Reologia: Estudo da Deformação e Fluxo da Matéria

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10/30/13	
  
1	
  
Profa.	
  Daniele	
  Rubert	
  Nogueira	
  
REOLOGIA 
UNIVERSIDADE	
  FEDERAL	
  DE	
  SANTA	
  MARIA	
  	
  
CENTRO	
  DE	
  CIÊNCIAS	
  DA	
  SAÚDE	
  
DEPARTAMENTO	
  DE	
  FARMÁCIA	
  INDUSTRIAL	
  
DISCIPLINA	
  DE	
  FARMACOTÉCNICA	
  –	
  FID	
  102	
  
!
Introdução	
  -­‐	
  Definições	
  
² 	
  Termo	
  criado	
  por	
  Eugene	
  Cook	
  Bingham	
  –	
  1929	
  
² 	
  Do	
  Grego	
  RHEO	
  =	
  Fluir	
  e	
  LOGOS	
  =	
  Ciência	
  
² 	
  “A	
  reologia	
  é	
  o	
  estudo	
  científico	
  das	
  propriedades	
  de	
  deformação	
  e	
  fluxo	
  
da	
  matéria”	
  
² 	
  “A	
  expressão	
  reologia	
  descreve	
  a	
  fluidez	
  dos	
  líquidos	
  ou	
  a	
  deformação	
  
dos	
  sólidos	
  sob	
  a	
  influência	
  de	
  forças	
  mecânicas”	
  
² 	
  A	
  reologia	
  pode	
  ser	
  aplicada	
  para	
  a	
  matéria	
  em	
  estado	
  sólido,	
  líquido	
  e	
  
gasoso:	
  
	
  -­‐	
  sólidos:	
  completamente	
  resistentes	
  à	
  deformação	
  
	
  -­‐	
  líquidos:	
  menos	
  resistentes	
  à	
  deformação	
  
	
  -­‐	
  gases:	
  completamente	
  não-­‐resistentes	
  à	
  deformação	
  
² 	
  Na	
  área	
  farmacêutica,	
  a	
  discussão	
  da	
  reologia	
  é	
  aplicada	
  principalmente	
  
para	
  formas	
  farmacêuticas	
  líquidas	
  e	
  semissólidas.	
  
Ciência	
  que	
  estuda	
  o	
  
escoamento	
  e	
  a	
  
deformação	
  ou	
  fluidez	
  da	
  
matéria	
  quando	
  
submetida	
  a	
  uma	
  tensão.	
  
Introdução	
  -­‐	
  Definições	
  
² 	
  A	
  reologia	
  é	
  empregada	
  para	
  descrever	
  a	
  consistência	
  de	
  diversos	
  
produtos,	
  através	
  de	
  duas	
  características:	
  a	
  viscosidade	
  e	
  a	
  
elasticidade;	
  
² 	
  A	
  viscosidade	
  é	
  a	
  medida	
  da	
  resistência	
  para	
  fluir,	
  ou	
  
espessamento.	
  Tem	
  relação	
  com	
  a	
  composição	
  e	
  temperatura	
  
(inversamente	
  proporcional	
  à	
  temperatura):	
  materiais	
  líquidos,	
  
semissólidos;	
  
² 	
  A	
  elasticidade	
  refere-­‐se	
  à	
  pegajosidade	
  (aderência)	
  ou	
  estrutura:	
  
materiais	
  sólidos;	
  
² 	
  Quanto	
  maior	
  for	
  a	
  viscosidade	
  de	
  um	
  produto,	
  maior	
  será	
  sua	
  
resistência	
  para	
  fluir;	
  
² 	
  A	
  viscoelasticidade	
  é	
  um	
  fenômeno	
  observado	
  em	
  materiais	
  que	
  
exibem	
  simultaneamente	
  comportamento	
  elástico	
  e	
  viscoso.	
  Ex:	
  
géis	
  de	
  carbopol	
  
Introdução	
  -­‐	
  Importância	
  
As	
  propriedades	
  reológicas	
  exercem	
  papel	
  importante	
  no	
  desenvolvimento,	
  no	
  
preparo	
  e	
  na	
  avaliação	
  do	
  desempenho	
  de	
  formas	
  farmacêuticas	
  e	
  cosméticas:	
  no	
  
processo	
  de	
  misturar	
  ou	
  fazer	
  fluir	
  substâncias,	
  de	
  envasá-­‐las	
  em	
  recipientes,	
  de	
  
vertê-­‐las	
  de	
  um	
  frasco	
  ou	
  de	
  fazê-­‐las	
  sair	
  de	
  um	
  tubo	
  por	
  meio	
  de	
  pressão.	
  
	
  
² 	
  Determinar	
  a	
  funcionalidade	
  dos	
  componentes	
  no	
  desenvolvimento	
  de	
  
produtos	
  
² 	
  Escolha	
  da	
  embalagem	
  do	
  produto	
  final	
  
² 	
  Controle	
  de	
  qualidade	
  do	
  produto	
  final	
  ou	
  intermediário	
  
² 	
  Avaliação	
  da	
  textura	
  (aparência)	
  
² 	
  Aplicação	
  do	
  produto	
  sobre	
  a	
  pele:	
  sensação	
  e	
  modo	
  como	
  se	
  espalha	
  na	
  pele	
  
² 	
  Processo	
  de	
  produção:	
  agitação,	
  bombas,	
  enchimento	
  
² 	
  Determinação	
  da	
  vida	
  de	
  prateleira	
  
Introdução	
  -­‐	
  Importância	
  
«  Características	
  reprodutíveis	
  lote	
  a	
  lote,	
  como	
  consistência	
  e	
  
extensibilidade;	
  
«  Avaliação	
  da	
  viscosidade	
  através	
  de	
  dados	
  analíticos;	
  
«  Conhecimento	
  das	
  propriedades	
  de	
  fluidez	
  antes	
  e	
  após	
  aplicação	
  
de	
  uma	
  força.	
  
Formas	
  Farmacêuticas	
  Semissólidas	
  
Introdução	
  -­‐	
  Definições	
  
v  Fluxo:	
  quando	
  se	
  aplica	
  uma	
  força	
  de	
  cisalhamento	
  em	
  um	
  líquido,	
  este	
  
origina	
  uma	
  deformação	
  =	
  fluxo	
  	
  
v  Tensão	
  de	
  cisalhamento:	
  quantidade	
  de	
  força	
  (tensão)	
  aplicada	
  em	
  uma	
  
determinada	
  área	
  do	
  fluido	
  que	
  pode	
  gerar	
  ou	
  não	
  uma	
  deformação,	
  um	
  
fluxo.	
  
v  Velocidade	
  de	
  cisalhamento:	
  é	
  o	
  gradiente	
  de	
  velocidade	
  de	
  
cisalhamento	
  por	
  uma	
  determinada	
  distância.	
  
v  Reograma	
  (curva	
  de	
  fluidez):	
  é	
  a	
  representação	
  em	
  um	
  sistema	
  de	
  
coordenadas	
  gráficas	
  da	
  tensão	
  de	
  cisalhamento	
  frente	
  à	
  velocidade	
  de	
  
cisalhamento.	
  
10/30/13	
  
2	
  
LEI	
  DE	
  NEWTON	
  DA	
  VISCOSIDADE	
  
v  Descreve	
  o	
  fenômeno	
  que	
  ocorre	
  em	
  camada	
  paralelas	
  de	
  líquido,	
  sendo	
  
que	
  a	
  mais	
  inferior	
  mantém-­‐se	
  estacionária.	
  
v  Relação	
  linear	
  entre	
  a	
  tensão	
  de	
  cisalhamento	
  e	
  o	
  gradiente	
  de	
  velocidade.	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
η	
  =	
  F	
  /	
  G	
  
	
  
Onde:	
  η	
  =	
  viscosidade	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  F	
  =	
  tensão/força	
  de	
  cisalhamento	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  G	
  (dv/dx)	
  =	
  velocidade	
  de	
  cisalhamento	
  =	
  velocidade	
  de	
  deformação	
  
Quanto	
  maior	
  for	
  a	
  viscosidade	
  de	
  um	
  líquido,	
  maior	
  deve	
  ser	
  a	
  força	
  de	
  
cisalhamento	
  para	
  produzir	
  determinada	
  velocidade	
  de	
  cisalhamento.	
  
	
  
	
  
	
  
Classificação	
  dos	
  fluidos	
  segundo	
  seu	
  
comportamento	
  reológico:	
  
FLUIDOS	
  NEWTONIANOS	
  
v  Cumprem	
  a	
  relação	
  formulada	
  por	
  Newton;	
  
v  Velocidade	
  de	
  cisalhamento	
  é	
  diretamente	
  proporcional	
  à	
  tensão	
  de	
  
cisalhamento;	
  
v  Caracterizado	
  por	
  apresentar	
  viscosidade	
  constante,	
  independentemente	
  
da	
  força	
  aplicada;	
  
v  Ex:	
  água,	
  solventes,	
  soluções	
  muito	
  diluídas,	
  óleos	
  minerais.	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
FLUIDOS	
  NÃO-­‐NEWTONIANOS	
  
v  Não	
  seguem	
  o	
  comportamento	
  descrito	
  na	
  equação	
  de	
  fluxo	
  de	
  Newton;	
  
v  A	
  viscosidade	
  depende	
  da	
  estrutura	
  e	
  varia	
  em	
  função	
  da	
  velocidade	
  de	
  
cisalhamento;	
  
v  O	
  quociente	
  entre	
  a	
  força	
  e	
  a	
  velocidade	
  de	
  cisalhamento	
  não	
  é	
  constante;	
  
v  Exemplos:	
  soluções	
  coloidais,	
  emulsões,	
  suspensões	
  líquidas,	
  géis	
  e	
  
pomadas;	
  
v  Podem	
  apresentar	
  comportamento	
  plástico,	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  pseudoplástico	
  ou	
  dilatante	
  (independentes	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  do	
  tempo).	
  
	
  
	
  
	
  
Fluidos	
  não-­‐newtonianos	
  
v  Não	
  fluem	
  em	
  condições	
  normais;	
  
v  Precisam	
  de	
  uma	
  determinada	
  força	
  de	
  cisalhamento	
  para	
  desencadear	
  o	
  
processo	
  de	
  fluir;v  Reograma	
  não	
  passa	
  pela	
  origem,	
  mas	
  cruza	
  o	
  eixo	
  da	
  tensão	
  de	
  
cisalhamento	
  em	
  um	
  ponto	
  denominado	
  valor	
  de	
  cedência	
  (yield	
  point)	
  
v  Comporta-­‐se	
  como	
  um	
  material	
  sólido	
  (elástico)	
  em	
  condições	
  estáticas	
  e	
  
após	
  aplicação	
  de	
  uma	
  força	
  começa	
  a	
  fluir	
  
v  Ex:	
  pomadas;	
  suspensões	
  concentradas	
  (fase	
  contínua	
  de	
  alta	
  
viscosidade	
  ou	
  com	
  partículas	
  floculadas).	
  
Tipos	
  de	
  comportamento	
  não-­‐newtoniano	
  
(independentes	
  do	
  tempo)	
  
FLUXO	
  PLÁSTICO	
  (OU	
  DE	
  BINGHAM)	
  
Fluidos	
  não-­‐newtonianos	
  
v  Não	
  há	
  ponto	
  de	
  cedência,	
  o	
  material	
  começa	
  a	
  fluir	
  quando	
  lhe	
  é	
  
aplicada	
  uma	
  força	
  de	
  cisalhamento;	
  
v  Com	
  o	
  aumento	
  da	
  força	
  de	
  cisalhamento,	
  a	
  velocidade	
  de	
  cisalhamento	
  
também	
  aumenta;	
  
v  A	
  viscosidade	
  diminui	
  com	
  o	
  crescimento	
  da	
  força	
  de	
  cisalhamento,	
  com	
  
a	
  qual	
  o	
  sistema	
  se	
  torna	
  mais	
  fluido;	
  
v  Uma	
  mesma	
  substância	
  pode	
  mostrar	
  comportamento	
  pseudoplástico	
  ou	
  
plástico,	
  dependendo	
  da	
  sua	
  concentração	
  ou	
  temperatura	
  (ex:	
  cremes);	
  
v  Ex:	
  dispersões	
  aquosas	
  de	
  hidrocolóides	
  naturais	
  ou	
  sintéticos,	
  tintas,	
  
emulsões	
  cremosas	
  
FLUXO	
  PSEUDOPLÁSTICO	
  
10/30/13	
  
3	
  
Fluidos	
  não-­‐newtonianos	
  
v  Viscosidade	
  aumenta	
  com	
  o	
  aumento	
  da	
  velocidade	
  de	
  cisalhamento;	
  
v  Volume	
  aumenta	
  quando	
  submetidos	
  ao	
  atrito;	
  
v  Efeito	
  reversível;	
  
v  Problemas	
  de	
  processamento	
  industrial,	
  quando	
  misturadores	
  de	
  alta	
  
velocidade	
  e	
  moinhos	
  são	
  utilizados;	
  
v  Ex:	
  dispersões	
  com	
  alta	
  concentração	
  (50%)	
  de	
  partículas	
  pequenas,	
  
defloculadas	
  (argila,	
  amido	
  de	
  milho	
  em	
  água).	
  
FLUXO	
  DILATANTE	
  
Fluidos	
  não-­‐newtonianos	
  
Comportamento	
  plástico	
  
Comportamento	
  pseudoplástico	
  
Comportamento	
  dilatante	
  
FLUXO	
  NÃO-­‐NEWTONIANO	
  
(independentes	
  do	
  tempo)	
  
Fluxo	
  newtoniano	
  
Fluidos	
  não-­‐newtonianos	
  
v  Diminuição	
  reversível	
  da	
  viscosidade	
  com	
  o	
  aumento	
  da	
  velocidade	
  de	
  
cisalhamento;	
  
v  Determinação:	
  material	
  é	
  submetido	
  a	
  velocidades	
  crescentes	
  de	
  
cisalhamento,	
  seguido,	
  imediatamente,	
  por	
  velocidades	
  decrescentes	
  de	
  
cisalhamento	
  (ex:	
  soluções	
  concentradas,	
  emulsões).	
  
	
  
Tipos	
  de	
  comportamento	
  não-­‐newtoniano	
  
(dependentes	
  do	
  tempo)	
  
TIXOTRÓPICO	
  (“MUDAR	
  PELO	
  TOQUE”)	
  
v  Comportamento	
  inverso	
  ao	
  tixotrópico;	
  
v  Aumento	
  da	
  viscosidade	
  com	
  o	
  aumento	
  da	
  velocidade	
  de	
  cisalhamento,	
  
retornando	
  a	
  viscosidade	
  inicial	
  quando	
  esta	
  força	
  cessa	
  (ex:	
  argila	
  de	
  
bentonita).	
  
	
  
REOPÉXICO	
  
Determinação	
  das	
  propriedades	
  de	
  fluxo:	
  
Viscosímetros	
  capilares:	
  Viscosímetro	
  de	
  Ostwald	
  ou	
  Viscosímetro	
  de	
  
	
   	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Ubbelohde	
  
	
  	
  v  Velocidade	
  de	
  escoamento	
  sob	
  influência	
  da	
  gravidade	
  ou	
  de	
  uma	
  
pressão	
  aplicada	
  
Viscosímetro	
  de	
  queda	
  de	
  esfera:	
  viscosímetro	
  de	
  Höppler	
  
v  Lei	
  de	
  Stokes:	
  “Quando	
  um	
  corpo	
  cai	
  por	
  um	
  meio	
  viscoso	
  ele	
  sente	
  a	
  
resistência	
  ou	
  arraste	
  viscoso	
  que	
  se	
  opõe	
  ao	
  movimento	
  de	
  queda”	
  
Fluidos	
  Newtonianos	
  
Viscosímetros	
  rotatórios:	
  cilindros	
  
concêntricos	
  e	
  cone	
  e	
  prato	
  
Fluidos	
  Não-­‐newtonianos	
  
v  Arraste	
  viscoso	
  exercido	
  por	
  um	
  corpo	
  
quando	
  ele	
  é	
  girado	
  em	
  um	
  fluido