Caracterização reológica de fluidos complexos em cisalhamento linear e tubo capilar

Abstract

Nesta tese as principais contribuições são referentes às medidas de viscosidade aparente e efetiva de emulsões diluídas e concentradas para diferentes razões de viscosidade gota-fluido base sujeitas a cisalhamento simples e oscilatório e em escoamento em tubo capilar. Estudos experimentais em reologia de emulsões com moderadas e altas razões de viscosidade foram muito pouco explorados na literatura. Em adição, investigase o comportamento reológico de uma suspensão coloidal magnética em cisalhamento permanente e oscilatório medindo-se a viscosidade da suspensão em função do campo magnético e da taxa de cisalhamento adimensional para uma fração volumétrica de 3,9%. Investiga-se também a tensão aplicada crítica (ou residual) do fluido magnético em função do número de capilaridade magnético. Novamente esses estudos são ainda incipientes na atual literatura. Este estudo começa pela abordagem teórica de escoamento de emulsões em tubo. A viscosidade do fluido é ajustada por modelos típicos de fluidos newtonianos generalizados. Neste caso é dada atenção ao escoamento da emulsão pela região central do tubo, considerando uma região livre de partículas adjacente à parede do tubo. As expressões obtidas de viscosidade intrínseca são adimensionalizadas pela viscosidade do fluido base da suspensão em função da espessura da camada livre de gotas. Estuda-se o efeito da dimensão da camada livre de gotas na reologia de suspensões. Devido a formação de uma possível camada limite de gotas adjacente à parede do tubo capilar é proposto um modelo teórico para entender do ponto de vista físico os mecanismos de migração-difusão que podem levar à formação dessa camada. O desenvolvimento da camada livre de gotas é estudado, em regiões de parede, por um modelo que considera interações hidrodinâmicas partícula-partícula e partícula-parede em emulsões de baixa fração volumétrica e alta razão de viscosidade. O problema é tratado como sendo um problema semi-infinito. É obtida uma equação de transporte para a fração volumétrica que considera a velocidade de cisalhamento, a velocidade de advecção na direção normal do escoamento e um termo de difusão hidrodinâmica para regimes diluídos e pequenas deformações. Por meio de uma solução assintótica para regiões mais próxima à parede é obtida uma expressão para prever a espessura da camada livre de gotas. É de se referir que a previsão da espessura dessa camada por este modelo é comparada com o modelo de escoamento em tubo capilar em função de dados experimentais obtidos pelas medidas do escoamento unidirecional em tubo capilar. Os resultados dos modelos são idênticos para emulsões diluídas em altas razões de viscosidade. A tensão interfacial é um parâmetro fundamental para o cálculo do número de capilaridade. Pelo estudo da variação da tensão interfacial com o aumento da concentração de surfactantes sabe-se qual é a concentração acima da qual a tensão interfacial atinge o seu valor de saturação. A tensão interfacial é medida entre o óleo mineral e o fluido base. Observa-se que a tensão superficial diminui com o aumento da quantidade de glicerina no fluido base. Os resultados adimensionais estão de acordo com a equação de Szyszkowski. Verifica-se um decréscimo da tensão interfacial com o aumento da concentração de surfactante. A tensão interfacial apresenta um tempo de equilíbrio em torno de 600 s. Estes resultados foram ajustados pelo modelo de Cross. Os resultados experimentais mostram que o surfactante Tween80 precisa de uma menor concentração para diminuir a tensão interfacial mas o surfactante Span80 permite atingir menores tensões interfaciais. A análise reológica é realizada com emulsões de gotas de óleo mineral dispersas em um líquido base composto de uma mistura de água e glicerina para se atingir diferentes condições de razões de viscosidade da emulsão. As emulsões são caracterizadas por microscopia óptica de forma a avaliar o índice de polidispersidade. São analisadas emulsões de diferentes razões de viscosidade (2, 5, 10 e 20) com diferentes frações volumétricas (2%, 5%, 20%, 40%). A reologia destas emulsões é analisada em função de parâmetros adimensionais, como o número de capilaridade que considera o raio médio da gota e a tensão interfacial da emulsão. A reologia das emulsões de diferentes razões de viscosidade (2, 5, 10 e 20) com diferentes frações volumétricas (2%, 5%, 20%, 40%) é estudada pelo escoamento unidirecional em tubo capilar. Para medir a pressão do escoamento em função da vazão imposta, são calibradas membranas de um transdutor de pressão com um manômetro digital. Nesses experimentos mede-se a viscosidade aparente da emulsão, calculada com propriedades avaliadas na parede do capilar, como também a viscosidade intrínseca ou efetiva baseada na Lei de Poiseuille. Todas as emulsões apresentaram efeito pseudoplástico em função do aumento do número de capilaridade. Os resultados mostram que a viscosidade das emulsões de altas frações volumétricas aumenta com a diminuição da razão de viscosidade, devido ao aumento da viscosidade do fluido base. No entanto, quando a viscosidade é adimensionalizada pela viscosidade do fluido base esta mostra a tendência de aumentar com a razão de viscosidade. As emulsões estudadas pelo escoamento em tubo capilar são também analisadas em escoamento linear (simples) por um reômetro de discos. O reômetro é equipado com um sistema de controle inteligente do espaçamento de fluido entre os discos e o controle de temperatura é feito com um sistema Peltier. Os ensaios são realizados em cisalhamento linear permanente. A viscosidade aparente e efetiva das emulsões é analisada em função do número de capilaridade, da fração volumétrica e da razão de viscosidade. Os resultados mostram que a viscosidade da emulsão apresenta um comportamento pseudo-plástico para as maiores frações volumétricas e menores razões de viscosidade. No entanto, os resultados da presente tese indicam que mesmo em frações volumétricas moderada (20%), para razões de viscosidade em torno de 10 a emulsão apresenta um comportamento próximo ao diluído já que as deformações entre gotas não produzem deformações comparáveis aquelas produzidas pelo cisalhamento atuando em uma gota isolada. Os resultados experimentais do escoamento simples e em tubo capilar são comparados com modelos teóricos que prevêm a viscosidade aparente da emulsão. Os dados experimentais estão em concordância com os modelos teóricos para emulsões diluídas em altas razões de viscosidade. As emulsões de maior fração volumétrica (50%, 60% e 70%) de diferentes razões de viscosidade (10 e 20) são estudadas em cisalhamento linear e em cisalhamento oscilatório. Os resultados em cisalhamento linear mostram um maior efeito pseudo-plástico na emulsão de maior fração volumétrica. No cisalhamento oscilatório investiga-se regimes de viscoelasticidade linear e não-linear do comportamento dos módulos viscoso e elástico da emulsão em função da deformação para uma fração volumétrica 50%, 60% e 70% e razão de viscosidade 10 e 20. Observa-se que o comportamento elástico típico de sólidos aparece com o aumento da fração volumétrica e da razão de viscosidade em deformações menores que 0,01. Com o aumento da razão de viscosidade para a fração volumétrica de 70% o efeito elástico típico de sólido é mais destacado. A reologia do ferrofluido é estudada em cisalhamento simples e oscilatório em função do campo magnético e do número de capilaridade magnético. Observa-se o comportamento pseudo-plástico quando as tensões de cisalhamento viscosas começam a romper (ou degradar) as estruturas de agregados e cadeias inicialmente formadas pela aplicação do campo. Verifica-se o efeito magnetoviscoso, que representa o aumento da viscosidade com o aumento da intensidade do campo magnético devido à formação de um maior número de agregados. Em cisalhamento oscilatório observa-se que o fluido magnético apresenta um comportamento elástico típico de sólidos com o aumento do campo magnético. A função de relaxação do fluido magnético para um campo magné- tico constante, que é medida pelo software que acompanha o reômetro, é obtida após a interrupção da deformação. Observa-se que quanto maior é a deformação maior é o tempo para que a função de relaxação atinja o seu valor de equilíbrio. A tensão residual é analisada em função da taxa de cisalhamento. Observa-se que a tensão residual aumenta com a diminuição da taxa de cisalhamento devido as estruturas formadas pela aplicação do campo magnético estarem próximas da sua configuração inicial. Verificase que o tempo para que a tensão residual atinja o equilíbrio aumenta com a taxa de cisalhamento devido à microestrutura do ferrofluido se distanciar da sua configuração de equilíbrio. Os resultados da tensão residual são ajustados pelo modelo típico de um fluido de Maxwell, pelo qual se calculou o tempo de relaxação. As medidas de tensão crítica são de importância para o cálculo do número de capilaridade magné- tico. Observa-se um aumento da tensão crítica e da viscosidade crítica com o campo magnético, para intensidades de campo magnético maior do que 24 kA/m.