Lista de Exercícios 2 Reologia dos Materiais 2023

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Lista de Exercícios 2 – Reologia dos Materiais 2023
Profa Lília Müller Guerrini
1. Faça um esquema e explique como o Gc influencia na massa molar e distribuição de
massa molar de um polímero fundido. Você utilizaria estas medidas para comparar se
houve diferença de massa molar em PP produzido por 2 lotes diferentes? Explique.
2. Quais as principais aplicações das propriedades reológicas em regime oscilatório para os
polímeros fundidos? Quais são as propriedades que são medidas neste regime nos
reômetros?
Amplamente utilizadas para caracterizar o comportamento viscoelástico dos
polímeros fundidos. Descrevem como os polímeros respondem a um esforço e
deformação aplicados em condições de fluxo oscilatório.
- Controle de processos de fabricação;
- Formulações de polímeros;
- Desenvolvimento de novos materiais.
Regime OSCILATÓRIO:
- Módulo elástico/ de armazenamento G'(ω) → Mede a capacidade do material
armazenar energia elástica durante o ciclo de deformação oscilatória. Medida
de rigidez do material.
- Módulo dinâmico/ de perda G’’(ω) → Mede a capacidade do material dissipar
energia na forma de calor durante o ciclo de deformação oscilatória. Medida
de viscosidade do material.
- Viscosidade complexa η*(ω) → Medida que combina o módulo de
armazenamento e módulo de perda, representando a resistência total do
material à deformação oscilatória.
3. Para predizer se vai ocorrer algum defeito em um tubo que será processado por extrusão
qual o ensaio reológico mais adequado?
Reometria capilar em Reômetro capilar.
4. A elasticidade de um polímero no estado fundido pode ser avaliada por quais medidas
reológicas?
Módulo elástico/ de armazenamento G’(ω) → Reometria rotacional no Regime
oscilatório.
5. Desenhe uma curva típica de viscosidade de colóides poliméricos e descreva os
comportamentos em cada região.
6. Quais são os fatores que interferem na viscosidade de colóides? Explique sucintamente.
a. Concentração de sólidos → A viscosidade geralmente aumenta com o
aumento da concentração do colóide. Isso ocorre porque as partículas do
colóide interagem umas com as outras e formam uma rede ou estrutura
tridimensional, dificultando o fluxo.
b. Tamanho das partículas → Partículas maiores podem contribuir para uma
maior viscosidade, pois são mais difíceis de mover e causam maior
resistência ao fluxo.
c. Carga das partículas → Partículas com carga elétrica repulsiva tendem a se
dispersar mais facilmente, reduzindo a viscosidade. Por outro lado, partículas
com carga elétrica atrativa podem se aglomerar e aumentar a viscosidade.
d. Temperatura → Geralmente, um aumento na temperatura reduz a viscosidade,
pois a agitação térmica facilita o movimento das partículas.
e. Aditivos → A presença de aditivos, como eletrólitos ou surfactantes, afetam a
interação entre as partículas do colóide, levando a mudanças em sua
viscosidade.
7. Escreva as equações, comente e cite dois modelos que descrevem o comportamento de
viscosidade de colóides.
Modelo de Einstein: Analisa o movimento laminar de um fluido em torno de uma
partícula esférica rígida.
ηi = (η - ηs) / ηs = 2,5 φ → ηr = η / ηs = 1 + 2,5 φ
ηi = viscosidade específica
ηr = viscosidade relativa
η = viscosidade da suspensão
ηs = viscosidade do solvente/meio
φ = fração volumétrica (partículas)
8. Você acabou de realizar o teste de aplicação de duas tintas que contém a mesma
formulação e portanto, possuem a mesma resina polimérica. Porém, as resinas destas
tintas foram produzidas em lotes diferentes e quando foram realizados testes de aplicação
a tinta da resina referente ao lote 1 apresentou escorrimento e a do lote 2 resultou em uma
cobertura perfeita. Considerando os comportamentos reológicos destas tintas, por que
ocorreu esta diferença? Qual ensaio reológico poderia ser empregado para verificar estas
diferenças entre as duas tintas e qual reômetro deve ser realizado este ensaio? Explique.
Essa diferença entre os comportamentos reológicos, escorrimento da tinta do lote 1
e cobertura perfeita da tinta do lote 2, ocorreu porque a tinta do lote 1 possui baixa
viscosidade relativamente a viscosidade ideal da tinta do lote 2. O ensaio de
Reometria rotacional em regime oscilatório poderia ser empregado para medir a
viscosidade complexa (*η) do material
9. Reometria capilar:
a. Quais os tipos de reômetros que são classificados em reometria capilares?
RCs operados por controle de vazão → Reômetro capilar;
RCs operados por pressão imposta → Plastômero ou Medidor de índice de
fluidez.
b. Explique como cada um funciona e o que medem.
- Reômetro capilar → Consiste de um barril aquecido, onde na sua
extremidade inferior é montada uma matriz contendo um capilar de
dimensões especificadas. A taxa de cisalhamento imposta ao material
fundido depende da velocidade do pistão e das características
geométricas do capilar (D e L). A tensão de cisalhamento depende da
força necessária para mover o pistão.
- Plastômero/ Medidor de índice de fluidez → Consiste de um barril
aquecido com um pistão acionado por um peso padrão.
c. Todos os reômetros capilares precisam de correções. Verdadeiro ou falso?
Explique todas as correções necessárias (se houver).
Reômetro capilar:
Correções no perfil de velocidades: Distorção no perfil de velocidades
parabólico devido à dependência da viscosidade com a taxa de cisalhamento
em fluidos Não-Newtonianos.
- Correção de rabinowitsch: Taxa de cisalhamento “real” na parede do
barril.
Correções na entrada do capilar: Queda de pressão na entrada do capilar
devido ao regime turbulento de fluidos Não-Newtonianos.
- Correção de Bagley: A queda da pressão na entrada da matriz poderia
ser entendida como um aumento fictício no comprimento real do
capilar.
Correções de Atrito no Barril: Considera o efeito da força de atrito entre o
barril e o pistão na força total do pistão medida sobre o ensaio. É necessária
somente em polímeros de baixa viscosidade.
d. Cite as vantagens e desvantagens entre os reômetros classificados em reometria
capilar.
Vantagens:
- Precisão;
- Ampla faixa de viscosidade;
- Baixo consumo de amostra;
- Rápido tempo de resposta.
Desvantagens:
- Complexidade dos dispositivos;
- Sensibilidade em relação ao tamanho do capilar;
- Limitação da faixa de temperatura;
- Limitações de aplicação.
10. Reometria rotacional:
a. Quais são as medidas que podem ser obtidas pela reometria rotacional?
Propriedades no:
Regime PERMANENTE:
Viscosidade a baixas taxas → η(ý)
Primeira diferença de tensões normais → N1(ý)
Regime OSCILATÓRIO:
Viscosidade complexa → η*(ω)
Módulo elástico → G'(ω)
Módulo dinâmico → G’’(ω)
Regime TRANSIENTE:
Fluência e Recuperação → y(t,τ)
Acúmulo de tensões e Relaxamento de tensões → τ(t,ý)
b. Quais as geometrias mais utilizadas?
Placas paralelas;
Cone-placa;
Cilindros concêntricos ou Couette.
c. Quais os diâmetros e ângulos mais utilizados para realizar estas medidas? Por que
são realizadas medidas utilizando diâmetros e ângulos diferentes?
Placas paralelas → 2 (maior σ), 4 e 6 (menor σ) cm
Se o gap vai para ZERO, então ý vai para o INFINITO.
Cone-placa → 1° (20-30 μm), 2° (60 μm) e 4° (120 μm)
Se o ângulo AUMENTA, então a taxa de cisalhamento DIMINUI
Gap >= 10 μm.
Cilindros concêntricos ou Couette.
11. Reômetro de torque:
a. O que o reômetro de torque mede?
Mede a resistência ao movimento rotacional de um elemento em contato com
o material de teste. Consiste em um eixo rotativo, geralmente equipado com
pás ou geometrias específicas, que é imerso no material em estudo. À medida
que o eixo gira, ele aplica uma força de cisalhamento ao material, e o torque
necessário para superar essa resistência é medido.
b. Escreva uma curva típica obtida de polímero deste reômetro e explique as etapas.
c. Quais são as aplicações típicas de reômetro de torque.
i. Estimar comportamento de polímeros em processamento sob fusão;
ii. Verificar estabilidade de polímeros;
iii. Estudar processos degradativos durante o processamento;
iv. Verificar presença de possíveis reações e formação de ligaçõescruzadas;
v. Analisar efeitos de mudança de composição e condições de mistura
(velocidade, temperatura).
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A Basic Introduction to Rheology
- Reometria → Técnicas experimentais para determinar propriedades reológicas.
- Reologia → Estudo do fluxo e deformação dos materiais que relaciona força, deformação e
tempo.
- Materiais viscoelásticos → apresentam tanto propriedades dos sólidos quantos dos
líquidos em resposta a força, deformação e tempo.
- Reômetro → Equipamento que determina propriedades de fluxo e viscoelásticas.
- Fluxo de cisalhamento (mais comum) → Componentes do fluido cisalham uns aos outros.
- Fluxo extensional → Componentes do fluido fluem para longe ou em direção uns dos
outros.
- Deformação de cisalhamento (y) → y = x / h
- Taxa de Cisalhamento/ Deformação (ý) → ý = dy/dt
- Viscosidade dinâmica (η) → Coeficiente de proporcionalidade entre a tensão de
cisalhamento (σ) e a taxa de cisalhamento (ý): η = σ / ý
- Fluido Newtoniano → tensão de cisalhamento (σ) não varia com a taxa de cisalhamento
(ý). Portanto, a viscosidade dinâmica (η) é constante.
- Fluidos Não-Newtonianos → σ varia com ý. Portanto, η varia com σ e ý.
- A viscosidade é dependente tanto da pressão (P) quanto da temperatura (T) → η aumenta
com o aumento de P e diminui com o aumento de T.
- Reômetro rotacional de cabeça única (tensão ou taxa controlada) com sistema de medição
de placas paralelas → Podem aplicar torque e medir velocidade de rotação ou aplicar
velocidade de rotação e medir torque.
- Gap (h) → Espaço entre as placas.
- Fluxo pseudoplástico (Shear thinning) → Tipo de comportamento mais comum dos fluidos
Não-Newtonianos → Viscosidade diminui com o aumento da taxa de cisalhamento → η∞
<< η0.
- O fluxo pseudoplástico é resultado dos rearranjos microestruturais que ocorrem no plano
de aplicação do cisalhamento → Desemaranhamento e alongamento de cadeias
poliméricas, Deformação e reorganização de gotículas de emulsão, Alinhamento de
partículas alongadas com o fluxo e Quebra de estruturas agregadas em partículas
primárias.
Pular algumas seções que não se referem a P2.
- Viscoelasticidade → Descreve o comportamento de materiais que mostram
comportamento em algum lugar entre o de um líquido ideal (viscoso) e um sólido ideal
(elástico).
- Técnicas de estudo do comportamento viscoelástico → Testes de fluência, Relaxamento
de tensão e Teste oscilatório → Reometria de cisalhamento oscilatório.
- Teste oscilatório de pequena amplitude (Small Amplitude Oscillatory Testing - SAOS) →
Método mais comum de medida de propriedades viscoelásticas → A amostra é oscila em
torno de sua posição de equilíbrio em um movimento cíclico contínuo. A amplitude de
oscilação é igual à tensão/ deformação máxima aplicada, e a frequência representa o
número de oscilações por segundo.
- Módulo complexo (G*) → Medida quantitativa da rigidez ou resistência à deformação →
G* = σ máx / y máx
- Para um material puramente elástico (tensão proporcional a deformação), a tensão
máxima ocorre na deformação máxima e tanto a tensão quanto a deformação estão em
fase.
- Para um material puramente viscoso (tensão proporcional a taxa de deformação), a tensão
e a deformação estão defasadas em 90° ou π/2 rad.
- Para um material viscoelástico, a diferença de fase (δ) cai em algum lugar entre esses dois
extremos.
- A diferença de fase (δ) permite determinar a contribuição das componentes viscosa e
elástica do módulo complexo de rigidez (G*) do material.
- Material puramente elástico → δ = 0°
- Material puramente viscoso → δ = 90°
- δ = 45° representa a fronteira entre o comportamento sólido e líquido.
- Contribuição elástica → Módulo de armazenamento (G’) → Energia armazenada.
- Contribuição viscosa → Módulo de perda (G’’) → Energia perdida.
- Região Viscoelástica Linear (Linear Viscoelastic Region - LVER) → Onde a tensão e
deformação são proporcionais → Nesta região, a tensão aplicada é insuficiente para
causar a quebra estrutural e, portanto, são as propriedades microestruturais que estão
sendo medidas.