Departamento de Engenharia Mecânica CARACTERIZAÇÃO REOLÓGICA DE SOLUÇÃO DE POLIBUTENO + QUEROSENE Alunas: Juliana de Paiva Corrêa Orientadora: Mônica Feijó Naccache Introdução O uso de compósitos com matriz polimérica reforçados com fibras tem apresentado um crescimento considerável devido à melhora das propriedades mecânicas do material. O comportamento da orientação de fibras imersas em um fluido viscoso é um importante problema no processamento de materiais compósitos. Sempre que um material é formado, o escoamento altera a orientação das fibras. As respostas mecânicas para esse tipo de compósito dependem de diversos fatores, como o comportamento tensão-deformação, fração volumétrica de cada fase e a direção na qual a tensão é aplicada. Em todo escoamento real é necessário o conhecimento das propriedades reológicas com as quais se deseja trabalhar, pois muitos dos fuidos utilizados nas indústrias possuem características particulares, como por exemplo a elasticidade. A reologia é o estudo responsável pelo escoamento e deformação da matéria, ou seja, avalia cinematicamente a resposta dos materiais quando solicitados. Os componentes dos fluidos podem apresentar diferentes formas geométricas, características de ligação, propriedades particulares e diversas o que proporcionam em classificações distintas. Os fluidos newtonianos, conhecidos por seu comportamento puramente viscoso, possuem a tensão proporcinal a deformação. Já os fluidos não newtonianos não possuem esse comportamentoe podem ser classificados em dois subgrupos: Independente de tempo e dependente de tempo. Fluidos pseudoplasticos, dilatantes e viscoplasticos estão classificados no subgrupo dos independentes de tempo e fluidos viscoelásticos, tixotrópicos e anti-tixotrópicos no subgrupo dos fluidos dependentes do tempo. A caracterização de um fluido é feita a partir da medida experimental de suas propriedades. No caso do fluido Newtoniano uma única propriedade define as características do fluido. Esta propriedade é conhecida como viscosidade cisalhante, e é definida pela eq.(1), onde τ é a tensão cisalhante no escoamento simples de cisalhamento e a taxa de cisalhamento du /dy no mesmo escoamento. ( ) ( ) (1) O escoamento cisalhante ocorre pelo fluxo entre duas placas paralelas, onde uma placa se move e a outra fica estacionária. É criado um fluxo laminar em camadas, as quais lembram o deslocamento de um cartão individual em um conjunto de cartões (carta de baralho). Uma representação do escoamento cisalhante pode ser vista na figura 1.
Departamento de Engenharia Mecânica Figura 1: Representação esquemática de um escoamento cisalhante unidirecional. A viscosidade cisalhante de um fluido Newtoniano só depende da pressão e temperatura. Já no caso do fluido não Newtoniano, ela pode depender também da cinemática do escoamento, através da dependência com a taxa de deformação e com o tempo de cisalhamento. Além disso, para a completa caracterização dos fluidos não Newtonianos, é necessária a determinação de outras propriedades, como os módulos viscosos e de armazenamento, e a viscosidade extensional. Esta última tem grande importância em escoamentos com grandes variações de área, como são os escoamentos em processos de extrusão, encontrados regularmente em operações industriais. A viscosidade extensional é definida pela eq.(2): ( ) (2) Nesse trabalho foi utilizada fibras de Wollastonita e fibras de vidro. A Wollastonita é um metasilicato de cálcio (CaOSiO2), que possui uma composição de 48,3% de óxido de cálcio (CaO) e 51,7% de dióxido de silício (SiO2), podendo apresentar pequenas quantidades de alumínio, ferro, magnésio, potássio e sódio. Em 1822, a fibra recebeu o nome de Wollastonita em reconhecimento ao trabalho do químico inglês Sir Willian Wollaston. A mesma resulta da transformação metamórfica de rochas carbonáceas com o quartzo. Sua principal utilização se dá como substituto para o amianto, na produção de cerâmica, tintas e plásticos. Também é usada em adesivos, produtos sujeitos à fricção, refratários entre outros. As fibras de vidro são produtos da mistura de diferentes composições baseada na sílica, com adições de óxidos de cálcio, boro, sódio, ferro e alumínio. A fibra de vidro é mais utilizadas na fabricação de compositos de baixo e médio desempenho. O vidro é o material de fibra de reforço mais usado por várias razões [1]: Possuem boa capacidade de deformação, boa resistência, baixo custo, baixas resistências à fadiga, à abrasão e menor rigidez. Como fibra, é relativamente resistente. E quando embutidas em uma matriz de plástico, produz um compósito com uma resistência específica muito alta.
É facilmente obtido em fibras de alta- resistência à partir do estado fundido. É encontrado facilmente e pode ser fabricado utilizando uma grande variedade de técnicas industriais viáveis economicamente. Quando associada a alguns tipos de plásticos, possui uma inércia química que produz um compósito resistente à vários ambientes corrosivos. Apresentamos, a seguir, um quadro com algumas características da Wollastonita, comparativamente a fibra de vidro. Objetivo Figura 2. Comparação entre fibra de vidro e a Wollastonita. Obter uma melhor compreensão dos efeitos resultantes da interação entre fibras e solução polimérica através da resposta mecânica para a viscosidade extensional e cisalhante para fluidos newtonianos contendo fibra curtas de Wollastonita e fibra de vidro em diferentes concentrações e temperaturas, utilizando o reômetro extensional Caber e reômetro rotacional Paar Physica. Metodologia A viscosidade de cisalhamento das amostras foi medida utilizando o reômetro rotacional Paar Physica- MCR 501/MCR 301. A geometria utilizada foi de placas paralelas a temperatura de 25º, 35º e 45 C. A viscosidade extensional das amostras foi medida utilizando o reômetro extensional Caber. As geometrias utilizadas foram de 4.0, 6.0 e 6.0 mm a temperatura de 25, 35 e 45º C. Para a caracterização reológica no reômetro extensional uma amostra de fluido é inserida entre duas superfícies planas circulares paralelas. As superfícies deslocam-se axialmente, formando na região central um filamento de fluido praticamente cilíndrico com área transversal reduzida, como podemos observar nas figuras 3 e 4.
Figura 3. Representação esquemática do ensaio extensional. Figura 4. Imagem das geometrias durante o alongamento até o rompimento do filamento. Reologia dos fluidos Para um melhor entendimento do comportamento elástico das soluções poliméricas, foi preparado um fluido newtoniano com diferentes concentrações de fibras. O fluido newtoniano é constituído de uma solução de 93% de polibuteno e 3% querosene. Foram preparadas três amostras com soluções de polibuteno e querosene com adição de fibra de Wollastonita e três amostras com soluções de polibuteno e querosene com adição de fibra de vidro, com concentrações de 0.0%, 1%, e 10% cada. A fibra de Wollastonita possui densidade de 2900 kg/m³ e a fibra de vidro de 1200 kg/m³. Na caracterização reológica no reômetro extensional, os filamentos de fluidos newtonianos, com adição de fibra curtas de Wollastonita e fibra de vidro em diferentes concentrações, se comportam de maneiras distintas no escoamento extencional. A evolução dos diâmetros em relação ao tempo é significativamente diferente para cada tipo de amostra. A figura 5 mostra o comportamento do diâmetro do filamento para amostra com fluido de PB + Querosene com adição de fibra de Wollastonita. Pode- se perceber que por causa da adição de fibras de Wollastonita ao fluido de PB + Querosene, houve um aumento significativo no tempo necessário ao rompimento do filamento, ou seja, há um aumento da resistência extencional do fluido. Porém para amostras de PB + Querosene com adição de fibra de vidro, foi possível observar que o aumento do tempo de rompimento do filamento, dependerá da concentrações de fibras, como podemos observar na figura 6.
Figura 5. Evolução do diâmetro de filamento para fluido PB + Querosene com diferentes concentrações de fibra de Wollastonita. Figura 6. Evolução do diâmetro de filamento para fluido PB + Querosene com diferentes concentrações de fibra de vidro.
Testes com fluido PB + Querosene com diferentes concentrações de fibras de Wollastonita e fibra de vidro, foram realizados com o objetivo de verificar se ocorre uma mudança na viscosidade extensional devido adição de fibras no fluido. Os resultados obtidos podem ser observados na figura 7. Figura 7. Viscosidade extensional para amostra de PB + Querosene com diferentes concentrações de fibras. Os resultados apresentam um pequeno aumento na viscosidade extensional para ambas as fibras, porém a viscosidade extensional para amostras com fibra de Wollastonita é maior que para a fibra de vidro. Com o reômetro rotacional Paar Physica efetuamos a caracterização reológica das amostras de PB + Querosene com diferentes concentrações de fibras a temperatura de 25 C. Observou-se que o aumento da viscosidade cisalhante para o fluido é proporcional ao aumento das fibras. Conforme ilustra a figura 8.
Fig 8. Viscosidade X Taxa de Cisalhamento para PB + Querosene com diferentes concentrações de fibras. Com as amostras de PB + Querosene com adição de fibra de Wollastonita e fibra de vidro foram realizados testes com objetivo de verificar o comportamento do fluido a variação de temperatura. De acordo com a figura 9, foi possivel observar que com o aumento da temperatura ocorreu uma diminuição do tempo de rompimento do filamento e consequentemente na viscosidade extensional para ambas as fibras. Tambem é possivel verificar a diminuição a viscosidade cisalhante, conforme ilustra a figura 10.
Fig 9. Evolução do diâmetro de filamento para fluido PB + Querosene com variação de temperaturas. Fig 10. Viscosidade X Taxa de Cisalhamento para PB + Querosene com variação de temperatura.
Conclusão Nos resultados obtidos para a viscosidade cisalhante, observou-se que o aumento da viscosidade cisalhante é proporcional ao aumento das fibras. Para amostras com fibra de Wollastonita a viscosidade cisalhante foi maior que do que amostras com fibra de vidro. Em relação às amostras com concentrações diferentes de fibras foi observado um ligeiro aumento da viscosidade extencional para ambas amostras com diferentes fibras. Referência [1] CALLISTER, W.D. Fundamentos da ciência e engenharia de materiais: uma abordagem integrada. Rio de Janeiro: LTC, 2006. [2] D.V Boger.A highly elastic constant-viscosity fluid.journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 1977/1978. [3] Schramm, G. Reologia e Reometria. 2.ed. Alemanha: Artliber, 2006. [4] Bazilevskii, A. V., Entov, V. M. and Rozhkov, A. N., 2001, "Breakup of an Oldroyd Liquid Bridge as a Method for Testing the Rheological Properties of Polymer Solutions", Polymer Science, Vol. 43, pp. 716-726. [5] Instruction Manual, Haake Caber 1, Thermo scientific, 2007.