanto,
j
iij x
v
(8. 2)
onde o coeficiente de consistência é chamado de coeficiente de viscosidade
(resistência ao cisalhamento – [Ft/L2]). Os fluidos que apresentam tal comportamento
são chamados de “Fluidos Newtonianos”, como é o caso da água e da maioria dos
líquidos. Por exemplo, a água a 20oC possui uma viscosidade de 10-2poise = 1cp. A lei
de Newton da forma como está expressa em (8. 2) só vale para escoamento laminar.
Figura - 8. 1 . Fenômeno da deformação das camadas de um fluido elástico submetido a uma tensão tangencial.
3.8.2 - Fluidos Plásticos de Bingham
São corpos de Bingham (apresentam uma tensão de fluência) que podem ser
suspensões nas quais a fase dispersa é também sólida ou líquida.
Bingham descreveu o comportamento dos fluidos plásticos da seguinte
forma:
j
ioij x
v
, (8. 3)
onde o é chamado de tensão de fluência, e deve-se ao fato de que para pequenos
valores de tensão tangencial aplicadas a um fluido em escoamento esta não é suficiente
para romper a “fricção” das partículas suspensas do fluido e pô-lo em movimento. Esta
grandeza distingue os plásticos dos líquidos. Um exemplo de plástico de Bingham é o
creme dental, pois ele não escoa até que uma determinada tensão cisalhante atue sobre
ele.
Bingham descreveu o comportamento dos fluidos plásticos da seguinte
forma:
. xy
dvdy
t h s= + (5. 10)
onde ys é chamada de tensão de fluência e deve-se ao fato de que para pequenos valores
de tensão tangencial aplicadas a um fluido em escoamento esta não é suficiente para
romper a “fricção interna” das partículas suspensas no fluido e pô-lo em movimento.
Esta grandeza distingue os plásticos dos líquidos.
Portanto, um fluido plástico é um corpo de Bingham que apresenta uma
tensão de fluência e que podem ser suspensões nas quais a fase dispersa pode ser sólida
ou líquida.
3.9.3 – Modelo de Ostwald de Waele para fluidos ou Lei da Potência
Ostwald de Waele procurou generalizar o comportamento de alguns fluidos
criando um modelo fenomenológico que generalizasse o comportamento dos fluidos em
termos de uma lei de potência da seguinte forma:
ijj
i Axv
, (8. 4)
Como vale a relação entre gradiente de velocidade e taxa de deformação,
onde:
ijj
i
xv
, (8. 5)
O modelo de Ostwald de Waele para fluidos não newtonianos pode ser escrito de outra
forma pela seguinte lei de potência:
nij iijj
k , (8. 6)
em que: k, é o índice de consistência, /1n , é o expoente de comportamento do
fluido (grau de desvio do comportamento newtoniano) cujo valor de n determina a
classe de comportamento do fluido da seguinte forma:
tedilafluidonnewtonianofluidon
ticopseudoplásfluidon
tan111
(8. 7)
Mas para sua utilização na equação da 2a Lei de Newton para fluidos ela
deve ser linearizada da seguite forma:
ijn
ij iijjk 1 (8. 8)
O coeficiente de viscosidade, , de:
1 niijj
k (8. 9)
temos:
ijijij )( (8. 10)
Existem, contudo vários modelos rheológicos que tentam descrever o
comportamento dos fluidos. O modelo de Ostwald de Waele é um dos mais simples. A
principal diferença entre os modelos é a equação matemática que descreve o coeficiente
de viscosidade, cujos fatores dependem de diferentes variáveis referentes aos tipos de
fluidos.
Uma tentativa de generalização do comportamento dos fluidos em relação a
viscosidade, foi feita por Ostwald de Waele. Segundo o modelo de Ostwald de Waele, o
comportamento dos fluidos não newtonianos é descrito pela seguinte lei de potência.
xdv Ady
bt= (5. 11)
Se 1b < o comportamento é dilatante; se 1b = o comportamento é dilatante; se Se
1b > o comportamento é pseudo-plástico.
A expressão (5. 11) pode ser escrita na forma da Lei Nerwtoniana dos
fluidos, ou seja:
1 /1/1 xdvA dy
bb
tæ öæ ö ÷ç÷ç= ÷ç÷ç ÷÷ç ç ÷è ø è ø
(5. 12)
Ou finalmente:
( )1 /1 /1 x xdv dvA dy dy
b bb
t-æ ö æ öæ ö ÷ ÷ç ç÷ç= ÷ ÷ç ç÷ç ÷ ÷÷ç ç ç÷ ÷è ø è ø è ø
(5. 13)
chamando de 1/1k
A
bæ ö÷ç= ÷ç ÷çè ø e ( )1 1 /n b b- = - , temos:
1nx xdv dvk
dy dyt
-æ ö æ ö÷ ÷ç ç= ÷ ÷ç ç÷ ÷ç ç÷ ÷è ø è ø (5. 14)
onde 1n
xapar
dvkdy
h-æ ö÷ç= ÷ç ÷ç ÷è ø
é chamada de viscosidade aparente.
Figura - 8. 2. Comportamentos básicos de um corpo fluídico submetido a uma tensão tangencial. a) Newtoniano, b) Plástico de Bingham, c) Pseudoplástico, d) Pseudoplástico com tensão de fluência, e) Dilatante, f) Dilatante com tensão de fluência.
8. 2 – Classificação dos fluidos quanto a sua viscosidade
Existem fluidos de várias formas, como substâncias simples, como
suspensão ou como solução, dependendo da natureza dos componentes, da polaridade
das moléculas, da tensão superficial e da densidade relativa do veículo (meio de
suspensão ou solvente).
Os fluidos são classificados mediante seu comportamento quando
solicitados mecanicamente, primeiramente em dois grupos: Independentes do tempo e
dependentes do tempo:
8. 3 – Comportamento da viscosidade dos fluidos em função da taxa de deformação independente do tempo
Vejamos agora como a viscosidade de um fluido varia como função da taxa
de deformação. Pois há também diferentes formas de um fluido responder as
deformações das quais podemos citar:
3.9.1 - Fluido de comportamento dilatante
Um fluido dilatante é imaginado como contendo somente líquido suficiente
para encher os espaços vazios entre partículas em descanso ou submetidas a velocidades
de cisalhamento muito baixas. Para estes casos o fluido é quase newtoniano. A medida
que aumenta a velocidade de cisalhamento como as partículas se movem umas sobre as
outras mais rapidamente, elas necessitam de mais espaço; o fluido como um todo se
dilata. Esta expansão faz com que o líquido seja insuficiente para preencher os espaços
vazios maiores, (a essa expansão se opõem forças de tensão superficial ) resultando num
aumento da viscosidade aparente. Este comportamento está de acordo com a equação (8.
6) para n > 1. Exemplos: Suspensões de amido, silicato de potássio e areia são
exemplos de fluidos dilatantes. Isso explica porque a areia úmida se torna
aparentemente firme quando pisamos sobre ela. Outro exemplo é o polvilho úmido da
mandioca (amido) atua também como fluido dilatante.
O comportamento dilatante é caracterizado por um aumento da viscosidade
aparente do fluido à medida que se eleva a taxa e/ou a tensão de cisalhamento aplicada
geralmente em suspensões altamente concentradas
3.9.2 - Fluido de comportamento Pseudoplástico
Soluções de polímeros e outras grandes moléculas alongadas comportam-se
desta maneira, assim como suspensões comuns ou coloidais de partículas assimétricas.
Estas moléculas se comportam como um emaranhado em baixas de taxas cisalhamento e
a tendência de tais moléculas se alinharem é desprezível, e elas permanecem, portanto
desorganizadas. À medida que o cisalhamento cresce o número de moléculas alinhadas
cresce e, portanto reduz-se a resistência friccional entre as camadas adjacentes,
diminuindo a viscosidade aparente. Se a curva tem sido experimentalmente obtida para
uma taxa de cisalhamento suficientemente alta pode haver um apreciável intervalo de
tempo no retorno das moléculas a sua posição normal e isto resultará no material um
comportamento como o de uma substancia thixotrópica e um loop de histerese se
formará no comportamento viscoso. Exemplo: As tintas atuam como pseudoplástico.
Comportamento verificado quando a viscosidade aparente )/( do fluido
diminui com o aumento da taxa e/ou da tensão de cisalhamento. Pode ser causado por
fatores como: Formato, dimensões, área superficial, tipo de interação ( atração ou
repulsão), concentração do dispersante.etc.
8. 4 – Comportamento da viscosidade dos fluidos em função do tempo
Há ainda uma outra forma de um fluido responder a deformações. Podemos
ter os seguintes comportamentos de viscosidade em função do tempo.
3.10.1 - Fluido Thixotrópico
São aqueles fluidos cuja viscosidade diminui com o gradiente de
cisalhamento.
Este fenômeno acontece quando no decurso do tempo (fluido sob regime
de tensão) as estruturas floculadas de um fluido são quebradas durante o cisalhamento a
uma velocidade constante, a viscosidade aparente decresce com o tempo até atingir um
equilíbrio entre o rompimento e a reconstrução das estruturas, e estas são reconstruídas
por elas mesmo isotermicamente quando o sistema é retornado ao repouso. Existem
certas estruturas que não se reconstroem quando quebradas, estas, estão associadas com
o envelhecimento e não devem ser confundidas com as thixotrópicas.
Medindo a tensão de cisalhamento fora do equilíbrio, a medida que
aumentarmos e depois diminuirmos a velocidade de cisalhamento, segundo uma
variação uniforme, podemos obter uma curva que representa a histerese thixotrópica.
Soluções de altos polímeros são geralmente tixotrópicas até certo grau. As atrações
intermoleculares e retenções mecanicas são reduzidas pelo cisalhamento, que reduz
também a quantidade de solvente imobilizado; o movimento browniano devolve o
sistema ao seu estado inicial, se o deixarmos em repouso algum tempo. A thixotropia é
particularmente importante na indústria de tintas, pois se deseja que a tinta escorra
somente enquanto está sendo aplicada na superfície em questão (alta velocidade de
cisalhamento) e imediatamente após a aplicação.
Este fenômeno consiste na redução da viscosidade aparente em função da
tempo em suspensões submetidas a uma taxa de cisalhamento constante. Observado
frequentemente em suspensões de aglomerados fracos.
Nota: Todo sistema thixotrópico é floculado, mas nem todo floculado
apresenta thixotropia.
3.10.2 - Fluido Reopéxico
São aqueles fluidos cuja viscosidade aumentam com o gradiente de
cisalhamento. Trata-se aqui do aumento da viscosidade com o cisalhamento dependente
do tempo, e é observada as vezes quando aceleramos a restauração thixotrópica. Por
exemplo, suspensões argilosas de bentonita sedimentam-se lentamente quando estão em
repouso, e o fazem rapidamente quando agitadas levemente.
Este fenômeno é caracterizado pelo aumento da viscosidade aparente em
função do tempo em suspensões submetidas a uma taxa de cisalhamento constante.
Observado geralmente em suspensões contendo aglomerados fracos ou partículas
assimétricas.
Fluidos que após a sua deformação retornam a sua forma original são
chamados de viscoelásticos.
5. 5 – A Consistência Mecânica dos Materiais quanto ao Estado de Agregação das Partículas
Definição de Suspensão:
Suspensões são misturas do tipo sólido/líquido formadas por um conjunto
de partículas distribuídas de forma relativamente uniforme através de um líquido, sem
que haja dissolução significativa do material particulado em função do tempo.
Definição de Solução:
Solução é um sistema cujas partículas do dispersão possuem diâmetros
inferiores a 1nm )10( 9 .
Comportamento reológico de suspensões
Considerando a viscosidade como a medida da resistência que o fluido
oferece ao escoamento, a imposição de partículas como obstáculos aumenta a
viscosidade do fluido. No caso de suspensões com concentração de sólidos bem
reduzidas e frequência de colisões entre partículas relativamente baixa a sua viscosidade
normalmente permanece constante em função da taxa de cisalhamento. Nestas
condições os principais fatores que alteram a viscosidade são:
Concentração volumétrica de sólidos; Características do meio líquido ( Viscosidade,
Densidade etc.); Temperatura;
No entanto, com a elevação da concentração de partículas, a sua interação
muda o comportamento reológico dependendo agora, de uma série de variáveis :
Características físicas das partículas (distribuição granulométrica,
densidade, formato, área superficial específica, rugosidade superficial etc.); Tipo de
interação entre partículas (p.e, repulsão, atração).
Quando adicionados ao meio líquido moléculas dispersantes visando
impedir a formação de aglomerados outras variáveis também podem influenciar a
suspensão; Concentração de moléculas de dispersante no meio líquido; Peso Molecular
e conformação espacial da molécula de dispersante; Espessura da camada envoltória de
moléculas dispersantes adsorvidas.
5. 6 – O Uso de Defloculantes na Alteração da Consistência de Misturas e Suspensões
O defloculante atua garantindo a estabilidade da suspensão de barbotina,
tendo, portanto, um papel fundamental no processo. O maior cuidado a se tomar é
utilizar a menor quantidade necessária para evitar a presença de resíduos no corpo
sinterizado. Através de medidas experimentais, é possível determinar uma quantidade
de defloculante que não só minimiza a viscosidade da suspensão, mas também
maximiza a densidade a verde.
Os defloculantes típicos de soluções não-aquosas são: éster de ácido
fosfórico e óleo de peixe. Ambos apresentam um bom poder de dispersão mesmo
quando adicionados em baixas quantidades. Para soluções aquosas, utilizam-se
principalmente os polieletrólitos dos sais de amônio e o sal de sódio de poliácidos
carboxílicos.
Curva de Defloculação
Dentre os defloculantes mais utilizados pela indústria cerâmica, os sais à
base de sódio tem importante destaque, por seu baixo custo e considerável efeito
defloculante. Em laboratório, a eficiência dos defloculantes é, comumente, investigada
através das curvas de defloculação, que objetivam determinar a menor quantidade de
defloculante necessária para conduzir as suspensões a seus menores valores de
viscosidade aparente. Diversas metodologias vêm sendo propostas com intuito de
determinar o ponto ideal ou crítico, uma vez que, devido aos diferentes perfis que as
curvas podem apresentar, não é tão óbvia a sua determinação, sendo necessária a
realização de um número grande de experimentos.
Nesse sentido, a abordagem do delineamento de misturas visa a diminuição
do número de experimentos necessários para determinação de propriedades ótimas do
sistema em estudo, tais como as propriedades reológicas. Os planejamentos
experimentais para estudo de misturas têm encontrado larga aplicação na ciência, na
engenharia e particularmente na indústria. A partir de um delineamento de misturas, a
resposta ou propriedade muda somente quando são feitas alterações nas proporções dos
componentes que fazem parte dessa mistura. Portanto, a finalidade principal de se
utilizar essa metodologia é verificar como as respostas ou propriedades de interesse são
afetadas pela variação das proporções dos componentes da mistura.
Nesse caso, as proporções dos componentes não são independentes, pois a
soma de todas elas sempre tem que totalizar 100%. Com os resultados obtidos no
delineamento de misturas, pode-se utilizar polinômios simplificados, que definem uma
superfície de resposta, para relacionar a propriedade de interesse às diversas proporções
utilizadas. Isso possibilita a previsão quantitativa das propriedades de qualquer
formulação no sistema estudado, fazendo somente alguns experimentos. [2].
Tipos de defloculantes
Existem dois tipos básicos de defloculantes: os que agem por efeitos
estéricos e por efeito eletrostático.
Os de efeito eletrostático trata de moléculas ou íons capazes de adsorver-se
às partículas e elevar-lhes o potencial elétrico de superfície, estendendo sua camada
difusa. Quanto maior a espessura da camada, maior será a interação entre elas e, em
conseqüência, maior a repulsão. As moléculas do defloculante se ligam às partículas por
alguns sítios “âncoras” que têm alta afinidade com a superfície, e as porções restantes
das moléculas do polieletrólito se projetam para a solução, permanecendo solvatadas
pelo líquido, sendo responsáveis pela estabilização da suspensão. [3]
A defloculação estérica ocorre quando polímeros não iônicos são adsorvidos
na superfície carregada da partícula. Em principio os polímeros devem ser neutros em
solução, porem, a cabeça e a cauda da cadeia polimérica devem se comportar de forma
diferente, isto é, uma tem afinidade pelo sólido e outra pelo liquido suspensor. Sendo a
cadeia polimérica uma cadeia longa, ocorre o impedimento da aproximação das
partículas. A Figura 1.1 ilustra a defloculação estérica. Ainda há um tipo de
defloculação chamada eletroestérica, que é uma combinação dos dois tipos já citados.
[4]
Figura - 5. 5. Defloculação Estérica
Obtemos uma suspensão dispersa quando as forças repulsivas superam as
forças atrativas. As forças de repulsão são formadas basicamente através: da interação
da superfície da partícula com o meio líquido (eletrostático) gerando cargas elétricas, da
adsorção superficial pela partícula de polímeros com longa cadeia, que impedem a
aproximação das partículas através de um impedimento físico (estérico) e assim evitam
a aglomeração ou, da adsorção específica de moléculas ionizáveis na superfície das
partículas (eletroestérica), no qual os íons originários da dissociação desses grupos
ionizáveis somam uma barreira eletrostática ao efeito estérico.Grupos hidroxilados
podem dissociar como ácido ou como base dependendo do pH do meio. Os grupos OH
mais polarizados pelo metal, no caso de hidroxilação parcial e se dissociam como
ácidos, doador de prótons. Já os grupos menos polarizados pelo metal, no caso de
hidroxilação total se dissociam como base, recebedor de prótons. A figura abaixo
apresenta esses mecanismos que originam as forças de repulsão.
Figura - 5. 6. a) Estabilização eletrostática; b) Estabilização estérica; c) Estabilização eletroestérica
Mecanismos de Estabilização de suspensões:
Para se obter suspensões dispersas, as forças repulsivas entre as partículas
devem exceder asa forças atrativas. E para tal, existem basicamente três formas:
(a) Estabilização eletrostático: Onde o desenvolvimento de cargas elétricas
na partícula geram forças repulsivas em decorrência da interação da superfície com o
meio líquido ]1[ .
(b) Estabilização estérica: Onde a adsorção superficial de polímeros de
cadeias longas que dificultam a aproximação das partículas por impedimento mecânico.
(c) Estabilização Eletroestérico: Onde a adsorção específica de moléculas
com grupos ionizáveis ou polieletrólitos na superfície das partículas, no qual os íons
provenientes da dissociação desses grupos ionizáveis somam uma barreira eletrostática
ao efeito estérico.
Os mecanismos de estabilização são:
Estabilização Eletrostático:
A superfície das partículas sólidas cristalinas possui planos cristalográficos
cujas ligações não se encontram totalmente completas que são chamadas de ligações
insaturadas. Devido à presença dessas insaturações, partículas de óxidos que estejam em
contato com a água são submetidas à hidroxilação ou hidratação superficial, como pode
ser exemplificado na equação apresentada a seguir para o caso do Al2O3.
Al2O3 + 3 H2O 2 Al(OH)3 (5. 15)
No caso de óxidos, o que faz aparecer cargas na superfície da partícula,
responsáveis por manter as partículas dispersas é o resultado da reação dos grupos (-
OH) superficiais com os íons hidroxônio (H3O+) e hidroxila (OH)-. Isso torna o processo
dependente do pH. Para valores de pH ácidos a partícula adquire carga total positiva,
porém para pH básicos a partícula adquire carga total negativa. Assim sendo, o
aparecimento de cargas elétricas na superfície da partícula gera um potencial elétrico
superficial positivo ou negativo. O valor de pH no qual a partícula apresenta a mesma
afinidade pelos íons positivos ou negativos é chamado de ponto de carga zero, e
corresponde a neutralidade elétrica da partícula. O potencial originado na superfície da
partícula atrai um grande numero de íons de carga oposta (contra-íons) presentes na
solução. Um número finito de contra-íons consegue se adsorver na superfície da
partícula. A adsorção mantém esses íons rigidamente fixados na superfície formando a
Camada de Stern.
Figura - 5. 7. Íons adsorvidos na superfície da partícula formando a Camada de Stern
Sendo incapazes de satisfazer a neutralidade da carga superficial da
partícula por motivos espaciais, os contra-íons da Camada de Stern apenas reduzem o
potencial elétrico da superfície da partícula. Assim a Camada de Stern também atrai
contra-íons para regiões próximas à partícula, porém a atração é enfraquecida pelo fato
das partículas terem o mesmo sinal de carga, gerando um efeito repulsivo.
Estabilização Estérica:
A estabilização pelo mecanismo estérico se da por impedimento físico. O
que ocorre é a adsorção da partícula de um polímero neutro cuja cadeia é
suficientemente grande para causar uma barreira mecânica longa capaz de dificultar que
as partículas se aproximem da região de forte atuação das forças de Van der Waals. À
medida que a afinidade entre o polímero e a superfície da partícula aumenta, a
quantidade de polímero adsorvida é maior.Para se ter uma estabilização eficiente da
suspensão a ligação entre o polímero e a partícula deve ser forte de modo a evitar a
ocorrência da dessorção. Outro ponto importante para a estabilização estérica é que o
polímero deve ter uma afinidade muito alta pelo líquido, de forma que fique de forma
estendida e assim evite a aproximação das partículas uma das outras.
Como o polímero usado nesse método deve apresentar afinidade pela
partícula e pelo líquido o mais natural a se fazer é usar um copolímero, pois este
apresenta dois segmentos distintos que possuem afinidades distintas: uma pelo líquido e
outra pela superfície da partícula.
Estabilização Eletroestérica:
No mecanismo de Estabilização eletroestérico ocorre adsorção à superfície
das partículas de moléculas com grupos ionizáveis, como por exemplo, citratos,
fosfatos, sulfatos ou moléculas poliméricas, como poliacrilatos e polimetacrilatos. O
efeito estérico é mais significante no caso dos polieletrólitos. Seus grupos ionizáveis se
dissociam na fase líquida e os íons formados somam ao efeito esterico uma barreira
eletrostática. Dessa maneira, além dos polieletrólitos diminuírem a aglomeração através
do aumento da distancia mínima de separação entre as partículas, eles estabilizam as
suspensões através do efeito repulsivo das cargas de mesmos sinais.
5. 7 – A Consistência Mecânica dos Materiais quanto a Temperatura
A consistência de um corpo também possui dependência com a temperatura.
Ela pode possuir variação de sua viscosidade em função da temperatura, dada por:
T1~ , (8. 11)
para líquidos e
T~ , (8. 12)
para os gases.
De forma geral a dependência da viscosidade com a temperatura é
geralmente descrita pela multiplicação da equação (8. 9) por um termo exponencial. Ou
seja, este comportamento segue a Lei de Arrenhius dada por:
1/ no
KTEo me A (8. 13)
onde EA é a energia de ativação, e K é a constante de Boltzmann e T é a temperatura.
5. 8 – A Consistência Mecânica dos Materiais quanto ao Fluxo das Partículas
A consistência pode depender também do fluxo ou do estado de escoamento
de um fluido. Este pode ser classificado como laminar ou turbulento, dependendo da
razão entre o fluxo inercial e o fluxo viscoso.
Escoamento laminar
É o tipo de escoamento no qual as linhas de corrente não se sobrepõem
umas as outras, ou seja, neste tipo de escoamento as linhas de correntes formada pelo
movimento das partículas do fluido movem-se paralelamente umas as outras (Erro!
Fonte de referência não encontrada.a).
Escoamento turbulento
È o tipo de escoamento no qual as linhas de corrente se sobrepõem umas as
outras ou seja, neste tipo de escoamento as linhas de correntes se cruzam umas com as
outras (Erro! Fonte de referência não encontrada.b).
O número de Reynolds é o parâmetro que determina se um regime de
escoamento será laminar ou turbulento, e este vale:
Lv
LJN o
)/1(Reynolds (8. 14)
Onde, L, é um tamanho característico do escoamento, v é a velocidade média do
escoamento, , é a densidade do fluido e é o coeficiente de viscosidade.
A dimensão característica, L, de um sistema é aquela sobre a qual a reologia
trata, a espessura da camada de fluido deformado seria seu comprimento característico.
Figura - 8. 3. Diferença no aspecto entre um fluxo a) laminar e b) turbulento.
Figura - 8. 4. Diagrama esquemático ilustrando as condições de fluxo laminar e turbulento. Um número de Reynolds igual a 2000 é comumente tomado como um valor crítico que separa o regime laminar de turbulento.
Figura - 8. 5. Gráfico da transição de fluxo laminar em turbulento para um fluido newtoniano.
