Os estudos demonstram aumento significativo da viscosidade do nanofluido em comparação com o fluido-base. Para os fluidos com nanotubos de carbono, esse aumento é ainda maior e causa um comportamento diferenciado na viscosidade mesmo em baixas concentrações. Muitos estudos apontam para o aumento da viscosidade com a redução da taxa de deformação (ᵞ), que caracteriza um fluido não-newtoniano e pode ser explicada pela forma alongada do MWCNT, semelhante às fibras alimentares que impõem o mesmo comportamento, como por exemplo nos sucos concentrados de frutas.
No estudo de Sabiha et al. (2016), o uso de nanotubos de carbono em concentrações entre 0,01 e 0,50 % em peso, causa um aumento da viscosidade de 20 a 30 % e a viscosidade diminui com o aumento da taxa de cisalhamento, comportando-se como um fluido pseudoplástico, onde o formato alongado das partículas promove uma dificuldade inicial ao escoamento que tende a se orientar na direção do fluxo, conforme o aumento do movimento, causando a redução aparente da viscosidade em função do aumento da taxa de cisalhamento. Um resultado semelhante foi observado nos estudos de Garg et al. (2009) e Nanda et al. (2008).
No estudo de Garg et al. (2009), observou-se que o aumento do tempo de sonicação causou um impacto importante na redução da viscosidade do nanofluido, que, de acordo com os autores, devem estar relacionados à redução do tamanho médio dos nanotubos suspensos pela maior quebra dos agregados. De acordo com os autores o aumento da viscosidade relativa à água, pela simples inserção de 0,25 % em peso de goma arábica é de aproximadamente 18 %. O valor da viscosidade do nanofluido com 1 % em peso de MWCNT é 50 % superior ao do fluido-base após 20 minutos de sonicação, e, após 80 minutos de sonicação, a viscosidade do nanofluidos passa a ser apenas 35 % superior na temperatura de 30 °C. Os autores relatam que o aumento relativo da viscosidade foi menor nas temperaturas inferiores do estudo, variando de 45 a 25 % a 15 °C, utilizando 20 e 80 minutos de sonicação, respectivamente.
Resultados semelhantes podem ser observados no estudo de Xing et al. (2015), onde o aumento da viscosidade relativa é menor a temperaturas mais baixas. De acordo com o estudo, a concentração de 0,1 % em peso de MWCNT aumentou de 6,88 para 8,3 % nas temperaturas de 10 e 60 °C, respectivamente, e, na concentração de 1,0 % em
Resultados Etapa I
peso, o aumento da viscosidade relativa ao valor do fluido-base situa-se entre 26,5 a 36 % de 0 a 60 °C, respectivamente.
Neste trabalho:
No estudo atual, a viscosidade dos nanofluidos foi medida em diferentes tempos de sonicação e em diferentes concentrações e temperaturas para verificar o comportamento reológico dos três nanofluidos diferentes, sujeitando os nanofluidos a taxas de deformação entre 0 e 1000 s-1, que cobre a maioria dos taxas observadas nos processos de bombeamento industrial de circuitos de transferência de calor.
Efeito da temperatura:
A variação da viscosidade com a temperatura é um parâmetro importante a ser utilizado nos cálculos de engenharia. Uma comparação entre as curvas de viscosidade por temperatura dos diferentes nanofluidos é mostrada na Figura 19. Os valores de viscosidade medida para água e fluidos de base em diferentes temperaturas estão indicados na Figura 19A e a viscosidade dos nanofluidos com A.G-MWCNT, TrX- MWCNt e COOH-MWCNT nas concentrações de 0,125 e 1,0 % em peso são mostradas no gráfico da Figura 19B
Os gráficos da Figura 19 são construídos, usando os valores de viscosidade da curva da terceira rampa da taxa de deformação contra o a taxa de tensão, para eliminar o efeito da tixotropia na avaliação da viscosidade dos nanofluidos, no caso, os nanofluidos com nanotubos de carbono funcionalizados. A viscosidade do Triton X-100 a 0,25% em peso não afeta a viscosidade da água, assim como a solução com NaOH para o ajuste do pH de 10. Porém a viscosidade do fluido-base, usando goma arábica com 0,25 wt%, atinge mais de 50 % de aumento a 5 °C e cerca de 20 % para temperaturas mais elevadas, o que ajuda a explicar também a sua estabilidade à sedimentação dos A.G-MWCNTs. As medições mostraram que o uso de 0,125 % em peso e 0,25 % em peso de MWCNT reduz a viscosidade em comparação com o fluido- base de goma arábica, como é possível observar na Figura 19.
Resultados Etapa I
Figura 19 Viscosidades em diferentes temperaturas: fluidos-base (A) e dos nanofluidos de A.G-MWCNT; TrX-MWCNT e COOH-MWCNT (B) nas concentraçoes de 1,0 e 0,125 % m/m.
Fonte: Do autor
A variação da viscosidade com a temperatura é menos intensa para os nanofluidos com maior concentração de MWCNT, o que provoca a maior diferença entre a viscosidade do nanofluido e a água à medida que a temperatura aumenta, resultando em um aumento da razão nf/fb, que pode ser observado claramente nos
gráficos da Figura 20.
Na Figura 20, estão mostrados os valores obtidos pela razão entre a viscosidade dos nanofluidos pela viscosidade do fluido-base, onde, na Figura 20A, está mostrada a viscosidade relativa para concentrações de 0,5 e 1,0 % m/m e, na Figura 20B, está mostrada a viscosidade relativa nas concentrações de 0,125 e 0,25 % m/m. Assim é
Resultados Etapa I
mostrada a tendência de aumento da viscosidade relativa em função da temperatura com destaque para o nanofluido COOH-MWCNT na concentração de 1,0 % m/m, onde o aumento da viscosidade passa de 4 vezes maior para quase 6 vezes maior entre as temperaturas de 5 a 60°C.
Nota-se que o aumento da viscosidade ultrapassa o 100% somente para os nanofluidos Trx-MCNT e A.G-MWCNT na concentração de 1,0 % m/m e em temperaturas acima de 30 °C para os nanofluidos de COOH-MWCNT nas concentrações de 0,5 e 1,0 % m/m em todas as temperaturas estudadas. O aumento da diferença de viscosidade relativa nf/fb com a temperatura ocorreu para todas as
amostras utilizadas neste estudo. Na temperatura de 30 °C, as amostras de TrX- MWCNT e COOH-MWCNT com 0,5 % em peso apresentam um aumento discrepante ao comportamento observado nas demais temperaturas, com elevado aumento da razão de nf/fb,, indicando que a 30 °C alguns nanofluidos tendem a atingir o maior aumento
Resultados Etapa I
Figura 20 Resultados experimentais (A) e ajustes da razão da viscosidade dos nanofluidos com a viscosidade do fluido-base (B) para A.G-MWCNT; TrX-MWCNT e COOH-MWCNT nas concentrações de 1,0; 0,5; 0,25 e 0,125 % m/m em diferentes temperaturas.
Fonte: Do autor
Efeito do nanofluido e sua concentração:
A influência da concentração dos nanofluidos na viscosidade está ilustrada nos gráficos da Figura 21, onde na Figura 21A é mostrada a viscosidade relativa (nf/fb ) e,
na Figura 21B estão mostrados os valores das viscosidades medidas nas temperaturas de 5 e 60 °C.
Resultados Etapa I
Figura 21 Resultados experimentais (A) e ajustes da razão viscosidade dos nanofluidos com a viscosidade do fluido-base; (B) para: A.G-MWCNT; TrX-MWCNT e COOH-MWCNT nas concentrações de 1,0; 0,5; 0,25 e 0,125 % m/m em diferentes concentrações de nanotubos de carbono.
Fonte: Do autor
A variação da razão de nf/fb com a concentração de MWCNT atinge valores
entre 15 a 50 % nas concentrações entre 0,125 e 0,25 % m/m, onde a diferença entre os três nanofluidos estudados é pouco nítida. A partir da concentração de 0,5 % m/m observa-se grande aumento da viscosidade dos nanofluidos COOH-MWCNT, atingindo valores de 2 a 2,5 vezes a viscosidade do fluido-base, enquanto os nanofluidos A.G- MWCNT possuem viscosidade entre 40 a 60 % maior em comparação ao fluido-base e os fluidos TrX-MWCNT entre 30 a 50 % maior do que o fluido-base. Já na concentração de 1,0 % m/m os nanofluido COOH-MWCNT apresentam um aumento entre 5,5 a 6 veze o valor da viscosidade do nanofluido, enquanto os nanofluido A.G-
Resultados Etapa I
MWCNT e TrX-MWCNT apresentam aumentos entre 60 a 100 % e 50 a 110 % respectivamente. O comportamento da viscosidade dos nanofluidos em função da concentração, ilustrado na Figura 21B pode ser descrita por um ajuste de segundo grau, mostrados na Tabela 13.
Tabela 13. Equações de ajuste para a razão da viscosidade do nanofluido com a viscosidade do fluido- base versus a concentração de nanotubos de carbono a específicas temperaturas.
Temperature °C nanofluidos nf/Wt = A + B1x + B2x2: A= (intercepto); = B1 (parâmetro1); B2 = (Parâmetro2); x = MWCNT concentração) A.G-MWCNT TrX-MWCNT COOH-MWCNT 5 A 1,0883 A 1,0161 A 0,8290 B1 0,6910 B1 0,3603 B1 0,9710 B2 -0,0870 B2 0,0777 B2 1,0440 R2 0,9610 R2 0,9929 R2 0,9943 30 A 1,1077 A 1,0340 A 0,4170 B1 0,7731 B1 0,8302 B1 4,4160 B2 -0,1800 B2 0,3072 B2 -0,0600 R2 0,9997 R2 0,8250 R2 0,9670 60 A 1,1217 A 0,0497 A 1,0540 B1 0,9592 B1 0,8764 B1 0,3850 B2 0,0837 B2 0,3212 B2 4,3800 R2 0,9941 R2 0,9533 R2 0,9995
Efeito do tempo de sonicação:
As medições de viscosidade apresentam uma redução de aproximamente 4 % com o aumento do tempo de sonicação de 40 a 100 minutos e nenhuma alteração substancial de 100 a 220 minutos de sonicação. A goma arábica provoca maior aumento da viscosidade entre os dois surfactantes, no entanto, os nanofluidos com COOH- MWCNT apresentam o maior aumento de viscosidade, comparando nas mesmas concentrações de MWCNT com todas as temperaturas medidas, conforme mostrado na Figura 22.
Na Figura 22 está mostrado o comportamento da viscosidade após os tempos de sonicação de 40, 100, 160 e 220 minutos.
Resultados Etapa I
Figura 22 Viscosidade dos nanofluidos de AG-MWCNT; TrX-MWCNT e COOH-MWCNT na concentração de 1,0 % m/m em diferentes tempos de sonicação (40, 100, 160 e 220 minutos).
Fonte: Do autor
As curvas de tensão de cisalhamento versus a taxa de cisalhamento indicam um comportamento de variação muito próximo ao linear, onde a viscosidade pode ser considerada como constante com a taxa de cisalhamento para todas as amostras de A.G- MWCNT e TrX-MWCNT, conforme Figura 23, onde é mostrada a viscosidade (Pa.s) contra curvas de velocidade de cisalhamento (s-1) nas temperaturas de 5 e 30 ° C com 1 % em peso de nanofluidos.
Resultados Etapa I
Figura 23 Curvas de viscosidade da água e nanonfluidos de A.G-MWCNT 1 % m/m; TrX-MWCNT 1 % m/m e COOH-MWCNT 1 % m/m em função da taxa de cisalhamento para: a: 5 °C e b) 30 °C.
Fonte: Do autor
Comparação com a literatura:
A partir das curvas de viscosidade em função da taxa de deformação, obtidas com os nanofluidos de goma arábica, observa-se que o aumento da viscosidade está entre 18 e 26 % comparado ao fluido-base para os nanofluidos de concentração equivalentes a 0,125 % em peso, sendo que, para os nanofluidos mais concentrados, o aumento da viscosidade situa-se entre 22 e 35 % na concentração de 0,25% em peso, entre 42 e 63 % na concentração de 0,5 % em peso e entre 68 e 116 % na concentração de 1,0% em peso para as temperaturas de 5 C a 60 °C. Os valores estão um pouco abaixo dos resultados obtidos por Sabiha et al. (2016), que utilizou MWCNT e obteve aumentos da ordem de 20 a 30 % na viscosidade a 30 °C na concentração de 0,5 % em peso.
Resultados Etapa I
O uso de 0,25 % em peso por Garg et al. (2009) levou a um aumento na viscosidade de aproximadamente 18 % a 30 °C, menor que o obtido neste estudo, que obteve um aumento equivalente a 29 % na mesma temperatura. Garg et al. (2009) obtiveram a redução da viscosidade com o aumento do tempo de sonificação, onde o aumento da viscosidade relativa passou de 50 para 35 % com o aumento do tempo de sonificação de 20 para 80 minutos. No estudo atual, observou-se pouca influência do tempo de sonicação na viscosidade final do nanofluido a partir de 40 minutos de sonicação, onde a viscosidade final dos nanofluidos de A.G-MWCNT apresenta um aumento da ordem de 70 % na concentração de 1,0 % em peso a 30 °C.
Deve notar-se que os valores de aumento de viscosidade são baseados nos valores de água pura. Este padrão foi adotado para evitar resultados especulativos, uma vez que o aumento da viscosidade causado pela presença simples de goma arábica é 46 % a 5 °C, 27 % a 30 °C e, aproximadamente, 50 % a 60 °C, o que leva a concluir que a presença de MWCNT na concentração de 0,125 e 0,25 % em peso causaram uma redução relativa da viscosidade da solução de goma arábica em água, o que pode ser explicado pelas propriedades reoológicas dos nanotubos de carbono, citados por Ge et al. (2016). Outro fato importante que deve ser levado em consideração é que o intervalo de taxas de cisalhamento utilizado neste estudo é de 0 a 1000 s-1, no entanto, em outros estudos, esse intervalo varia entre 0 e 300 s-1.
A solubilização de TritonX-100 com 0,25 % em peso causou pouca alteração na viscosidade da água e as suspensões de TrX-MWCNT apresentaram menor aumento de viscosidade em relação a água nas concentrações de 0,125 e 0,25 % em peso de MWCNT, onde o aumento médio da viscosidade foi de 10 e 20 % concomitantemente na temperatura de 30 °C. No entanto, nas concentrações de 0,5 e 1,0 % em peso de MWCNT, o aumento de viscosidade nas temperaturas acima de 30 °C é superior ao valor registado para as amostras de goma arábica, atingindo 80 a 120% na temperatura de 30 °C, que pode estar ligada a menor estabilidade das suspensões de TritonX-100 à medida que a concentração de MWCNT aumenta o que favorece a agregação entre os nanotubos, promovendo a formação de partículas maiores que tendem a aumentar a viscosidade do nanofluido. Para os nanofluidos com COOH-MWCNT é possível observar uma variação de viscosidade com a taxa de cisalhamento entre 0 e 500 s-1, que é mais proeminente para maiores concentrações de nanotubos de carbono os valores de viscosidade relativa atingem valores acima de 100 % para concentrações acima de 0,5
Resultados Etapa I
% em peso, mas, nas concentrações de 0,25 e 0,125 %, observa-se um aumento da viscosidade equivalente ao aumento proporcionado pelas suspensões com surfactantes.
A viscosidade foi medida com o método de três rampas de taxa de tensão pela taxa de deformação, onde a primeira execução (1) varia de 0 s-1 a 1000 s-1; a segunda corrida (2) varia de 1000 s-1 a 0 s-1; e a terceira corrida (3) varia de 0 s-1 a 1000 s-1. Esta metodologia detectou comportamento tixotrópico para COOH-MWCNT com 1,0 e 0,5 % em peso em todas as medidas de temperatura e é mostrado na Figura 25. Os nanofluidos com A.G-MWCNT, TrX-MWCNT e com COOH-MWCNT, nas concentrações de 0,25 e 0,125 % em peso não apresentam tixotropia. A variação de viscosidade com a temperatura de todos os nanofluidos pode ser modelada por um modelo de Arrhenius, usando a terceira corrida para os nanofluidos COOH-MWCNT com 0,5 e 1,0 % em peso, como está mostrado na Figura 24 e com os parâmetros dos ajustes da Tabela 14.
Figura 24 Ajuste da equação de Arrhenius para a variação da viscosidade com a temperatura dos nanofluidos de A.G-MWCNT, TrX-MWCNT e COOH-MWCNT a 0,125; 0,25 % m/m (A) ; 0,5 e 1,0 % m/m (B).
Resultados Etapa I
Tabela 14 Equações ajustadas em modelo Arrhenius para a variação da viscosidade com a temperatura para os nanofluidos de A.G-MWCNT, TrX-MWCNT e COOH-MWCNT a 0,125; 0,25; 0,5 e 1,0 % m/m.
MWCNT wt%
Nanofluidos
ln()=ln(As)+Ea/R(1/T): A= ln(As) (pre-exponential (entropico) fator ); B = Ea/R (energia de ativação de Arrhenius / constante dos gases); x = 1/T
(1/temperatura [K]) A.G-MWCNT TrX-MWCNT COOH-MWCNT 0,125 A -12,5 A -12,3 A -12,7 B 1730,1 B1 1673,5 B1 1763,7 R2 0,9670 R2 0,9773 R2 0,9788 0,25 A -11,7 A -12,6 A -12,5 B 1494,5 B1 1737,1 B1 1748,1 R2 0,9000 R2 0,9700 R2 0,9700 0,5 A -11,8 A -11,0 A -1,5 B 1589,9 B1 1387,5 B1 1477,4 R2 0,9430 R2 0,8900 R2 0,9040 1 A -9,9 A -11,9 A -9,0 B 1089,9 B1 1728,3 B1 1091,1 R2 0,9300 R2 0,9600 R2 0,9200
A tixotropia é observada apenas para os nanofluidos com COOH-MWCNT, produzidos a partir de água destilada com pH ajustado para 10,0. A presença dos grupos funcionais de COOH na parede causa a miscibilidade entre os nanotubos e a água, conforme relatado nos estudos de Talaei et al. (2011) e Mananghaya et al. (2016). O fato de que as moléculas de COOH são fixadas na parede, com a angulação padronizada entre a parede e a molécula saliente, permite a formação de estruturas organizadas pela interrelação entre as moléculas (COOH-) - (H2O) - (COOH-). Essa interrelação entre COOH e moléculas de água tende a provocar a formação de estruturas de grade entre vários nanotubos de carbono, através das ligações conhecidas como ligações de hidrogênio. Estas pontes permanecem unidas por força semelhantes à tensão superficial da água. O efeito tixotrópico é observado no início do fluxo, quando a ruptura dessas pontes ocorre no primeiro momento. A variação da viscosidade com a taxa de cisalhamento no tempo pode ser explicada pela ruptura desta estrutura de grade como uma função do tempo de fluxo, como pode ser observado nos gráficos da Figura 25. Esse efeito é maior em função da concentração de COOH-MWCNT também foi observada na Figura 25.
Resultados Etapa I
Figura 25 Curvas de tensão de cisalhamento pela taxa de deformação para nanofluidos de COOH- MWCNT nas concentrações de 0,25 % m/m e 1,0 % m/m nas temperaturas de 50°C (A) e 5°C (B), dividida em: (1) primeira corrida (2) segunda corrida (3) terceira corrida.
Fonte: Do autor
As amostras de COOH-MWCNT apresentaram o maior aumento de viscosidade dentre as três utilizadas neste estudo. Além do comportamento tixotrópico, as medidas médias de viscosidade obtidas a partir das curvas obtidas da terceira rampa, sem o efeito da tixotropia, apresentaram um aumento entre 12 a 19 % na concentração de 0,125 % em peso; entre 31 a 38 % para 0,25 % em peso; entre 100 a 136 % para 0,5 % em peso e entre 3,5 a 5,8 vezes a viscosidade da água na concentração de 1,0 % em peso. O aumento obtido para as amostras de 1,0 % em peso é bastante elevado em comparação com os outros nanofluidos estudados. Estima-se que os ramos (-COOH) na parede dos nanotubos sejam os principais responsáveis pelo comportamento diferenciado destes nanofluidos, porém, um estudo mais específico em relação às propriedades lubrificantes dos nanotubos de carbono funcionalizados com COOH-MWCNT e suas interações em meio aquoso com diferentes pHs deve ser realizado para obter uma compreensão mais exata.
Resultados Etapa I
O aumento da viscosidade relativa com a temperatura é um fato comum na literatura e também o observado neste estudo. Este fato indica que os nanofluidos com MWCNT tendem a exibir melhor desempenho dinâmico de fluido a baixas temperaturas.