ESTUDOS DE FORÇAS NORMAIS EM MATERIAIS VISCOPLÁSTICOS

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1 Departamento de Engenharia Mecânica ESTUDOS DE FORÇAS NORMAIS EM MATERIAIS VISCOPLÁSTICOS Aluno: Tatiana Naccache Rochinha Orientador: Paulo Roberto de Souza Mendes Coorientador: Priscilla Ribeiro Varges Introdução Alguns poucos estudos foram realizados na literatura para analisar os efeitos da força normal em fluidos viscoplásticos [1,2], porém os resultados obtidos até agora não são conclusivos. Esse projeto propõe analisar as forças normais em materiais viscoplásticos submetidos a testes de cisalhamento. Materiais viscoplásticos são aqueles que apresentam uma tensão limite de escoamento. Esses podem ser encontrados em diversos processos naturais e em várias indústrias, tais como: de cosméticos, farmacêutica, alimentícia e de petróleo. O conhecimento das propriedades reológicas e do comportamento de materiais viscoplásticos é extremamente importante para o sucesso de operações nas indústrias citadas acima. Porém, a reometria desse tipo de material apresenta alguns desafios como as medidas de tensão limite de escoamento, deslizamento aparente e tixotropia. O estudo dessas forças normais em materiais viscoplásticos é extremamente complexo, evidenciando a importância de realizar essa análise do comportamento desses fluidos na direção normal. Objetivo O objetivo deste projeto é de obter um procedimento confiável para medir forças normais em materiais viscoplásticos na iminência da tensão limite de escoamento. Metodologia Os testes estão sendo realizados usando o reômetro ARES-G2 da TA Instruments (figura 1) equipado com três diferentes geometrias. A primeira é um cone-placa de superfície lisa com 5mm de diâmetro,.4 rad de ângulo e.47 mm de truncamento (figura 2). As duas outras são geometrias placa-placas de 5 mm de diâmetro, sendo uma ranhurada e a outra lisa (figuras 3 e 4).

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3 Antes de cada sequência de experimentos, a geometria é posicionada e o reômetro é calibrado. Além disso, a posição de referência e a força normal são zeradas. Todos os testes são realizados utilizando uma amostra diferente e todos os testes são repetidos pelo menos uma vez para garantir repetibilidade. O procedimento, antes da realização de cada experimento, é sempre o mesmo. A amostra é pocisionada no reômetro utilizando uma seringa. Com o auxílio de outra seringa as bolhas encontradas nos fluidos são retiradas para garantir maior repetibilidade. Em seguida, a geometria é movimentada a uma velocidade constante até atingir a posição de teste (figura 5). Logo depois, o experimento é programado no reômetro.

4 Antes de cada teste, deve-se realizar dois testes de condicionamento. O primeiro é o condicionamento de temperatura, garantindo que no início do teste, o reômetro e o fluido estão a temperatura ambiente e constante. O segundo é o condicionamento do transdutor. Nesse, o transdutor de torque e o transdutor de força normal são ajustados para FRT mode, que significa que o eixo do transdutor de força permanecerá zerado durante todo teste, garantindo resultados mais precisos. Além disso, o motor é travado, assegurando uma maior rigidez no motor. Por fim, a força normal e o torque são zerados. Os fluidos investigados foram ar, óleo padrão e gel de cabelo. O ar e o óleo foram testados no início desse estudo para validar o transdutor do reômetro utilizado. A análise do comportamento da força normal em curvas de escoamento realizadas para ambos fluidos garantiu que o reômetro foi bem escolhido. O gel de cabelo utilizado (figura 6) é um fluido viscoplástico simples, ou seja, possui uma tensão limite de escoamento mas não apresenta outros comportamentos complexos como a tixotropia. Além disso, o gel foi escolhido para o estudo pois é fácil de manusear e é um fluido comercial, garantindo repetibilidade na produção do mesmo. Foram realizados diversos experimentos para analisar o comportamento da força normal submetidos a testes de cisalhamento utilizando o gel de cabelo, entre eles estão curvas e rampas de escoamento, testes de taxa de deformação constante e testes de tensão constante. Testes Fase 1 Curvas de escoamento foram realizadas para ar e óleo padrão visando a validação do transdutor do reômetro escolhido (ARES-G2). O teste escolhido apresenta uma variação de tensão cisalhante de 1 Pa a 1x1-4 Pa. A força normal permaneceu constante e zerada durante todo o experimento, como o esperado. Dessa

5 forma, pode-se concluir que o transdutor está funcionando corretamente. Os gráficos 1 e 2 ilustram o comportamento citado acima Teste 1 Teste 4 Teste 5 Teste Teste 6 Teste Os testes realizados usando gel de cabelo são curvas de escoamento, rampas de escoamento, testes de tensão de cisalhamento constante e testes de taxa de cisalhamento constante. As curvas e rampas foram feitas com a tensão de cisalhamento variando de 1 Pa a 1x1-4 Pa, enquanto os testes a taxas constantes foram feitos a taxa de cisalhamento de.1 1/s e tensão de cisalhamento de 85 Pa. A força normal foi avaliada em função do tempo e da taxa de deformação. O gráfico 3 mostra a taxa de deformação x força normal, resultados obtidos nas curvas e rampas de escoamento. O comportamento das curvas é semelhante para ambos os testes, como esperado. Porém, encontra-se pouca repetibilidade para os valores obtidos.

6 Flow 1 Flow 2 Flow 3 Rampa 9 Rampa 8 Shear rate (1/s) Pode-se perceber no gráfico 4 que apesar da variação de valores, o comportamento da curva permanece o mesmo para todos os testes Teste 3 Teste 1 Teste 8 Teste O teste impondo tensão de cisalhamento constante foi realizado com uma tensão de 85 Pa, que é acima da tensão de cisalhamento. A figura 5 apresenta três testes de tensão de cisalhamento diferentes realizados a partir do mesmo procedimento. Podese perceber que dependendo do valor inicial de força normal, existe um salto entre as curvas, apesar do comportamento semelhante Teste 2 Teste 1 Teste 3

7 Um teste específico de tensão de cisalhamento constante foi realizado da seguinte maneira: primeiramente, uma tensão de cisalhamento de 85 Pa é imposta por dez minutos e em seguida uma tensão de cisalhamento de 5 Pa é imposta por trinta minutos. A figura 6 ilustra dois desses testes. Pode-se perceber que antes de atingir o regime permanente, ambos os testes apresentam comportamentos opostos. Depois disso, o comportamento parece ser o mesmo Teste 1 (Creep 2) Teste 1 (Creep 1) Teste 2 (Creep 2) Teste 2 (Creep 1) No último teste, uma taxa de cisalhamento constante de.1 1/s foi imposta. A figura 7 ilustra que a força normal varia bastante. Além disso, pode-se perceber que os valores ainda são significativos mesmo com taxa de cisalhamento extremamente baixas..3.2 Teste 2 Teste Pode-se perceber a diferença de valores entre os mesmos testes, apesar da semelhança de comportamento entre as curvas. Devido a isso, acredita-se que o material apresenta tensões normais residuais devido ao manuseio da amostra e ao movimento da geometria. Por isso, um novo procedimento antes do experimento será testado na fase 2 do projeto. Fase 2 Para tentar reduzir a tensão residual devido ao posicionamento da amostra, o seguinte procedimento foi implementado antes de todos os testes: após alcançar a folga desejada (1 mm), essa altura é variada até atingir um valor cuja a força normal residual seja menor ou quase zero. Para isso, utilizou-se a geometria placas-placa,

8 visto que era necessário variar a folga entre as placas. O restante do experimento é o mesmo mencionado na seção de metodologia. A partir desse novo procedimento, pode-se perceber que a diferença de valores entre os testes diminuiu significativamente, comprovando o sucesso da nova etapa. Os resultados de força normal x taxa de cisalhamento estão apresentados no gráfico 7. Conclusão Os fluidos viscoplásticos estão presentes nas mais diversas aplicações em indústrias como alimentícia, de cosméticos e de petróleo e em vários processos naturais e por isso torna-se necessário melhor compreensão dos esforços na direção normal desses fluidos. Além disso, os resultados obtidos comprovaram a complexidade do estudo de forças normais em fluidos viscoplásticos, elucidando a importância desse projeto. Referencias 1 D. I. Verrelli and A. R. Kilcullen, Normal stress dierences and yield stresses in attractive particle networks," Advances in Condensed Matter Physics 216 (216). 2 - A. Y. Malkin and I. Masalova, Shear and normal stresses in flow of highly concentrated emulsions," Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics 147, (27).