Um reômetro aplica esforços controlados e mede como o material escoa ou se deforma, permitindo calcular viscosidade, viscoelasticidade e outras propriedades reológicas.
A reologia estuda como a matériaescoa e se deforma quando recebe forças. É um ramo da física voltado principalmente aos fluidos, como líquidos e gases, mas também aos sólidos moles que, em certas condições, escoam plasticamente em vez de responder apenas com deformação elástica.
Nem todo material reage da mesma maneira quando é agitado, comprimido, esticado ou submetido a cisalhamento. Em um fluido newtoniano, a tensão de cisalhamento cresce de forma linear com a taxa de cisalhamento e a constante que liga as duas grandezas é a viscosidade dinâmica. Nos fluidos não newtonianos, essa relação pode mudar com a intensidade ou a duração da deformação. O ketchup, o iogurte e certas tintas acrílicas, por exemplo, podem ficar menos viscosos quando o cisalhamento aumenta.
O campo abrange lamas, lodos, suspensões, polímeros, materiais formadores de vidro, alimentos, fluidos corporais e outros materiais de matéria mole. A reometria mede como esses materiais respondem a esforços controlados, enquanto a parte teórica liga o escoamento e a deformação à estrutura interna do material, como a orientação de moléculas poliméricas ou a distribuição de partículas em uma suspensão.
Essas ideias entram no processamento de materiais, na engenharia, na geofísica, na fisiologia e na produção de alimentos e medicamentos. Elas permitem comparar respostas que vão de um líquido que escoa continuamente a um material que recupera parte da forma depois que a carga é retirada.
História
Antes de receber um nome próprio, a reologia cresceu a partir de estudos separados sobre sólidos elásticos e fluidos viscosos. A lei de Hooke, publicada no século XVII, ligou tensão e deformação em um sólido linearmente elástico, enquanto a formulação de Newton para a viscosidade ligou a tensão de cisalhamento à taxa de cisalhamento de um fluido newtoniano. No século XIX, Claude-Louis Navier, George Gabriel Stokes e Jean Léonard Marie Poiseuille trabalharam com o movimento de fluidos viscosos. James Clerk Maxwell, William Thomson, Lord Kelvin, e Ludwig Boltzmann estudaram respostas dependentes do tempo que entrariam na teoria da viscoelasticidade.
A palavra vem do grego antigo ῥέω (rhéō), "fluir", e -λογία (-logía), "estudo". Eugene Bingham, professor do Lafayette College, empregou o termo em 17 de dezembro de 1928. Bingham e Markus Reiner participaram da organização inicial da disciplina e da sociedade que reuniu seus pesquisadores.
O lema panta rhei (πάντα ῥεῖ), "tudo flui", tradicionalmente atribuído a Heráclito e transmitido por autores posteriores, foi adotado pela Society of Rheology. A sociedade foi formalmente fundada em 19 de dezembro de 1929. Com o novo campo reunido sob um mesmo nome, modelos de viscoelasticidade, equações constitutivas, estudos de fluidos não newtonianos e métodos de medição passaram a tratar materiais cuja resposta muda com a escala de tempo, a taxa de deformação e a estrutura microscópica.
Abrangência
Na prática, a reologia estende a mecânica dos meios contínuos a materiais que misturam respostas elásticas, viscosas e plásticas. Ela também procura ligar o comportamento medido em escala macroscópica à microestrutura ou nanoestrutura, como o tamanho e a arquitetura molecular de polímeros em solução ou a distribuição de tamanhos das partículas de uma suspensão.
Quando um material é submetido a uma tensão, isto é, força por unidade de área, ele pode reagir de maneiras diferentes conforme o tipo de carregamento. Cisalhamento, extensão e compressão não precisam produzir a mesma resposta. Parte da teoria reológica liga forças e torques externos às tensões internas, deformações, taxas de deformação e velocidades de escoamento.
Uma divisão útil separa a reologia fenomenológica, que usa relações constitutivas para expressar a resposta macroscópica, da reologia estrutural, que procura relacionar essa resposta à microestrutura. A reometria reúne os métodos de medição e a reologia aplicada usa essas relações em materiais e processos.
Mecânica dos sólidos Estudo da física de materiais contínuos com uma forma de repouso definida.
Elasticidade Descreve materiais que retornam à sua forma de repouso depois que as tensões aplicadas são removidas.
Plasticidade Descreve materiais que se deformam permanentemente após uma tensão aplicada superar um determinado limite.
Reologia Estudo de materiais com características de sólido e fluido.
Mecânica dos fluidos Estudo da física de materiais contínuos que se deformam quando submetidos a uma força.
Fluidos não newtonianos não apresentam taxas de deformação proporcionais às tensões cisalhantes aplicadas.
Fluidos newtonianos apresentam taxas de deformação proporcionais às tensões cisalhantes aplicadas.
Um sólido plástico pode sustentar tensões sem escoamento permanente até que um limite seja ultrapassado, enquanto um fluido não newtoniano pode ter uma relação não linear ou dependente do tempo entre tensão e taxa de deformação. A reologia granular leva a análise a materiais granulares, cujo comportamento e escoamento também dependem das condições de carregamento.
O ketchup, o iogurte e certas tintas de emulsão, como a tinta acrílica, apresentam afinamento por cisalhamento, pois sua viscosidade aparente diminui quando a taxa de cisalhamento aumenta. Alguns desses materiais também apresentam tixotropia, na qual a resposta muda com o tempo sob cisalhamento e a estrutura se recupera depois que o esforço diminui ou cessa. Outros materiais ficam mais viscosos à medida que a taxa de cisalhamento aumenta. A reopexia é diferente desse espessamento dependente apenas da taxa, pois envolve aumento da estrutura e da viscosidade com o tempo sob certas condições de cisalhamento. O estudo desses comportamentos também recebe o nome de mecânica dos fluidos não newtonianos.
Relações idealizadas entre tensão e taxa de cisalhamento para fluidos newtonianos, pseudoplásticos, dilatantes e materiais com tensão de escoamento.
Uma tarefa central da reologia experimental é descobrir como tensão, deformação e taxa de deformação se relacionam em cada material. Essas relações precisam manter propriedades matemáticas adequadas quando o referencial muda. Os ensaios que fornecem essas funções pertencem à reometria.
Quando o material é deformado principalmente por cisalhamento, fala-se em reometria de cisalhamento ou reologia de cisalhamento. Quando o movimento é dominado por alongamento, fala-se em reologia extensional. Escoamentos de cisalhamento costumam ser mais fáceis de produzir e medir, por isso há mais dados desse tipo do que de escoamentos extensionais.
A reologia interfacial examina o que acontece na superfície de contato entre fases, como gás e líquido ou dois líquidos imiscíveis. Os ensaios podem aplicar cisalhamento à interface ou fazê-la expandir e comprimir, separando tanto quanto possível a resposta da interface daquela das fases ao redor.
Em escalas menores, a microrreologia usa o movimento de partículas-sonda microscópicas dispersas no material para inferir propriedades mecânicas locais ou macroscópicas. Na microrreologia passiva, o movimento vem de flutuações térmicas. Na microrreologia ativa, forças externas movem as partículas.
A caracterização experimental do comportamento reológico recebe o nome de reometria, embora alguns experimentalistas também usem "reologia" como sinônimo de reometria. A reologia teórica procura ligar escoamento e deformação à estrutura interna do material, como a orientação e o alongamento de moléculas poliméricas, e formula relações constitutivas para casos que não cabem nos modelos mais simples da mecânica dos fluidos ou da elasticidade.
Equações constitutivas e funções reológicas
Uma equação constitutiva liga o estado de tensão de um material às deformações, às taxas de deformação e, quando necessário, ao histórico do movimento. No caso newtoniano, basta uma relação simples entre tensão de cisalhamento e taxa de cisalhamento. Materiais viscoelásticos e não newtonianos exigem equações mais gerais.
No modelo plástico ideal de Bingham, a taxa de cisalhamento permanece nula enquanto a tensão está abaixo de um limite de escoamento. Depois desse limite, a tensão excedente cresce linearmente com a taxa de cisalhamento. O modelo de Herschel-Bulkley usa uma lei de potência acima da tensão de escoamento e pode lidar com afinamento ou espessamento por cisalhamento. O modelo de Carreau-Yasuda, usado em materiais pseudoplásticos sem tensão de escoamento, acompanha a passagem de um patamar de viscosidade em baixas taxas de cisalhamento para uma região de afinamento e, em certos casos, para outro patamar em taxas muito altas.
Em cisalhamento estacionário, uma medida simples é a viscosidade aparente, calculada pela razão entre a tensão de cisalhamento e a taxa de cisalhamento nas condições do ensaio. Fluidos viscoelásticos também podem gerar diferenças de tensões normais. Quando o material recebe um pequeno cisalhamento oscilatório, sua resposta linear pode ser separada em uma parte que armazena energia elasticamente e outra que dissipa energia. Essas duas partes são reunidas no módulo complexo
,
Na expressão, é o módulo de armazenamento e mede a componente elástica, enquanto é o módulo de perda e mede a componente dissipativa. A viscosidade complexa é outra maneira de escrever a resposta que depende da frequência.
As diferenças de tensões normais geram comportamentos ausentes em fluidos newtonianos simples. No efeito Weissenberg, certos líquidos viscoelásticos sobem ao redor de uma haste em rotação. No inchamento do extrudado, o material pode aumentar sua seção transversal ao sair de uma matriz, em parte porque recupera deformação elástica acumulada durante o escoamento.
Chamar um material de sólido ou fluido depende, em parte, do tempo durante o qual ele é observado. Um ensaio de fluência torna isso visível ao manter uma tensão constante e acompanhar a deformação.
Se, depois de certa deformação, o material tende a uma deformação limitada sob a tensão mantida, seu comportamento nessa escala de tempo é semelhante ao de um sólido.
Se a deformação continua a crescer sem limite enquanto a tensão é mantida, seu comportamento nessa escala de tempo é semelhante ao de um fluido.
Experimentos dependentes do tempo também separam três comportamentos ideais que ajudam a entender materiais reais.
Em um material linearmente elástico ideal, a deformação é proporcional à tensão aplicada e ocorre sem atraso. Quando a carga é retirada, o material recupera a deformação prevista pelo modelo.
Em um fluido newtoniano ideal, a taxa de deformação por cisalhamento é proporcional à tensão de cisalhamento. Mantida a tensão, a deformação continua crescendo com o tempo.
Um material viscoelástico reúne respostas elásticas e viscosas. Conforme sua estrutura e a escala de tempo, pode se deformar de imediato, deformar-se aos poucos, relaxar a tensão ou combinar essas respostas.
A plasticidade entra em cena quando o material fica permanentemente deformado depois que certas condições de tensão são atingidas. Materiais com tensão de escoamento podem permanecer sem escoamento macroscópico abaixo de um limite e começar a escoar acima dele. As expressões "sólido plástico" e "fluido com tensão de escoamento" podem se referir a regiões diferentes desse espectro, conforme a tensão aplicada e o tempo de observação.
Modelos viscoelásticos simples
Modelos mecânicos simples combinam uma mola ideal, correspondente à elasticidade linear, com um amortecedor viscoso ideal, correspondente ao escoamento viscoso.
No modelo de Maxwell, a mola e o amortecedor ficam em série. Se a tensão é mantida constante, o amortecedor continua se deformando com o tempo. Se a deformação total é mantida constante, a tensão cai exponencialmente. O modelo capta uma forma elementar de relaxação de tensão, mas prevê fluência sem limite sob tensão constante.
No modelo de Kelvin-Voigt, a mola e o amortecedor ficam em paralelo. Sob tensão constante, a deformação cresce aos poucos até chegar a um valor finito. Depois que a tensão é retirada, a recuperação também ocorre aos poucos. O modelo não inclui deformação instantânea nem a forma convencional de relaxação de tensão.
Modelo de Maxwell, com mola e amortecedor em série.
Modelo de Kelvin-Voigt, com mola e amortecedor em paralelo.
Modelos com mais elementos conseguem combinar diferentes tempos de relaxação ou retardação e se aproximar melhor da resposta viscoelástica linear de materiais reais.
O número de Deborah é a razão entre um tempo característico de relaxação do material e o tempo característico durante o qual o processo é observado.
Nessa expressão, é um tempo característico do material e é a escala temporal da observação. Em cisalhamento oscilatório, uma forma equivalente usa o produto entre a frequência e o tempo de relaxação.
Quando o número de Deborah é pequeno, muitos materiais viscoelásticos têm tempo para relaxar durante a observação e respondem de modo mais parecido com um fluido. Quando ele é grande, a observação é rápida em comparação com o tempo de relaxação e a resposta se aproxima mais da de um sólido elástico. O número, porém, não mede sozinho a não newtonianidade. Um valor pequeno não basta para dizer que um fluido é newtoniano.
Na mecânica dos fluidos, o número de Reynolds compara os efeitos da inércia com os da viscosidade. Valores baixos correspondem a situações em que os efeitos viscosos dominam e o escoamento tende a permanecer laminar. Com valores altos, a inércia ganha peso e o escoamento pode se tornar turbulento. Em fluidos não newtonianos, a viscosidade aparente pode mudar com o próprio escoamento, por isso a escolha da viscosidade usada no cálculo, ou de uma forma generalizada do número de Reynolds, depende do modelo e do problema.
Para um fluido newtoniano, essas grandezas entram na expressão
Os símbolos têm os seguintes significados.
us é a velocidade média de escoamento, em m·s−1
L é um comprimento característico, em m
μ é a viscosidade dinâmica, em Pa·s
ν é a viscosidade cinemática, definida por , em m2·s−1
O número de Reynolds também é usado com outros números adimensionais na semelhança dinâmica. Escoamentos com a mesma geometria podem ter comportamento equivalente quando os números adimensionais relevantes têm valores correspondentes.
Medição
Um reômetro mede como um material reage a uma tensão, deformação ou taxa de deformação controlada. Esses instrumentos são usados principalmente com líquidos, soluções, suspensões e materiais fundidos. Os ensaios podem manter o escoamento constante, fazê-lo oscilar ou deformar a amostra por cisalhamento ou extensão.
No reômetro rotacional, a amostra fica entre superfícies cuja geometria é conhecida. Os arranjos mais comuns usam cilindros concêntricos, cone e placa ou duas placas paralelas. A partir do torque e do movimento, calculam-se a tensão e a taxa de cisalhamento. Pequenas oscilações permitem medir propriedades viscoelásticas lineares, entre elas e .
Na reometria capilar, o material passa por um capilar ou uma matriz e mede-se como a queda de pressão se relaciona com a vazão. O método alcança taxas de cisalhamento relativamente altas e é útil para polímeros fundidos e para condições próximas às de extrusão.
Reômetros extensionais alongam a amostra de modo controlado para medir propriedades que um ensaio simples de cisalhamento não fornece. Em um fluido newtoniano incompressível submetido a extensão uniaxial, a viscosidade extensional vale três vezes a viscosidade de cisalhamento. Essa razão, conhecida como razão de Trouton, é igual a três. Materiais viscoelásticos podem depender da taxa de extensão e se afastar bastante desse limite newtoniano.
Reômetros de torque acoplados a misturadores ou pequenas extrusoras também podem acompanhar polímeros e materiais muito viscosos. O torque necessário para processar a amostra muda quando mudam a temperatura, a mistura, a reação ou a composição.
Para entender a medida mais básica, considere um fluido newtoniano em cisalhamento simples. Sua viscosidade dinâmica é a tensão de cisalhamento dividida pela taxa de cisalhamento
,
Nessa expressão, é a tensão de cisalhamento e é a taxa de cisalhamento. Se a viscosidade dinâmica for dividida pela densidade, obtém-se a viscosidade cinemática
.
Em um material não newtoniano, a razão , medida sob condições especificadas, recebe o nome de viscosidade aparente. Ela pode mudar com a taxa de cisalhamento e, em certos materiais, com o tempo e o histórico do ensaio. Por isso, um único valor não basta para caracterizar toda a resposta reológica.
Aplicações
A reologia é usada em ciência dos materiais, engenharia, geofísica, fisiologia, biologia e farmácia. Ela ajuda a controlar como cimento, tintas, alimentos, polímeros, materiais biológicos e cosméticos se comportam durante a fabricação e o uso. A teoria da plasticidade entra no projeto de processos de conformação de metais, enquanto as propriedades viscoelásticas afetam o processamento e o desempenho de materiais poliméricos.
Na indústria farmacêutica, medições reológicas acompanham formas líquidas e semissólidas, como soluções, suspensões, pomadas, cremes e pastas. Viscosidade e outras propriedades de escoamento afetam mistura, bombeamento, enchimento, espalhamento e aplicação, além da uniformidade e da estabilidade física do produto.
Fluidos eletrorreológicos e fluidos magnetorreológicos mudam sua resposta mecânica quando recebem campos elétricos ou magnéticos. Com isso, dispositivos controláveis podem alterar a tensão de escoamento, a viscosidade aparente e outras respostas mecânicas do material.
Ciência dos materiais
Polímeros
Borrachas, plásticos e fibras passam por operações nas quais o comportamento reológico interfere diretamente no processamento. Os polímeros são matérias-primas das indústrias de borracha e plástico e também são usados nas indústrias têxtil, do petróleo, automobilística, de papel e farmacêutica. Suas propriedades viscoelásticas afetam a resistência e a deformação dos produtos e também as condições em que o material pode ser processado.
Em muitos polímeros e plásticos viscoelásticos, a rapidez da deformação muda a resposta do material. O brinquedo de siliconeSilly Putty, por exemplo, pode escoar quando deformado lentamente e ficar muito mais rígido quando deformado depressa.
Borrachas e outros elastômeros passam por uma transição vítrea, na qual a mobilidade molecular e a capacidade de deformação mudam fortemente com a temperatura. Essa transição não explica, sozinha, toda perda de desempenho de uma vedação elastomérica em baixa temperatura.
No desastre do ônibus espacial Challenger, a comissão presidencial concluiu que o selo de pressão da junta de campo traseira do propulsor sólido direito falhou e causou o acidente. O projeto da junta era excessivamente sensível à temperatura, às dimensões físicas, às propriedades dos materiais, à reutilização, ao processamento e às cargas dinâmicas. Ensaios examinados na investigação mostraram que os O-rings respondiam mais lentamente à medida que a temperatura caía. O frio do lançamento agravou a sensibilidade do sistema de vedação, mas não explica sozinho toda a falha.
Biopolímeros
Estrutura linear da celulose. As ligações de hidrogênio entre grupos das cadeias interferem nas propriedades mecânicas e reológicas do material.
Biopolímeros, como proteínas e polissacarídeos, podem formar soluções, géis, redes e suspensões. A resposta mecânica depende da concentração, das interações entre as moléculas e da estrutura formada. Na celulose, cadeias lineares formam ligações de hidrogênio que interferem na associação entre cadeias e no comportamento do material. Em outros sistemas poliméricos, ligações cruzadas restringem o movimento das cadeias e mudam a resposta viscoelástica.
A polimerização de tetraetilortossilicato e água produz espécies de sílica hidratada. A evolução da estrutura durante o processo sol-gel pode ser acompanhada por medições reológicas.
No processo sol-gel, a viscosidade de um sol muda à medida que hidrólise e condensação fazem as espécies crescer e se unir. A reometria pode acompanhar a passagem de uma dispersão fluida para uma rede formada.
Quando a viscosidade fica em uma faixa adequada, sóis podem ser fiados para produzir fibras vítreas e cerâmicas. A hidrólise, a condensação e a formação de estruturas lineares ou ramificadas interferem nessa capacidade. Essas fibras podem ser usadas, entre outras finalidades, em sensores de fibra óptica e isolamento térmico.
Geofísica
Na geofísica, conceitos reológicos ajudam a estudar o escoamento de lava, os fluxos de detritos e a deformação lenta dos materiais sólidos da Terra. Uma rocha que parece sólida em uma observação curta pode apresentar escoamento viscoso quando a escala de tempo passa a ser geológica.
Na geologia, um reodo é um material abaixo do ponto de fusão que, sob certas condições de temperatura, pressão e tensão de cisalhamento, escoa de forma predominantemente viscosa na escala de tempo observada. S. Warren Carey definiu a reodicidade como o tempo necessário para que a deformação por escoamento viscoso se torne mil vezes maior que a deformação elástica, sob condições especificadas.
Ensaios muito longos de fluência em granito mediram deformação viscosa mesmo em condições próximas às ambientais. Em vigas de granito observadas durante anos, foram obtidos valores efetivos da ordem de 1019 Pa·s. Experimentos com sílica fundida à temperatura ambiente também encontraram comportamento viscoso dependente do tempo, com constante de tempo da ordem de dez anos. Um modelo de Kelvin-Voigt foi usado para ajustar esse comportamento.
Fisiologia
Muitos fluidos corporais respondem de maneira viscoelástica ou não newtoniana por causa de sua estrutura e composição. O estudo do escoamento do sangue recebe o nome de hemorreologia. O sangue é uma suspensão de células em plasma, e sua viscosidade aparente muda com a taxa de cisalhamento. Entre os fatores envolvidos estão o hematócrito, a viscosidade do plasma, a agregação das hemácias e a capacidade dessas células de se deformar.
As hemácias se deformam com facilidade, o que favorece sua passagem pelo escoamento macroscópico e pela microcirculação. Elas também podem se agregar de forma reversível. Esses agregados elevam a viscosidade aparente sobretudo em baixas taxas de cisalhamento e tendem a se desfazer quando o cisalhamento aumenta.
O humor vítreo do olho é um hidrogel viscoelástico formado principalmente por água, colágeno e ácido hialurônico. Com a idade, parte de sua estrutura se separa em fases e se liquefaz, enquanto partes do gel restante podem mudar de rigidez.
Em escoamento estacionário, o sangue apresenta afinamento por cisalhamento e também pode apresentar viscoelasticidade e tixotropia. Em taxas de cisalhamento altas, a deformação das hemácias altera a resposta viscoelástica. Em taxas baixas, agregados em rouleaux acrescentam uma resposta que depende do tempo.
Agregação de hemácias
Duas hipóteses procuram explicar por que as hemácias se agregam de forma reversível. Na hipótese das pontes, macromoléculas adsorvidas às superfícies celulares unem hemácias vizinhas e favorecem pilhas chamadas rouleaux. Na hipótese da camada de depleção, regiões próximas às superfícies celulares ficam com menor concentração de certas macromoléculas. Quando essas regiões se sobrepõem, a diferença de pressão osmótica favorece a aproximação das células.
A agregação muda a viscosidade do sangue, principalmente quando o cisalhamento é baixo. Sua intensidade depende do hematócrito, da composição do plasma, da concentração de fibrinogênio e das propriedades das superfícies celulares. Pinças ópticas e microfluídica permitem medir as interações entre hemácias in vitro.
Doenças e diagnóstico
Condições como síndrome de hiperviscosidade, hipertensão, anemia falciforme e diabetes podem vir acompanhadas de mudanças nas propriedades hemorreológicas. Essas mudanças podem envolver o hematócrito, a viscosidade do plasma, a deformabilidade das células ou a agregação das hemácias.
O envelhecimento também pode vir acompanhado de mudanças na viscosidade do sangue, na deformabilidade das hemácias e na agregação celular. A atividade física e outras condições fisiológicas são estudadas por sua relação com essas propriedades.
Zoologia
No deslocamento, na captura de presas e na defesa, animais podem depender diretamente de fenômenos reológicos. O peixe-da-areia move-se dentro de areia seca por interações regidas pela reologia granular, enquanto gastrópodes terrestres usam muco cujas propriedades favorecem a aderência e a locomoção.
Alguns animais produzem secreções endógenas com comportamento de fluidos complexos. Onicóforos lançam uma secreção pegajosa que imobiliza presas. Mixinas liberam grande quantidade de muco, que forma rapidamente uma rede gelatinosa na água e pode desencorajar predadores.
Reologia dos alimentos
A reologia dos alimentos entra na fabricação e no processamento de queijo e gelato. Molhos, molhos para salada, iogurte e fondue dependem de propriedades de escoamento que afetam o processamento, a estabilidade, a textura e a sensação durante o consumo.
Agentes espessantes aumentam a viscosidade de uma mistura aquosa sem necessariamente mudar muito suas demais propriedades. Eles dão corpo ao produto, ajudam a estabilizá-lo e mantêm ingredientes em suspensão. São usados como aditivos alimentares, em cosméticos e em produtos de higiene pessoal. Alguns também gelificam a mistura e formam um gel. Para isso, dissolvem-se ou se dispersam na fase líquida e podem criar uma estrutura interna fracamente coesa.
A trabalhabilidade do concreto e da argamassa depende da reologia da pasta de cimento fresca. Reduzir a relação água-cimento pode melhorar certas propriedades do concreto endurecido, mas também elevar a tensão de escoamento ou a viscosidade da mistura fresca e dificultar sua colocação. Superplastificantes permitem usar menos água e mudam a tensão de escoamento e a viscosidade da pasta fresca.
Reologia de polímeros com carga
Ao receber cargas, um polímero pode ter custo menor ou propriedades mecânicas, térmicas, elétricas e magnéticas diferentes. Essas partículas também mudam a reologia. A resposta passa a depender da concentração, da forma, do tamanho, da distribuição granulométrica e das interações entre as partículas e a matriz polimérica.
Quanto maior a fração de carga, maior costuma ser a viscosidade e mais difícil pode ficar o processamento do polímero fundido. Em algumas suspensões com a mesma fração total de sólidos, misturar partículas de tamanhos diferentes reduz a viscosidade em comparação com um sistema em que todas pertencem à mesma classe de tamanho. Esse resultado recebe o nome de efeito Farris.
A transferência de tensão na interface entre a carga e o polímero também muda as propriedades do composto. Agentes de acoplamento que aderem à matriz e às partículas podem aumentar a adesão entre elas. O tipo e a quantidade de tratamento superficial aplicado à carga também podem alterar a resposta reológica.
Em materiais com muita carga, o deslizamento junto à parede do instrumento precisa entrar na análise, pois a deformação real da amostra pode ser diferente daquela calculada apenas pelo movimento das superfícies do reômetro.
Reologista
Um reologista é um cientista ou engenheiro que estuda o escoamento de líquidos complexos ou a deformação de sólidos moles. A formação pode vir da física, química, matemática, biologia, geologia, ciência dos materiais, engenharia, medicina ou ciência dos alimentos. A Society of Rheology reúne profissionais de instituições acadêmicas, industriais e governamentais que trabalham com teoria, instrumentos, materiais e processos reológicos.
A especialização costuma ocorrer dentro dessas áreas, por meio de disciplinas, pesquisa de pós-graduação, trabalho experimental e atividades de sociedades científicas.
Efeito Weissenberg, efeito produzido por tensões normais em certos fluidos viscoelásticos
Transição vítrea, mudança da mobilidade molecular que altera a resposta de muitos materiais
Matéria mole, classe que abrange muitos sistemas estudados pela reologia
Coeficiente de Reynolds, grandeza adimensional usada para comparar efeitos inerciais e viscosos
Notas
↑Nesse modelo ideal, a deformação cresce na mesma proporção que a tensão enquanto o material permanece na faixa elástica. Quando a força é retirada, ele recupera a forma prevista pelo modelo.
↑A taxa de cisalhamento mede quão depressa camadas vizinhas de um material deslizam umas em relação às outras. Imagine um baralho sendo empurrado de lado, com as cartas de cima avançando mais que as de baixo.
↑A frase expressa a ideia de mudança constante. Na reologia, ela ganhou um sentido especialmente apropriado porque materiais que parecem rígidos podem escoar quando as condições e o tempo de observação mudam.
↑A escala de tempo é o intervalo usado para observar um processo. Um material pode parecer rígido em segundos e apresentar escoamento perceptível quando observado por muito mais tempo.
↑Estrutura microscópica é a organização interna de partículas, gotas, fibras ou moléculas pequenas demais para serem vistas a olho nu. Mudar essa organização pode mudar a forma como o material escoa ou se deforma.
↑"Macroscópica" significa a escala do material como um todo, na qual medimos grandezas como força, deformação ou viscosidade sem acompanhar cada molécula separadamente.
↑Microestrutura é a organização interna em escalas muito pequenas. Nanoestrutura vai ainda além, para dimensões da ordem de bilionésimos de metro.
↑Aqui, "arquitetura molecular" é a maneira como as partes de uma molécula estão organizadas, por exemplo em cadeias lineares, ramificadas ou ligadas entre si.
↑Carregamento é a maneira de aplicar força ao material. Puxar, comprimir e fazer uma parte deslizar sobre outra são carregamentos diferentes.
↑Torque é a tendência de uma força fazer algo girar, como acontece ao usar uma chave para apertar um parafuso.
↑Tensões internas são forças distribuídas dentro do material. Elas podem variar de um ponto para outro mesmo quando a força aplicada por fora parece simples.
↑Nessa abordagem, o foco está primeiro na relação entre o esforço aplicado e a resposta medida, sem exigir uma descrição detalhada de cada estrutura interna do material.
↑Aqui, a pergunta muda: procura-se entender quais partículas, moléculas ou estruturas internas produzem a resposta observada.
↑Escoamento permanente deixa uma mudança de forma que não desaparece simplesmente quando o esforço é retirado.
↑Chama-se "aparente" porque, em muitos materiais não newtonianos, a viscosidade não é um único número fixo. O valor medido depende das condições do ensaio.
↑Mudar o referencial é descrever o mesmo movimento a partir de outro ponto de vista, por exemplo de um observador parado ou de outro que se move. A lei física não deve mudar só por causa dessa escolha.
↑Uma fase é uma região do material com composição e propriedades uniformes. Em uma mistura de óleo e água, cada líquido forma uma fase e a fronteira entre eles é a interface.
↑Líquidos imiscíveis não se misturam de modo uniforme. Óleo e água são o exemplo mais familiar.
↑São partículas muito pequenas usadas como marcadores. Ao acompanhar como elas tremem ou se deslocam, é possível inferir propriedades do material ao redor.
↑Mesmo sem uma força aplicada de fora, moléculas estão em movimento por causa da temperatura. Esse movimento aleatório empurra as partículas microscópicas.
↑"Filme" aqui é uma camada muito fina de material. Presa entre duas superfícies, ela pode escoar de modo diferente do mesmo material em grande quantidade.
↑Alguns materiais têm uma espécie de "memória" mecânica. A resposta presente pode depender de quanto e por quanto tempo eles foram deformados antes.
↑Uma lei de potência relaciona duas grandezas por meio de um expoente. Esse expoente controla como a curva cresce e permite representar respostas que não são lineares.
↑Um patamar é uma faixa em que a viscosidade muda pouco mesmo quando a taxa de cisalhamento continua mudando.
↑"Estacionário" não quer dizer que o material está parado. Quer dizer que, depois do início do ensaio, as condições relevantes deixam de variar com o tempo.
↑Tensões normais atuam perpendicularmente a uma superfície. Tensões de cisalhamento atuam paralelamente a ela.
↑O aparelho move a amostra para um lado e para o outro com pequena amplitude. Isso permite medir sua resposta sem levá-la muito longe do estado em que estava.
↑O nome vem da forma matemática usada para reunir, numa única expressão, a parte que armazena energia e a parte que a dissipa.
↑Frequência é quantas oscilações acontecem em certo intervalo de tempo. Variá-la permite observar a resposta do material a movimentos mais lentos ou mais rápidos.
↑Enquanto passa pela matriz, partes do material ficam esticadas. Ao sair, parte desse alongamento pode ser recuperada e o extrudado engrossa.
↑A mola ideal representa uma resposta totalmente elástica: deforma quando recebe força e recupera a forma sem atraso quando a força desaparece.
↑Esse elemento imaginário lembra um pistão que se move dentro de um líquido viscoso. Ele representa deformação que depende da velocidade e dissipa energia.
↑Uma queda exponencial é rápida no começo e cada vez mais lenta depois. A grandeza não diminui pela mesma quantidade a cada intervalo de tempo.
↑O tempo de relaxação mede quão depressa uma tensão diminui depois de uma deformação. O tempo de retardação mede quão depressa a deformação se desenvolve diante de uma tensão.
↑Como a razão compara dois tempos medidos na mesma unidade, essa unidade se cancela. O resultado não vem em segundos, minutos ou qualquer outra unidade, por isso o número de Deborah é adimensional.
↑Inércia é a tendência de um corpo manter seu estado de movimento. Em um escoamento, ela compete com a viscosidade, que tende a reduzir diferenças de velocidade entre regiões do fluido.
↑As unidades presentes no numerador e no denominador se cancelam. Por isso Reynolds também é um número adimensional e pode ser usado para comparar escoamentos de tamanhos diferentes.
↑É uma medida escolhida para representar o tamanho relevante do problema, como o diâmetro interno de um tubo.
↑Pa·s significa pascal-segundo, a unidade de viscosidade dinâmica no Sistema Internacional.
↑m²/s, metro quadrado por segundo, é a unidade de viscosidade cinemática no Sistema Internacional.
↑Essas formas são escolhidas porque permitem relacionar com precisão o movimento imposto pelo aparelho à tensão e à deformação produzidas na amostra.
↑A queda de pressão é a diferença entre a pressão na entrada e na saída. Vazão é a quantidade de material que atravessa uma seção em certo intervalo de tempo.
↑"Uniaxial" quer dizer que o alongamento ocorre principalmente em uma direção, como ao puxar as duas pontas de uma tira.
↑A viscosidade dinâmica expressa a resistência interna ao cisalhamento. A cinemática leva também a densidade em conta, por isso dois fluidos podem ter a mesma viscosidade dinâmica e viscosidades cinemáticas diferentes.
↑Conformação é dar forma ao metal por deformação, como em laminação, forjamento e estampagem.
↑Um material semissólido não flui tão livremente quanto um líquido, mas também não mantém uma forma rígida como um sólido. Cremes e pomadas são exemplos familiares.
↑Mobilidade molecular é o quanto partes das moléculas conseguem se mover e se reorganizar. Em polímeros, essa liberdade pode mudar bastante com a temperatura.
↑Cargas dinâmicas são forças que mudam com o tempo, como vibrações, impactos e oscilações, em vez de permanecerem constantes.
↑O-ring é um anel de vedação, geralmente feito de elastômero, encaixado entre peças para impedir a passagem de gases ou líquidos.
↑No começo, partículas ou moléculas estão espalhadas pelo líquido. À medida que passam a se conectar, formam uma rede que restringe o movimento e dá ao material comportamento de gel.
↑Fiar, aqui, é puxar o material na forma de um filamento fino e contínuo antes que ele endureça.
↑Uma escala geológica pode envolver milhares ou milhões de anos. Uma deformação invisível em poucos minutos pode se acumular bastante nesse intervalo.
↑É uma viscosidade enorme em comparação com líquidos comuns. Ela corresponde a um escoamento tão lento que a rocha parece rígida nas experiências do cotidiano.
↑A constante de tempo dá uma medida da rapidez de um processo. Quanto maior ela é, mais lenta costuma ser a mudança característica.
↑As células ficam dispersas na parte líquida, o plasma. Elas não estão dissolvidas como sal em água, por isso o sangue pode ser tratado como uma suspensão.
↑Microcirculação é o fluxo de sangue pelos vasos menores do corpo, como capilares, pequenas arteríolas e pequenas vênulas.
↑Um hidrogel é uma rede de moléculas que retém muita água. Quando ele é viscoelástico, parte da resposta lembra um sólido elástico e parte lembra um líquido viscoso.
↑Adsorção significa que moléculas ficam retidas na superfície de outra estrutura. Não é o mesmo que absorção, em que algo penetra no interior.
↑Pressão osmótica está relacionada a diferenças na concentração de partículas dissolvidas. Nesse caso, a diferença entre regiões próximas às células pode favorecer sua aproximação.
↑Pinças ópticas usam luz laser para prender e mover objetos microscópicos sem contato mecânico direto.
↑A expressão latina significa literalmente "no vidro". Em ciência, indica um experimento feito fora do organismo, por exemplo em uma lâmina, tubo ou dispositivo de laboratório.
↑Isso quer dizer que partículas ou moléculas se conectam o bastante para dar corpo à mistura, mas essas ligações ainda podem ser desfeitas pelo movimento.
↑A relação água-cimento compara a quantidade de água com a quantidade de cimento, normalmente pela massa. Ela afeta o comportamento da mistura fresca e do concreto depois de endurecer.
↑"Colocação" é levar o concreto fresco até a fôrma e fazê-lo ocupar o espaço desejado antes do endurecimento.
↑Distribuição granulométrica é a proporção de partículas de tamanhos diferentes presentes na mistura.
↑A matriz é a parte contínua do composto, o polímero que envolve e mantém as partículas de carga distribuídas.
↑São substâncias que melhoram a interação entre a superfície das partículas e o polímero, funcionando como uma ponte química entre materiais que adeririam mal sozinhos.
↑Se a amostra escorrega na parede, o aparelho pode registrar um movimento maior do que a deformação que realmente ocorreu dentro do material. Isso pode distorcer a medida.
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