AULA TEÓRICA SOBRE O ESTUDO DA CONSISTÊNCIA MECÂNICA DOS MATERIAIS

5. 0 - AULA TEÓRICA SOBRE O ESTUDO DA

CONSISTÊNCIA MECÂNICA DOS MATERIAIS

5. 1 – Introdução

O objetivo é determinar a curva de defloculação de suspensão cerâmica utilizando silicato de sódio como defloculante.

5. 2 – O Estudo da Consistência Mecânica dos Materiais pelo

fenomenologia de Causa e Efeito

O estudo da consistência de um material (sólido, líquido ou gasoso) pode ser realizado por meio de uma abordagem fenomenológica de causa e efeito, onde se aplica uma força deformante sobre a superfície do corpo em estudo e observa-se o efeito de sua deformação, conforme mostra a Figura - 5. 1. Este estudo está baseado no fato de que as forças exercidas sobre o contorno de um meio são transmitidas através do meio.

Figura - 5. 1. Estudo da consistência de uma corpo nas direções normal e tangencial; Tensão na direção normal sn = Fn A

r r

e Tensão cisalhante na direção tangencial t =t F At

r r

.

Conseqüentemente, um corpo pode apresentar propriedades de consistência nas duas direções fundamentais (normal e tangencial).

; , , n n n n F n x y z A s = =

_{(5. 1)}

(

1

)

; , , , t n t nt n F n t x y z A t = - d =

_{(5. 2)}

5. 3 – A Consistência Mecânica dos Materiais quanto a

Deformação

No caso de corpos sólidos os comportamentos básicos em relação à tensão de deformação são:

a) Comportamento Elástico (reversível) – é aquele em que cessando a causa (tensão) cessa também o efeito (deformação) - Figura - 5. 2a.

b) Comportamento Plástico (irreversível) – é aquele em que cessando a causa (tensão) o efeito (deformação) permanece. Figura - 5. 2b.

Considerando-se ainda que a ruptura em todas as partes do corpo se faz necessária.

Figura - 5. 2. Comportamentos básicos de uma corpo sólido sujeito a uma tensão de deformação em uma direção genérica.

A lei de Hooke para a deformação é dada por:

; , , n n E nn n x y z s = e =

_{(5. 3)}

; , , , n t G n t n t x y z t = g =

_{(5. 4)}

De forma generalizada nós temos: ; , , , ij ij nn ij i j x y z

s = l d e +mg =

_{(5. 5)}

5. 4 – A Consistência Mecânica dos Materiais quanto a Taxa

de Deformação

No caso de corpos fluídicos (líquido ou gases) os comportamentos básicos em relação à tensão de deformação são:

a) Comportamento Newtoniano (reversível) – é aquele em que cessando a causa (tensão) cessa também o efeito (deformação)

b) Comportamento Plástico (irreversível) – é aquele em que cessando a causa (tensão) o efeito (deformação) permanece.

Figura - 5. 3. Comportamentos básicos de uma corpo sólido sujeito a uma tensão de deformação em uma direção genérica.

A lei de Newton para a viscosidade é dada por:

; , , n n nn n x y z s = l e& =

_{(5. 6)}

; , , , n t n t n t x y z t = mg& =

_{(5. 7)}

De forma generalizada nós temos: ; , , , ij ij nn ij i j x y z

s = l d e& +mg& =

_{(5. 8)}

No caso de fluido porque o volume se conserva na deformação temos: 1 3

l = m, onde m

As propriedades de consistência para o caso de fluidos nas direções normais e tangenciais é chamada de viscosidade. Neste caso os fenômenos observados estão mais comumente relacionados a componente tangencial da força deformante por unidade de superfície, também chamada de tensão tangencial ou tensão de cisalhamento, cujos comportamentos, mostrados na Figura - 5. 2, possuem seus análogos para um fluido o quais são mostrados na Figura - 5. 3.

Conceito de Viscosidade:

O comportamento dos fluidos “elásticos” foi proposto e descrito por Isaac Newton. Segundo seu modelo os fluidos deformam-se continuamente até se defrontarem com alguma barreira física que impeça o escoamento. Dessa forma a caracterização reológica para fluidos envolve a determinação da taxa de deformação do material com o tempo ( . )

Figura - 5. 4. Modelo de Newton para definir a viscosidade: Duas laminas de fluido.

A relação entre tensão

(



)

e a taxa de deformação ( dos fluidos, pode ser ) explicada pela relação sugerida por Newton onde lâminas paralelas de fluido de área igual a “a”, separadas por uma distância infinitesimal “dy”, e movidas na mesma direção com velocidades distintas “V ” e “₁ V ”, conforme indicado na figura 1.1. ₂

Fazendo uma análise entre a taxa de cisalhamento ( e a tensão aplicada ) sobre as lâminas, Newton verificou que existe uma relação de proporcionalidade linear direta para diversos fluidos, conforme descrito pela equação 1.1:

.dvx .

F

A dy

t = = h = h g&

_{(5. 9)}

A constante de proporcionalidade entre estas variáveis é também conhecida como a viscosidade do fluído e descreve a sua consistência do fluido como uma forma de resistência ao cisalhamento. De acordo com o sistema Internacional de unidades a unidade de Viscosidade é dada em Pa s. , adotada em substituição ao Poise (1Poise= 0.1Pa s. ). Esta propriedade indica a facilidade de um fluido escoar continuamente sob a ação de uma tensão de cisalhamento externa.

Os fluidos que apresentam tal comportamento são chamados de “Fluidos Newtonianos”, como é o caso da água e da maioria dos líquidos.

8. 1 – Estudo da consistência de um corpo fluídico em termos

da sua viscosidade, por meio da análise de causa e efeito

A propriedade de consistência na direção tangencial de um fluido é chamada de viscosidade. Neste caso, o corpo em estudo é um corpo fluídico (líquido, solução, suspensão ou gases) e os fenômenos a serem observados estão relacionados com a componente tangencial da força deformante por unidade de superfície, também chamada de tensão tangencial ou tensão de cisalhamento, cujos comportamentos mostrados na Erro! Fonte de referência não encontrada. possuem seus análogos para um fluido submetido a uma tensão de cisalhamento, conforme a Erro! Fonte de

referência não encontrada..

3.8.1 - Lei da viscosidade de Newton - coeficiente de viscosidade e

Fluidos Newtonianos

Microscopicamente um fluido newtoniano pode ser entendido como formado de esferas rígidas com atrito entre elas. Neste tipo de fluidos a taxa de deformação ou o gradiente de velocidades é proporcional a tensão de cisalhamento.

O comportamento dos fluidos lineares ou “elásticos” foi descrito por Newton da seguinte forma:

j i ij

x

v





~



,

_{(8. 1)}

onde  é a tensão tangencial, dada no CGS em dinas/cm2. A expressão v/y é o

gradiente de cisalhamento dado em s-1. Portanto, j i ij

x

v











_{(8. 2)}

onde o coeficiente de consistência  é chamado de coeficiente de viscosidade (resistência ao cisalhamento – [Ft/L2]). Os fluidos que apresentam tal comportamento são chamados de “Fluidos Newtonianos”, como é o caso da água e da maioria dos líquidos. Por exemplo, a água a 20oC possui uma viscosidade de 10-2poise = 1cp. A lei

de Newton da forma como está expressa em (8. 2) só vale para escoamento laminar.

Figura - 8. 1

. Fenômeno da deformação das camadas de um fluido elástico submetido a uma tensão tangencial.

3.8.2 - Fluidos Plásticos de Bingham

São corpos de Bingham (apresentam uma tensão de fluência) que podem ser suspensões nas quais a fase dispersa é também sólida ou líquida.

Bingham descreveu o comportamento dos fluidos plásticos da seguinte forma: j i o ij

x

v















,

_{(8. 3)}

onde o é chamado de tensão de fluência, e deve-se ao fato de que para pequenos

valores de tensão tangencial aplicadas a um fluido em escoamento esta não é suficiente para romper a “fricção” das partículas suspensas do fluido e pô-lo em movimento. Esta grandeza distingue os plásticos dos líquidos. Um exemplo de plástico de Bingham é o

creme dental, pois ele não escoa até que uma determinada tensão cisalhante atue sobre ele.

Bingham descreveu o comportamento dos fluidos plásticos da seguinte forma: . x y dv dy t = h +s

_{(5. 10)}

onde sy é chamada de tensão de fluência e deve-se ao fato de que para pequenos valores de tensão tangencial aplicadas a um fluido em escoamento esta não é suficiente para romper a “fricção interna” das partículas suspensas no fluido e pô-lo em movimento. Esta grandeza distingue os plásticos dos líquidos.

Portanto, um fluido plástico é um corpo de Bingham que apresenta uma tensão de fluência e que podem ser suspensões nas quais a fase dispersa pode ser sólida ou líquida.

3.9.3 – Modelo de Ostwald de Waele para fluidos ou Lei da Potência

Ostwald de Waele procurou generalizar o comportamento de alguns fluidos criando um modelo fenomenológico que generalizasse o comportamento dos fluidos em termos de uma lei de potência da seguinte forma:





ij j i

A

x

v







,

_{(8. 4)}

Como vale a relação entre gradiente de velocidade e taxa de deformação, onde: ij j i

x

v











,

_{(8. 5)}

O modelo de Ostwald de Waele para fluidos não newtonianos pode ser escrito de outra forma pela seguinte lei de potência:

n

ij

k



_iijj







,

(8. 6)

em que: k, é o índice de consistência,

n



1

/



, é o expoente de comportamento do fluido (grau de desvio do comportamento newtoniano) cujo valor de n determina a classe de comportamento do fluido da seguinte forma:

te

dila

fluido

n

newtoniano

fluido

n

tico

pseudoplás

fluido

n

tan

1

1

1







(8. 7)

Mas para sua utilização na equação da 2a Lei de Newton para fluidos ela deve ser linearizada da seguite forma:

ij n

ij

k



_iijj









1



(8. 8)

O coeficiente de viscosidade, , de:

1 



n iijj

k







_{(8. 9)}

temos: ij ij ij











(

 )



_{(8. 10)}

Existem, contudo vários modelos rheológicos que tentam descrever o comportamento dos fluidos. O modelo de Ostwald de Waele é um dos mais simples. A principal diferença entre os modelos é a equação matemática que descreve o coeficiente de viscosidade, cujos fatores dependem de diferentes variáveis referentes aos tipos de fluidos.

Uma tentativa de generalização do comportamento dos fluidos em relação a viscosidade, foi feita por Ostwald de Waele. Segundo o modelo de Ostwald de Waele, o comportamento dos fluidos não newtonianos é descrito pela seguinte lei de potência.

x dv A dy b t =

_{(5. 11)}

Se b < 1 o comportamento é dilatante; se b = 1 o comportamento é dilatante; se Se 1

b > o comportamento é pseudo-plástico.

A expressão (5. 11) pode ser escrita na forma da Lei Nerwtoniana dos fluidos, ou seja: 1 / 1 / 1 dvx A dy b b t =è øæ öççç ÷÷÷ çæççè ÷÷÷÷öø

(5. 12)

Ou finalmente:

(1 )/ 1 / 1 dvx dvx A dy dy b b b t -æ ö æ ö æ ö_{÷ ç ÷ ç ÷} ç = çè øç ÷÷ _èçç ÷÷÷_ø ç_èç ÷÷÷_ø

(5. 13)

chamando de 1/ 1 k A b æ ö_÷ ç = _{ç ÷çè ø}÷ e n- 1=(1- b)/b, temos: 1 n x x dv dv k dy dy t -æ ö_÷ æ ö_÷ ç ç = ç_ç ÷_÷÷ ç_ç ÷_÷÷ è ø è ø

(5. 14)

onde 1 n x apar dv k dy h -æ ö_÷ ç = ç_ç ÷_÷÷

è ø é chamada de viscosidade aparente.

Figura - 8. 2. Comportamentos básicos de um corpo fluídico submetido a uma tensão tangencial. a) Newtoniano, b) Plástico de Bingham, c) Pseudoplástico, d) Pseudoplástico com tensão de fluência, e) Dilatante, f) Dilatante com tensão de fluência.

8. 2 – Classificação dos fluidos quanto a sua viscosidade

Existem fluidos de várias formas, como substâncias simples, como suspensão ou como solução, dependendo da natureza dos componentes, da polaridade das moléculas, da tensão superficial e da densidade relativa do veículo (meio de suspensão ou solvente).

Os fluidos são classificados mediante seu comportamento quando solicitados mecanicamente, primeiramente em dois grupos: Independentes do tempo e dependentes do tempo:

8. 3 – Comportamento da viscosidade dos fluidos em função

da taxa de deformação independente do tempo

Vejamos agora como a viscosidade de um fluido varia como função da taxa de deformação. Pois há também diferentes formas de um fluido responder as deformações das quais podemos citar:

3.9.1 - Fluido de comportamento dilatante

Um fluido dilatante é imaginado como contendo somente líquido suficiente para encher os espaços vazios entre partículas em descanso ou submetidas a velocidades de cisalhamento muito baixas. Para estes casos o fluido é quase newtoniano. A medida que aumenta a velocidade de cisalhamento como as partículas se movem umas sobre as outras mais rapidamente, elas necessitam de mais espaço; o fluido como um todo se dilata. Esta expansão faz com que o líquido seja insuficiente para preencher os espaços vazios maiores, (a essa expansão se opõem forças de tensão superficial ) resultando num aumento da viscosidade aparente. Este comportamento está de acordo com a equação (8. 6) para n > 1. Exemplos: Suspensões de amido, silicato de potássio e areia são exemplos de fluidos dilatantes. Isso explica porque a areia úmida se torna aparentemente firme quando pisamos sobre ela. Outro exemplo é o polvilho úmido da mandioca (amido) atua também como fluido dilatante.

O comportamento dilatante é caracterizado por um aumento da viscosidade aparente do fluido à medida que se eleva a taxa e/ou a tensão de cisalhamento aplicada geralmente em suspensões altamente concentradas

3.9.2 - Fluido de comportamento Pseudoplástico

Soluções de polímeros e outras grandes moléculas alongadas comportam-se desta maneira, assim como suspensões comuns ou coloidais de partículas assimétricas. Estas moléculas se comportam como um emaranhado em baixas de taxas cisalhamento e a tendência de tais moléculas se alinharem é desprezível, e elas permanecem, portanto desorganizadas. À medida que o cisalhamento cresce o número de moléculas alinhadas cresce e, portanto reduz-se a resistência friccional entre as camadas adjacentes, diminuindo a viscosidade aparente. Se a curva tem sido experimentalmente obtida para uma taxa de cisalhamento suficientemente alta pode haver um apreciável intervalo de tempo no retorno das moléculas a sua posição normal e isto resultará no material um comportamento como o de uma substancia thixotrópica e um loop de histerese se formará no comportamento viscoso. Exemplo: As tintas atuam como pseudoplástico.

Comportamento verificado quando a viscosidade aparente

(



/



 do fluido

)

diminui com o aumento da taxa e/ou da tensão de cisalhamento. Pode ser causado por fatores como: Formato, dimensões, área superficial, tipo de interação ( atração ou repulsão), concentração do dispersante.etc.

8. 4 – Comportamento da viscosidade dos fluidos em função

do tempo

Há ainda uma outra forma de um fluido responder a deformações. Podemos ter os seguintes comportamentos de viscosidade em função do tempo.

3.10.1 - Fluido Thixotrópico

São aqueles fluidos cuja viscosidade diminui com o gradiente de cisalhamento.

Este fenômeno acontece quando no decurso do tempo (fluido sob regime de tensão) as estruturas floculadas de um fluido são quebradas durante o cisalhamento a uma velocidade constante, a viscosidade aparente decresce com o tempo até atingir um equilíbrio entre o rompimento e a reconstrução das estruturas, e estas são reconstruídas por elas mesmo isotermicamente quando o sistema é retornado ao repouso. Existem certas estruturas que não se reconstroem quando quebradas, estas, estão associadas com o envelhecimento e não devem ser confundidas com as thixotrópicas.

Medindo a tensão de cisalhamento fora do equilíbrio, a medida que aumentarmos e depois diminuirmos a velocidade de cisalhamento, segundo uma variação uniforme, podemos obter uma curva que representa a histerese thixotrópica. Soluções de altos polímeros são geralmente tixotrópicas até certo grau. As atrações intermoleculares e retenções mecanicas são reduzidas pelo cisalhamento, que reduz também a quantidade de solvente imobilizado; o movimento browniano devolve o sistema ao seu estado inicial, se o deixarmos em repouso algum tempo. A thixotropia é particularmente importante na indústria de tintas, pois se deseja que a tinta escorra somente enquanto está sendo aplicada na superfície em questão (alta velocidade de cisalhamento) e imediatamente após a aplicação.

Este fenômeno consiste na redução da viscosidade aparente em função da tempo em suspensões submetidas a uma taxa de cisalhamento constante. Observado frequentemente em suspensões de aglomerados fracos.

Nota: Todo sistema thixotrópico é floculado, mas nem todo floculado apresenta thixotropia.

3.10.2 - Fluido Reopéxico

São aqueles fluidos cuja viscosidade aumentam com o gradiente de cisalhamento. Trata-se aqui do aumento da viscosidade com o cisalhamento dependente do tempo, e é observada as vezes quando aceleramos a restauração thixotrópica. Por exemplo, suspensões argilosas de bentonita sedimentam-se lentamente quando estão em repouso, e o fazem rapidamente quando agitadas levemente.

Este fenômeno é caracterizado pelo aumento da viscosidade aparente em função do tempo em suspensões submetidas a uma taxa de cisalhamento constante. Observado geralmente em suspensões contendo aglomerados fracos ou partículas assimétricas.

Fluidos que após a sua deformação retornam a sua forma original são chamados de viscoelásticos.

5. 5 – A Consistência Mecânica dos Materiais quanto ao

Estado de Agregação das Partículas

Definição de Suspensão:

Suspensões são misturas do tipo sólido/líquido formadas por um conjunto de partículas distribuídas de forma relativamente uniforme através de um líquido, sem que haja dissolução significativa do material particulado em função do tempo.

Definição de Solução:

Solução é um sistema cujas partículas do dispersão possuem diâmetros inferiores a 1nm (109).

Comportamento reológico de suspensões

Considerando a viscosidade como a medida da resistência que o fluido oferece ao escoamento, a imposição de partículas como obstáculos aumenta a viscosidade do fluido. No caso de suspensões com concentração de sólidos bem reduzidas e frequência de colisões entre partículas relativamente baixa a sua viscosidade normalmente permanece constante em função da taxa de cisalhamento. Nestas condições os principais fatores que alteram a viscosidade são:

Concentração volumétrica de sólidos; Características do meio líquido ( Viscosidade, Densidade etc.); Temperatura;

No entanto, com a elevação da concentração de partículas, a sua interação muda o comportamento reológico dependendo agora, de uma série de variáveis :

Características físicas das partículas (distribuição granulométrica, densidade, formato, área superficial específica, rugosidade superficial etc.); Tipo de interação entre partículas (p.e, repulsão, atração).

Quando adicionados ao meio líquido moléculas dispersantes visando impedir a formação de aglomerados outras variáveis também podem influenciar a suspensão; Concentração de moléculas de dispersante no meio líquido; Peso Molecular e conformação espacial da molécula de dispersante; Espessura da camada envoltória de moléculas dispersantes adsorvidas.

5. 6 – O Uso de Defloculantes na Alteração da Consistência de

Misturas e Suspensões

O defloculante atua garantindo a estabilidade da suspensão de barbotina, tendo, portanto, um papel fundamental no processo. O maior cuidado a se tomar é utilizar a menor quantidade necessária para evitar a presença de resíduos no corpo sinterizado. Através de medidas experimentais, é possível determinar uma quantidade de defloculante que não só minimiza a viscosidade da suspensão, mas também maximiza a densidade a verde.

Os defloculantes típicos de soluções não-aquosas são: éster de ácido fosfórico e óleo de peixe. Ambos apresentam um bom poder de dispersão mesmo quando adicionados em baixas quantidades. Para soluções aquosas, utilizam-se principalmente os polieletrólitos dos sais de amônio e o sal de sódio de poliácidos carboxílicos.

Curva de Defloculação

Dentre os defloculantes mais utilizados pela indústria cerâmica, os sais à base de sódio tem importante destaque, por seu baixo custo e considerável efeito defloculante. Em laboratório, a eficiência dos defloculantes é, comumente, investigada através das curvas de defloculação, que objetivam determinar a menor quantidade de defloculante necessária para conduzir as suspensões a seus menores valores de viscosidade aparente. Diversas metodologias vêm sendo propostas com intuito de determinar o ponto ideal ou crítico, uma vez que, devido aos diferentes perfis que as curvas podem apresentar, não é tão óbvia a sua determinação, sendo necessária a realização de um número grande de experimentos.

Nesse sentido, a abordagem do delineamento de misturas visa a diminuição do número de experimentos necessários para determinação de propriedades ótimas do sistema em estudo, tais como as propriedades reológicas. Os planejamentos experimentais para estudo de misturas têm encontrado larga aplicação na ciência, na engenharia e particularmente na indústria. A partir de um delineamento de misturas, a resposta ou propriedade muda somente quando são feitas alterações nas proporções dos componentes que fazem parte dessa mistura. Portanto, a finalidade principal de se utilizar essa metodologia é verificar como as respostas ou propriedades de interesse são afetadas pela variação das proporções dos componentes da mistura.

Nesse caso, as proporções dos componentes não são independentes, pois a soma de todas elas sempre tem que totalizar 100%. Com os resultados obtidos no delineamento de misturas, pode-se utilizar polinômios simplificados, que definem uma superfície de resposta, para relacionar a propriedade de interesse às diversas proporções utilizadas. Isso possibilita a previsão quantitativa das propriedades de qualquer formulação no sistema estudado, fazendo somente alguns experimentos. [2].

Tipos de defloculantes

Existem dois tipos básicos de defloculantes: os que agem por efeitos estéricos e por efeito eletrostático.

Os de efeito eletrostático trata de moléculas ou íons capazes de adsorver-se às partículas e elevar-lhes o potencial elétrico de superfície, estendendo sua camada difusa. Quanto maior a espessura da camada, maior será a interação entre elas e, em conseqüência, maior a repulsão. As moléculas do defloculante se ligam às partículas por alguns sítios “âncoras” que têm alta afinidade com a superfície, e as porções restantes das moléculas do polieletrólito se projetam para a solução, permanecendo solvatadas pelo líquido, sendo responsáveis pela estabilização da suspensão. [3]

A defloculação estérica ocorre quando polímeros não iônicos são adsorvidos na superfície carregada da partícula. Em principio os polímeros devem ser neutros em solução, porem, a cabeça e a cauda da cadeia polimérica devem se comportar de forma diferente, isto é, uma tem afinidade pelo sólido e outra pelo liquido suspensor. Sendo a cadeia polimérica uma cadeia longa, ocorre o impedimento da aproximação das partículas. A Figura 1.1 ilustra a defloculação estérica. Ainda há um tipo de defloculação chamada eletroestérica, que é uma combinação dos dois tipos já citados. [4]

Figura - 5. 5. Defloculação Estérica

Obtemos uma suspensão dispersa quando as forças repulsivas superam as forças atrativas. As forças de repulsão são formadas basicamente através: da interação da superfície da partícula com o meio líquido (eletrostático) gerando cargas elétricas, da adsorção superficial pela partícula de polímeros com longa cadeia, que impedem a aproximação das partículas através de um impedimento físico (estérico) e assim evitam a aglomeração ou, da adsorção específica de moléculas ionizáveis na superfície das partículas (eletroestérica), no qual os íons originários da dissociação desses grupos ionizáveis somam uma barreira eletrostática ao efeito estérico.Grupos hidroxilados podem dissociar como ácido ou como base dependendo do pH do meio. Os grupos OH mais polarizados pelo metal, no caso de hidroxilação parcial e se dissociam como ácidos, doador de prótons. Já os grupos menos polarizados pelo metal, no caso de hidroxilação total se dissociam como base, recebedor de prótons. A figura abaixo apresenta esses mecanismos que originam as forças de repulsão.

Figura - 5. 6. a) Estabilização eletrostática; b) Estabilização estérica; c) Estabilização eletroestérica

Mecanismos de Estabilização de suspensões:

Para se obter suspensões dispersas, as forças repulsivas entre as partículas devem exceder asa forças atrativas. E para tal, existem basicamente três formas:

(a) Estabilização eletrostático: Onde o desenvolvimento de cargas elétricas na partícula geram forças repulsivas em decorrência da interação da superfície com o meio líquido[1]_.

(b) Estabilização estérica: Onde a adsorção superficial de polímeros de cadeias longas que dificultam a aproximação das partículas por impedimento mecânico.

(c) Estabilização Eletroestérico: Onde a adsorção específica de moléculas com grupos ionizáveis ou polieletrólitos na superfície das partículas, no qual os íons provenientes da dissociação desses grupos ionizáveis somam uma barreira eletrostática ao efeito estérico.

Os mecanismos de estabilização são:

Estabilização Eletrostático:

A superfície das partículas sólidas cristalinas possui planos cristalográficos cujas ligações não se encontram totalmente completas que são chamadas de ligações insaturadas. Devido à presença dessas insaturações, partículas de óxidos que estejam em contato com a água são submetidas à hidroxilação ou hidratação superficial, como pode ser exemplificado na equação apresentada a seguir para o caso do Al2O3.

Al

2

O

3

+ 3 H

2

O



2 Al(OH)

3

(5. 15)

No caso de óxidos, o que faz aparecer cargas na superfície da partícula, responsáveis por manter as partículas dispersas é o resultado da reação dos grupos (-OH) superficiais com os íons hidroxônio (H3O+) e hidroxila (OH)-. Isso torna o processo dependente do pH. Para valores de pH ácidos a partícula adquire carga total positiva, porém para pH básicos a partícula adquire carga total negativa. Assim sendo, o aparecimento de cargas elétricas na superfície da partícula gera um potencial elétrico superficial positivo ou negativo. O valor de pH no qual a partícula apresenta a mesma afinidade pelos íons positivos ou negativos é chamado de ponto de carga zero, e corresponde a neutralidade elétrica da partícula. O potencial originado na superfície da partícula atrai um grande numero de íons de carga oposta (contra-íons) presentes na solução. Um número finito de contra-íons consegue se adsorver na superfície da partícula. A adsorção mantém esses íons rigidamente fixados na superfície formando a Camada de Stern.

Figura - 5. 7. Íons adsorvidos na superfície da partícula formando a Camada de Stern

Sendo incapazes de satisfazer a neutralidade da carga superficial da partícula por motivos espaciais, os contra-íons da Camada de Stern apenas reduzem o potencial elétrico da superfície da partícula. Assim a Camada de Stern também atrai contra-íons para regiões próximas à partícula, porém a atração é enfraquecida pelo fato das partículas terem o mesmo sinal de carga, gerando um efeito repulsivo.

Estabilização Estérica:

A estabilização pelo mecanismo estérico se da por impedimento físico. O que ocorre é a adsorção da partícula de um polímero neutro cuja cadeia é suficientemente grande para causar uma barreira mecânica longa capaz de dificultar que as partículas se aproximem da região de forte atuação das forças de Van der Waals. À medida que a afinidade entre o polímero e a superfície da partícula aumenta, a quantidade de polímero adsorvida é maior.Para se ter uma estabilização eficiente da suspensão a ligação entre o polímero e a partícula deve ser forte de modo a evitar a ocorrência da dessorção. Outro ponto importante para a estabilização estérica é que o polímero deve ter uma afinidade muito alta pelo líquido, de forma que fique de forma estendida e assim evite a aproximação das partículas uma das outras.

Como o polímero usado nesse método deve apresentar afinidade pela partícula e pelo líquido o mais natural a se fazer é usar um copolímero, pois este

apresenta dois segmentos distintos que possuem afinidades distintas: uma pelo líquido e outra pela superfície da partícula.

Estabilização Eletroestérica:

No mecanismo de Estabilização eletroestérico ocorre adsorção à superfície das partículas de moléculas com grupos ionizáveis, como por exemplo, citratos, fosfatos, sulfatos ou moléculas poliméricas, como poliacrilatos e polimetacrilatos. O efeito estérico é mais significante no caso dos polieletrólitos. Seus grupos ionizáveis se dissociam na fase líquida e os íons formados somam ao efeito esterico uma barreira eletrostática. Dessa maneira, além dos polieletrólitos diminuírem a aglomeração através do aumento da distancia mínima de separação entre as partículas, eles estabilizam as suspensões através do efeito repulsivo das cargas de mesmos sinais.

5. 7 – A Consistência Mecânica dos Materiais quanto a

Temperatura

A consistência de um corpo também possui dependência com a temperatura. Ela pode possuir variação de sua viscosidade em função da temperatura, dada por:

T

1

~



,

(8. 11)

para líquidos e

T

~



,

(8. 12)

para os gases.

De forma geral a dependência da viscosidade com a temperatura é geralmente descrita pela multiplicação da equação (8. 9) por um termo exponencial. Ou seja, este comportamento segue a Lei de Arrenhius dada por:

1 /  





_

_o

e

EA KT

_

_o

m

_

n





(8. 13)

5. 8 – A Consistência Mecânica dos Materiais quanto ao Fluxo

das Partículas

A consistência pode depender também do fluxo ou do estado de escoamento de um fluido. Este pode ser classificado como laminar ou turbulento, dependendo da razão entre o fluxo inercial e o fluxo viscoso.

Escoamento laminar

É o tipo de escoamento no qual as linhas de corrente não se sobrepõem umas as outras, ou seja, neste tipo de escoamento as linhas de correntes formada pelo movimento das partículas do fluido movem-se paralelamente umas as outras (Erro!

Fonte de referência não encontrada.a).

Escoamento turbulento

È o tipo de escoamento no qual as linhas de corrente se sobrepõem umas as outras ou seja, neste tipo de escoamento as linhas de correntes se cruzam umas com as outras (Erro! Fonte de referência não encontrada.b).

O número de Reynolds é o parâmetro que determina se um regime de escoamento será laminar ou turbulento, e este vale:







Lv

L

J

N

o





)

/

1

(

Reynolds

(8. 14)

Onde, L, é um tamanho característico do escoamento, v é a velocidade média do escoamento, , é a densidade do fluido e  é o coeficiente de viscosidade.

A dimensão característica, L, de um sistema é aquela sobre a qual a reologia trata, a espessura da camada de fluido deformado seria seu comprimento característico.

Figura - 8. 3. Diferença no aspecto entre um fluxo a) laminar e b) turbulento.

Figura - 8. 4. Diagrama esquemático ilustrando as condições de fluxo laminar e turbulento. Um número de Reynolds igual a 2000 é comumente tomado como um valor crítico que separa o regime laminar de turbulento.