química das superfícies e interfaces reologia
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Química das Superfícies e Interfaces Reologia. Valentim M. B. Nunes Departamento de Engenharia Química e do Ambiente 2010. Reologia : Estudo da deformação e fluxo da matéria. Rheo = Deformação Logia = Ciência ou Estudo. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Química das Superfícies e Interfaces
Reologia
Valentim M. B. Nunes
Departamento de Engenharia Química e do Ambiente
2010
Reologia: Estudo da deformação e fluxo da matéria
Os estudos reológicos permitem caracterizar sistemas coloidais, nomeadamente dispersões coloidais como as emulsões. A importância tecnológica da reologia é manifesta na área das borrachas, tintas, têxteis, pasta de papel, etc.
Comportamento reológico depende de:
Viscosidade do meio dispersante
Concentração das partículas
Tamanho e forma das partículas
Interacções moleculares
Rheo = Deformação Logia = Ciência ou Estudo
Importância dos estudos reológicos (exemplos)
Produção de tintas: a tinta deve ser fácil de espalhar e não escorrer pelas paredes.
Cosméticos e higiene: modo como um creme se espalha ou tempo de escoamento de um recipiente
Estabilidade de emulsões ou suspensões
Viscosidade: a viscosidade de um liquido mede a resistência que este oferece a fluir. Um liquido é Newtoniano quando a força tangencial por unidade de área entre dois planos paralelos de fluido é proporcional ao gradiente de velocidade.
D
Coeficiente de viscosidade
Métodos de medição
Método capilar (Ostwald, Ubbelohde)
tk
22
11
2
1
t
t
Método rotacional (Couette viscometer)
Particularmente útil para fluidos não Newtonianos.
k
- velocidade angular do cilindro exterior.
- deflecção angular do cilindro interior.
Viscosidade de soluções e dispersões coloidais diluídas
Conceitos:
reduzida de viscosida- /c
relativa de viscosidada incremento - 1
relativa de viscosida- /
dispersão da de viscosida-
edispersant meioou puro solvente do de viscosida-
i
0i
0
0
Partículas esféricas, cálculo hidrodinâmico:
Einstein: k 10
- fracção em volume
k =2.5
5.2
5.21
5.21
0
0
i
Solvatação e assimetria: O termo deve incluir também o solvente que actua cineticamente como parte das partículas. A assimetria das partículas tem também um grande efeito na viscosidade.
Viscosidade intrínseca
Ci
C
0
lim
A viscosidade intrínseca têm unidades de inverso da concentração.
Determinação da massa molecular relativa de polímeros a partir de medições de viscosidade.
As medições de viscosidade não podem ser utilizadas para distinguir entre partículas de diferente dimensões mas com o mesmo formato e grau de solvatação. Contudo, se o formato (configuração) ou factor de solvatação se alterar com o tamanho da partícula a viscosidade pode permitir determinar o tamanho das partículas.
A viscosidade intrínseca de uma solução de polímero é proporcional à massa molar. Se as orientações da cadeia macromolecular forem aleatórias (random).
5.0rkM
Os polímeros lineares em solução são mais do que orientados ao acaso, e a relação é (Mark e Houwink):
rkM - depende da configuração.
As seguintes viscosidades foram medidas para soluções de acetato de celulose em acetona, de concentração 0.5 g/100 cm3:
10-3 Mr 85 138 204 302
/10-4 Pa.s 5.45 6.51 7.73 9.40
A viscosidade da acetona a esta temperatura é 3.2×10-4 Pa.s. Derivar uma expressão a partir destes dados que permita a determinação de rotina da massa molar relativa de amostras de acetato de celulose. Qual a informação adicional a retirar desta expressão?
Shaw, Introduction to Colloid and Surface Chemistry, 4th ed., Butterworth-Heinemann, Oxford, 1991
ri Mkc loglog/log
log Mr 4.93 5.14 5.31 5.48
log i/c -0.85 -0.69 -0.55 -0.41
y = 0,7998x - 4,7946
R2 = 1
-0,9
-0,6
-0,3
4,8 5 5,2 5,4 5,6
log Mr
log
vis
cosi
dad
e 138.05106.1 kgmM r
A configuração média dos polímeros é intermédia entre random e extendido.
A viscosidade de uma série de soluções de poliestireno em tolueno foram medidas a 25 ºC:
c/g.L-1 0 2 4 6 8 10 /10-4 kg.m-1.s-1 5.58 6.15 6.74 7.35 7.98 8.64
Calcular a viscosidade intrínseca e estimar a massa molar do polímero sabendo que na expressão de Mark-Houwink, k = 3.8×10-5 L.g-1 e = 0.63
Atkins, Physical Chemistry, Oxford University Press, Oxford, 2006
c/g.L-1 2 4 6 8 10100(/0 -1)/c 5.11 5.20 5.28 5.38 5.49
y = 0,0011x2 + 0,0341x + 5,04
R2 = 0,9993
5
5,2
5,4
5,6
0 5 10 15
c (g/L)
visc
osi
dad
e in
trin
seca 1.0504.0 gL
13/1
.1090
molgk
M
Comportamento Newtoniano ou não Newtoniano
Nalguns fluidos, a viscosidade depende da tensão aplicada ou do tempo de sua aplicação. Para estes fluidos, a viscosidade deixa de ser uma constante para se tornar uma propriedade dependente das condições em que o fluido é deformado ou sob tensão. Neste caso, a viscosidade do fluido passa a ser denominada de viscosidade Aparente
Fluidos
Newtoniano Não Newtoniano
Comportamento dilatante: quando a viscosidade aparente aumenta com a aplicação de uma força (amido de milho em água..)
Comportamento pseudoplástico: quando a viscosidade aparente diminui com a aplicação de uma força (cremes, pomadas…)
tens
ão
visc
osid
ade
Gradiente de velocidades
1. Dilatante; 2. Newtoniano; 3. Pseudoplástico
Comportamento não Newtoniano (independente do tempo)
Viscoplasticidade ou Fluidos de Bingham
Fluidos caracterizados pela existência de um valor de tensão que deve ser excedida para que o material apresente um fluxo viscoso. É necessário que a força ultrapasse esse limite para ocorrer escoamento (molho de tomate,…)
tens
ão
Gradiente de velocidades
Tixotropia e Antitixotropia (dependente do tempo)
Determinados materiais apresentam alteração da viscosidade quando a tensão aplicada é mantida durante um certo tempo.
Tixotropia: quando a viscosidade diminui com o tempo de aplicação da força e o material recupera o estado inicial após repouso prolongado (tintas, óleos, iogurtes…)
Antitixotropia ou Reopexia: quando a viscosidade aumenta com o tempo….
World’s Longest Running Laboratory Experiment – The Pitch Drop Experiment
Pitch – derivative of tar. At room temperature feels solid and can be shattered with a blow of a hammer. This experiment shows that in fact at room temperature pitch is a fluid!
http://www.physics.uq.edu.au/physics_museum/pitchdrop.shtml