Reologia Interfacial

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1 Reologia Interfacial Aluno: Rodrigo Bianchi Santos Orientador: Paulo Roberto Mendes Co-Orientador: Priscilla Varges Introdução Reologia é o ramo da mecânica dos fluidos que estuda as características que influenciam no escoamento e transporte de matéria de um fluido, como viscosidade, elasticidade e plasticidade. A reologia interfacial por sua vez tem como objetivo desempenhar esta analise na interface entre dois fluidos imiscíveis (no caso de um sistema líquido gás denominamos de superfície esta região de contato). A interface se caracteriza pela região de contato entre átomos ou moléculas de duas fases distintas, e esta se difere do interior dos fluidos que a constituem (conhecidos também como bulk), porque as moléculas presentes nesse região são energeticamente distintas, uma vez que sobre estas interatuam forças de particulas de ambas as fases. Estas propriedades tornam a interface um objeto de estudo muito importante, e como é necessário um aparato de instrumentos de medição bastante sensível, pois a maioria dos instrumentos influenciariam sua caracterização já que estes fariam predominar efeitos de inércia devido ao seu tamanho, comparado com a espessura da interface (geralmente menor que 0.1 μm). Assim, entre outros fatores, o estudo e caracterização da interface se torna um desafio ainda maior. O estudo da reologia interfacial é consideravelmente recente ainda, porém tem aplicações bastante importantes e interessantes, como controle da estabilidade de emulsões, controle e formação de espumas e estudo de compostos tensioativos (também conhecidos como surfactantes), por exemplo. Para realizar o estudo reológico, utilizou-se reômetros rotacionais para coletar dados na interface, posteriormente processados em gráficos. Foi necessário também o desenvolvimento de um projeto seguido de confecção de uma geometria que viabilizasse os testes a serem realizados. Materiais e Métodos Experimentais A realização de testes em reologia interfacial foi feita com a utilização de um reômetro rotacional. Este reômetro trabalha impondo um torque no instrumento de medição (o anel Du- Nouy), que aplica cisalhamentos oscilatórios na interface, coletando dados e calculando propriedades dos fluidos, que são inseridos em uma geometria desenvolvida para a realização destes testes. Para a caracterização reológica completa dos fluidos, vários testes foram feitos, cada um visando definir certas propriedades. Mais tarde, os dados foram processados e tratados no programa Kaleida Graph para termos um resultado em forma gráfica e assim levantar conclusões.

2 1. Geometria Projeto O primeiro estudo feito foi referente à geometria a ser utilizada como recipiente nos testes. Por se tratar de testes realizados na interface, uma geometria que viabilize identificar este ponto é fundamental na hora da montagem inicial. Após um estudo, a geometria escolhida permitiu que fosse possível uma melhor visualização da altura em que se daria a interface. Além disso, foi feito um estudo para determinar as dimensões da geometria para que durante os testes de cisalhamento oscilatório os efeitos de parede fossem desprezíveis. Em seguida, foi escolhido o material a ser utilizado, pois é necessário que o sistema como um todo tenha uma temperatura uniformemente distribuída e conhecida, por isso devese escolher um material com propriedades de condução térmica necessárias a finalidade em questão. O material escolhido foi o teflon, pois possui propriedades de condutividade térmicas necessárias, e também por ser um material com custo mais baixo e facilidade na usinagem com a precisão de acabamentos exigida. Figura 1: Vista isométrica da geometria Figura 2: Vista frontal da geometria

3 Foi então feito um projeto em CAD utilizando o programa Solid Works, onde a geometria foi desenhada e, em seguida, usinada. 2. Anel Du Nouy Para recolher as informações sobre os testes realizados, o instrumento de medição acoplado a extremidade do reômetro foi o anel Du Nouy, um anel que devido a sua sensibilidade e geometria delicada consegue medir com bastante precisão as propriedades da interface sem que sua inércia prevaleça e interfira nos resultados. Devido a sua sensibilidade, o anel Du Nouy deve ser limpo a cada experimento realizado com água deionizada, o no começo de cada rodada de testes deve ser queimado com fogo para garantir uma limpeza completa. Figura 3: anel Du Nouy

4 3. Reômetro Rotacional Para a geração e processamentos de dados coletados nos testes interfaciais, utilizou-se um reômetro rotacional. Devido a instabilidade da interface, as medições de suas propriedades tornam-se muito difíceis, pois qualquer efeito externo pode tornar-se predominante sobre os valores medidos nela. O reômetro Ar-G2 da TA Instruments foi utilizado, pois ele tem sensibilidade alta o suficiente, assim como torque baixo o suficiente para utilizar o anel Du Nouy em modo oscilatório, diferentemente da maioria dos reômetros. Figura 5: Reômetro Ar-G2 A montagem e execução do teste se dá na seguinte ordem: Limpeza de todos os componentes Coloca-se a amostra na geometria, identificando a altura da interface Fixa-se o anel na extremidade do reômetro Programação do tipo de teste e etapas desejadas pelo software do reômetro Inicialização do teste

5 Os testes foram realizados utilizando óleo mineral e carbopol, um fluido não newtoniano viscoplastico com características elásticas. Por ser mais denso que o óleo, o carbopol (utilizado em concentração de 0,2%) é colocado primeiro na geometria até a marca estabelecida na meia altura do recipiente, e por cima dele coloca-se o outro fluido até o topo da geometria. Em seguida, o anel é mergulhado até ser completamente imerso no carbopol. Testes 1. Squeeze/pull-off Como não é possível determinar com exatidão a altura em que se encontra a interface, o primeiro teste que sempre é feito é o chamado squeeze/pull-off, onde uma altura inicial é pré-definida e a partir dela o anel começa a subir, e o reômetro realiza uma medição em caga altura de gap a força normal. Sabemos que na região da interface há uma queda nesta força, portanto o gráfico resultante deste teste fornece a altura com muita precisão da interface na amostra. 2. Strain Sweep Sem retirar a amostra após realizar o teste número 1, programa-se o reômetro para levar o anel à altura de gap que se encontra a interface para a realização deste teste. A rotina de strain sweep é um teste que aplica um torque oscilatório ao anel Du Nouy, rodando com uma frequência angular constante e de valor igual a 0,1Hz, e este movimento causa cisalhamento na interface. Este cisalhamento provoca uma deformação angular na interface durante o escoamento, e a partir desse valor o reômetro calcula as propriedades reológicas de interesse, que são G e G (Módulos de elasticidade e plasticidade, respsectivamente). Na região chamada linear, a elasticidade e a plasticidade são independentes da deformação. Foram realizados testes iguais com o anel mergulhado somente no carbopol e no óleo e, depois, com o conjunto todo e o anel na interface, com o intuito de analisar as possíveis variações causadas por essa região de transição entre os dois fluidos.

6 Os dados obtidos foram salvos em planilhas pelo próprio software do reômetro, que foram exportadas para o programa Kaleida Graphs, onde por fim foram tratados e obtidos gráficos log-log, mostrados a seguir. Figura 6: Módulos de elasticidade e plasticidade versus deformação para óleo e carbopol 0.2% Anel mergulhado no carbopol Anel mergulhado no óleo

7 Figura 7: Módulos de elasticidade e plasticidade versus deformação para óleo, carbopol 0.2% e interfacial Conclusões Foi observado que ambos os módulos de elasticidade e plasticidade na interface diferem tanto da fase carbopol quanto da fase óleo, levando a conclusão que a interface de fato tem propriedades que podem influenciar no escoamento e deve ser levada em consideração no estudo do mesmo. A priore, não foram detectadas variações significativas das propriedades elásticas com o tempo. Assim, podemos considerar que a interface entre os fluidos permanece estável. Agora a linha de pesquisa deve continuar a realizar testes com carbopol e óleo mineral, objetivando a criar um padrão bem sucedido de medição reológica interfaciel no país.