Estudo da Reologia de Fluidos Análogos ao Sangue e Suspensões de Partículas Sensíveis a Campos Eléctricos

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1 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Bolsa de Integração à Investigação BII FCT BII/UNI/532/EME/ /2009 Estudo da Reologia de Fluidos Análogos ao Sangue e Suspensões de Partículas Sensíveis a Campos Eléctricos Coordenadores: Profº Fernando Tavares de Pinho Profª Mónica de Freitas Oliveira Agradecimentos: Profº Adélio de Sousa Cavadas Profª Maria Josefina Ferreira

2 Objectivos Neste trabalho pretende-se caracterizar fluidos com propriedades reológicas análogas ao sangue e seleccionar e medir suspensões de partículas sensíveis a campos eléctricos que possam ser utilizadas num sistema de amortecimento de baixo custo. Introdução Reologia Hemoreologia Metodologia Fluidos análogos ao sangue Análise reológica Análise electroreológica 2 Conclusões

3 Introdução Reologia Rheologos = rheo (fluxo) + logos (estudo) Mecânica dos Fluidos Estudo do fluxo e das suas deformações decorrentes, assim como as propriedades físicas que influenciam o transporte de quantidade de movimento, tais como a viscosidade, elasticidade e plasticidade. Mecânica dos Meios Continuos Reologia Fenómenos de Transporte O estudo dos líquidos não newtonianos é normalmente conhecido como reologia. (Massey 2002) 3

4 Função do sangue no organismo; Hemoreologia Constituição sanguínea; Problemas na recolha e no transporte; Comportamento reológico. Ciência que estuda a deformação, o fluxo e a constituição do sangue. 4

5 Reologia do sangue Plasma Fluidos Newtoniano Não newtoniano Viscoelásticos Puramente viscosos (inelásticos) Independentes do tempo Sem tensão de cedência Com tensão de cedência Reopécticos Bingham Herschel- Bulkley Dependentes do tempo Sangue Tixotrópicos Presença de glóbulos vermelhos que a baixas taxas de deformação formam aglomerados com a estrutura de fibras longas (rouleaux) e fazem com que o sangue descreva um comportamento não-newtoniano reofluidificante. (Dutta e Tarbell 1992); 5

6 Recolha e transporte do sangue - NP EN A amostra tem que ser constituída por material colhido com o mínimo de contaminação por flora dos tecidos adjacentes; Todos os recipientes de colheita e transporte devem encontrar-se esterilizados; A amostra tem que estar isolada de agentes microbianos; Os recipientes para recolha não devem encher-se para além dos seus 2/3 de capacidade; Estes recipientes devem fechar-se hermeticamente, caso contrário, têm que ser mantidos na posição vertical durante todo o transporte. 6 Estabilidade Custo Viabilidade

7 O comportamento reológico dos fluidos biológicos, tal como o sangue, varia de indivíduo para indivíduo, dentro de gamas estreitas, sendo afectado por determinadas patologias. Individuo saudável T = 37º C ρ = 1036 Kg / m c= 3760 J / (Kg.K) 3 Os fluidos análogos ao sangue, segundo Vlastos et al. 1997, são a solução de goma de xantano (XG) a 500ppm e a solução de poliacrilamida 7 (PAA) a 125ppm.

8 Metodologia Reometria Análogos ao sangue Fluidos electroreológicos Reometria rotacional Reometria extensional Reometria electrorotacional Ensaio de corte Ensaio extensional Ensaio de corte sujeito a uma tensão eléctrica constante 8 Ensaio oscilatório

9 Reometria Análogos ao sangue Fluidos electroreológicos Reometria rotacional Reometria extensional Reometria electrorotacional Ensaio de corte Ensaio extensional Ensaio de corte sujeito a uma tensão eléctrica constante 9 Ensaio oscilatório

10 Dados da Reologia do sangue Taxa de corte, (s -1 ) Viscosidade de corte, (Pa.s) 0,0103 0,1580 0,0599 0,0997 0,121 0,0743 0,527 0,0362 1,17 0,0237 5,99 0, ,4 0,0086 Viscosidade de corte (Pa.s) 1 0,1 0,01 Sangue T=37ºC 58,1 0, , ,0040 (Vlastos et al. 1997) 0,001 0,01 0, Taxa de corte (s -1 ) 10

11 CP-75-1 Repetibilidade dos ensaios Dependência no tempo Dependência da Temperatura Comparação com o sangue Ensaio oscilatório 11

12 Repetibilidade dos ensaios - XG Tensaio = 20º C Precisão do aparelho; Degradação das moléculas. 12

13 Dependência no tempo - XG T = 20º C ensaio Não ocorrem fenómenos de histerese; A solução de XG não exibe tixotropia. 13

14 Dependência da Temperatura Condição de resolução mínima µ 3M 1 = 2π R γ min min 3 R = 0, m M min = Nm 10 Viscosidade de corte (Pa.s s) 1 0,1 0,01 Resolução Minima 0,001 0, Taxa de corte (s -1 ) 14

15 Condição de instabilidade inercial 0,1 2 3 R α µ max = ρ γ 6 Viscosidade de cort te (Pa.s) 0,01 0,001 0,0001 Vórtices de Taylor 1E Taxa de corte (s -1 ) 15

16 XG 500ppm 16

17 PAA 125ppm 17

18 Obtenção da curva mestre a T = ( ) µ T. T ρ ref ( Tref ) ref µ. T ρ µ = µ r ( T ) Tref ρref a. T ρ T Equação de Arrhenius a T H 1 1 = exp R T T ref ln ( a ) H = T R 1 1 T T ref Energia de activação 18

19 XG 500ppm Tref = 20º C 1 1 ln ( at ) = 1801,5. 0,0015 T T ref H = 1801,5 K R 19

20 PAA 125ppm Tref = 20º C 1 1 ln ( at ) = 1172,1. 0, 0174 T T ref ln(at) 0,08 0,04 0-6E-05-3E E-05 6E-05 y = 1172,1x + 0,0174 R² = 0,9535 PAA 125ppm H = 1172,1K R 20-0,04 (1/T)-(1/Tref) (K -1 )

21 Estabilidade XG > Estabilidade PAA 21 Repetibilidade dos ensaios

22 Reometria Análogos ao sangue Fluidos electroreológicos Reometria rotacional Reometria extensional Reometria electrorotacional Ensaio de corte Ensaio extensional Ensaio de corte sujeito a uma tensão eléctrica constante 22 Ensaio oscilatório

23 Varrimento em amplitude f = 10H z 23 Frequência elevada

24 Varrimento em frequência A =10% 24 Baixa elasticidade

25 Reometria Análogos ao sangue Fluidos electroreológicos Reometria rotacional Reometria extensional Reometria electrorotacional Ensaio de corte Ensaio extensional Ensaio de corte sujeito a uma tensão eléctrica constante 25 Ensaio oscilatório

26 XG 500ppm Reologia extensional Temperatura do ensaio (ºC) Tempo de relaxação (ms) 19 4, , , , , , , , ,46 Reómetro de ruptura capilar: Abertura desde 3,01 a 8,98 mm com um perfil exponencial; Temperatura de ensaio constante próxima da temperatura ambiente (19ºC). Modelo de Maxwell D D 0 = k. e t 3λ 19 3,62 3,81±0,35 ms D t ln = + D 3λ 0 ln k ( ) 26

27 XG 500ppm CaBER TM - Capillary Breakup Extensional Rheometer 3,46 ms Reómetro de ruptura capilar (CaBER TM - Capillary Breakup Extensional Rheometer) foram a abertura desde 3,01 a 8,98 mm com um perfil exponencial e uma temperatura de ensaio constante próxima da temperatura ambiente, de modo a desprezar eventuais fenómenos de transferência de calor que possam interferir na medição. 27

28 PAA 125ppm Reologia extensional Temperatura do ensaio (ºC) Tempo de relaxação (ms) 20 33, ,5 34,00 ± 0,44ms 20 33,7 λ PAA λ > XG Elasticidade PAA > Elasticidade XG moléculas flexíveis moléculas semi-rígidas 28

29 Análise da Electroreologia de Suspensões Reometria Análogos ao sangue Fluidos electroreológicos Reometria rotacional Reometria extensional Reometria electrorotacional Ensaio de corte Ensaio extensional Ensaio de corte sujeito a uma tensão eléctrica constante 29 Ensaio oscilatório

30 Análise da Electroreologia de Suspensões Electroreologia V E =. V E = i x V h = u v µ µ ( γ, E) F = µ A F = µ A y h 30 Se V 0 >>, então ocorre a formação de colunas.

31 Análise da Electroreologia de Suspensões CC-27/E Efeito da concentração Efeito da tensão eléctrica aplicada 31

32 Análise da Electroreologia de Suspensões Condição de resolução mínima µ = γ = R R T ω R H R2 2π 1 R2 ω R R 2 1 µ 1 = M R H min min 2 γ 2π 1 10 Viscosidade de corte (Pa.s) 1 0,1 Resolução minima 32 0,01 0, Taxa de corte (s -1 )

33 Análise da Electroreologia de Suspensões Condição de instabilidade inercial T ( R R ) R ρω a = 2 2 R2 R µ 1 1 R 2, com T Critico = R ( R R ) 3 µ max = 850 R γ 2 2 R 1 R2 1 R2 33

34 Análise da Electroreologia de Suspensões Efeito da concentração Suspensão de amido de milho em óleo de linhaça 2KV A diferença máxima de viscosidades é 30,79% e ocorre para um valor de taxa de deformação de 2,02s

35 Análise da Electroreologia de Suspensões Suspensão de CMC em óleo de linhaça 2KV A diferença máxima de viscosidades é 10,36% e ocorre para um valor de taxa de deformação de 2,44s

36 Análise da Electroreologia de Suspensões Resultados Granulometria Coulter - Alumina Estatística Valor Unidade Média 19,98 μm Moda 14,45 μm Mediana 31,5 μm Desvio-padrão 19,4 μm Variância 376,3 μm 2 Covariância 97,08 Adimensional 36

37 Análise da Electroreologia de Suspensões Suspensão de óxido de alumínio em óleo de linhaça 2KV A diferença máxima de viscosidades é 18,49% e ocorre para um valor de taxa de deformação de 2,02s

38 Análise da Electroreologia de Suspensões Efeito do campo eléctrico aplicado Suspensão de amido de milho em óleo de linhaça com uma concentração de 2000ppm. 100 Tensão de corte (Pa) KV 2KV 4KV 6KV 8KV 0,1 0, Taxa de corte (s -1 ) 38

39 Análise da Electroreologia de Suspensões 2,16 Pa 1,75 Pa 0,65 Pa Tens são de corte (Pa) 3 2,5 2 1,5 1 0, ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Taxa de corte (s -1 ) 0KV 2KV 4KV 6KV 8KV 0,41Pa 39

40 Análise da Electroreologia de Suspensões 100 Viscosidad de de corte (Pa.s) ,1 0KV 2KV 4KV 6KV 8KV 0,01 0, Taxa de corte (s -1 ) 40

41 Análise da Electroreologia de Suspensões 17,5 Pa.s 100 2,26 Pa.s Viscosidad de de corte (Pa.s) ,1 0KV 2KV 4KV 6KV 8KV 0,01 7,55 Pa.s 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Taxa de corte (s -1 ) 41 0,53 Pa.s

42 Análise da Electroreologia de Suspensões Conclusões As soluções de XG e PAA (T=20ºC) apresentam uma viscosidade de corte ligeiramente superior aos dados do reológicos do sangue obtidos para uma temperatura de 37ºC, sendo a solução de PAA a que apresenta um melhor ajuste; A solução de XG apresenta um valor superior de energia de activação, e logo possui uma maior estabilidade ao longo do ensaio, o que garante a existência de repetibilidade das suas propriedades reológicas; As soluções de XG e de PAA, ao contrário do sangue que exibe tixotropia, não apresentam qualquer dependência no tempo; Embora estes fluidos sejam considerados análogos ao sangue, em termos de 42 reologia de corte, estes não o são em termos de reologia extensional;

43 Análise da Electroreologia de Suspensões O aumento da concentração e da intensidade do campo eléctrico, aumentam o efeito electroreológico, promovendo um aumento de viscosidade, e consequentemente o aparecimento de uma tensão de cedência; O efeito electroreológico torna-se desprezável a elevadas taxas de deformação de corte, pois a elevada velocidade angular imposta no ensaio, faz com que ocorra a ruptura das cadeias ou colunas formadas pela aplicação do campo eléctrico; Para aplicações a baixo custo, poder-se-ia proceder à moagem do amido de milho, ao aumento da concentração do mesmo e à utilização de óleo de silicone, assim como aumentar a concentração de modo a intensificar esse efeito. 43

44 Análise da Electroreologia de Suspensões Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Bolsa de Integração à Investigação BII CEFT 2008/2009 Estudo da Reologia de Fluidos Análogos ao Sangue e Suspensões de Partículas Sensíveis a Campos Eléctricos 44