Curva de fluxo de viscosidade – Parte 1

Por que medir uma curva de fluxo de viscosidade, em vez de apenas fornecer um número?

Com bastante frequência, os químicos são solicitados a fornecer um único valor de viscosidade para um produto ou formulação sem muita informação sobre as condições necessárias para a medição.  Para um óleo ou líquido de baixa viscosidade que seja Newtoniano, isso é relativamente simples, desde que seu viscosímetro esteja devidamente calibrado e a temperatura de medição seja fornecida. No entanto, a maioria dos fluidos complexos ou de interesse industrial, como soluções de polímeros, suspensões e emulsões, são não-Newtonianos, o que significa que sua viscosidade varia com a taxa de cisalhamento – taxa de cisalhamento sendo a velocidade com que uma força de cisalhamento é aplicada – e também pode ser dependente do tempo (tixotrópico).  Portanto, para amostras que são sensíveis ao cisalhamento ou ao tempo, algumas perguntas adicionais precisam ser feitas para se obter os dados requeridos.

Como era de se esperar, diminuir a viscosidade torna um líquido mais fácil de bombear e espalhar, enquanto aumentá-la reduz gotejamento – potencialmente uma vantagem para produtos como tinta e tinta de impressão. Alta viscosidade também pode fornecer a estrutura necessária para suspender partículas em medicamentos, produtos de higiene pessoal e bebidas. Garantir que a viscosidade de um produto esteja intimamente alinhada com os requisitos de uso final é uma estratégia valiosa para aumentar o valor do produto e atender às expectativas dos consumidores.

A maioria dos fluidos complexos são afinadores por cisalhamento, ou seja, sua viscosidade diminui com o aumento da taxa de cisalhamento, embora certos sistemas, como suspensões muito concentradas, possam exibir espessamento por cisalhamento, um aumento na viscosidade a altas taxas de cisalhamento. Isso significa que só podemos alinhar com sucesso a viscosidade de uma formulação com os requisitos de desempenho se a medirmos sob as condições de cisalhamento aplicadas durante o uso do produto.

Definindo um intervalo de medição

A chave aqui é fornecer resultados relevantes em vez de apenas um número arbitrário…  Por exemplo, a 20°C, a maionese tem uma viscosidade de 500.000 mPas ou cP a uma taxa de cisalhamento de 0,1 s^-1, enquanto a 100 s^-1 a viscosidade cai para cerca de 2.000 mPas, então a viscosidade é muito dependente da taxa de cisalhamento que experimenta.  Em muitos processos, um material passa por uma faixa de taxas de cisalhamento. Por exemplo, ao bombear,  o material é primeiro sugado para dentro da bomba com cisalhamento moderadamente baixo, então sofre cisalhamento alto ao passar pela lâmina da bomba, e então cisalhamento mais baixo novamente ao sair.  Portanto, para simular todo o processo de bombeamento, seria necessário medir ao longo de uma faixa bastante ampla de taxas de cisalhamento (ou seja, 1 a 1.000 s^-1).

Trecho útil:

O termo “Taxa de Cisalhamento” descreve a taxa de fluxo de cisalhamento que uma amostra experimenta por unidade de volume, enquanto o termo “Tensão de Cisalhamento” descreve a força de cisalhamento que uma amostra experimenta por unidade de volume.

É importante notar que a taxa de cisalhamento não depende apenas da velocidade do fluido, mas das dimensões do fluido sendo cisalhado; assim, no caso do fluxo em tubos, tanto a taxa de fluxo quanto o diâmetro do tubo são importantes e isso pode ser calculado [1]. Também vale a pena pensar sobre a origem do pedido de viscosidade; é apenas como um parâmetro de controle de qualidade sendo solicitado, ou a informação é necessária para resolver um problema de processo, por exemplo? Se estivermos considerando um problema de iniciar o fluxo em um gasoduto, por exemplo, a viscosidade em baixa taxa de cisalhamento ou a tensão de escoamento podem ser o valor mais relevante a citar, enquanto se estivermos considerando taxas de fluxo constantes em tubos estreitos, então um cisalhamento mais alto seria melhor usar.

Como você pode ver na tabela acima, diferentes processos têm uma variedade de taxas de cisalhamento associadas a eles em vez de apenas uma taxa única, e um único produto pode ser exposto a muitos desses diferentes processos durante seu ciclo de vida.

Ainda que um único valor de viscosidade possa ser suficiente em alguns casos (feito na taxa de cisalhamento correta), a maioria dos produtos requer mais informações sobre viscosidade à medida que experimentam uma faixa de taxas de cisalhamento, criando a necessidade de gerar uma curva de fluxo de equilíbrio.  Da mesma forma, a temperatura do processo precisa ser considerada ao fazer uma medição de viscosidade, pois este é um fator crítico.  Como regra geral, sistemas à base de água reduzem em cerca de 2%/°C, enquanto sistemas à base de óleo reduzem em viscosidade cerca de 10%/°C com o aumento da temperatura, então, no último caso, um bom controle de temperatura pode ser crítico.

Simulando um processo de cisalhamento em um reômetro rotacional

Cisalhando um material em uma configuração geométrica de dimensões conhecidas (por exemplo, cone e placa, placas paralelas ou um copo e bobe) em um reômetro rotacional, é possível simular diretamente as taxas de cisalhamento e tensões de regimes de fluxo mais complexos, como aqueles experimentados em um misturador ou em um processo de revestimento.  Isso nos dá a capacidade de simular diretamente processos relacionados à produção, armazenamento e condições de uso final em um ambiente muito controlado usando pequenas quantidades de amostra e nos permite comparar diferentes produtos e formulações fácil e rapidamente.

Além disso, se inicialmente definirmos uma faixa de viscosidade aceitável medindo uma curva de fluxo para um produto que se saiba performar bem, por exemplo, ter boa estabilidade, bombear de forma aceitável, etc., isto pode fornecer um valor de viscosidade alvo ou uma faixa para os formuladores ou engenheiros de processo almejarem.  A viscosidade do produto é útil de se conhecer em muitas partes da formulação, produção e uso final, como ilustrado abaixo.

Usando um reômetro com ampla faixa de velocidade e torque, como o Kinexus, é possível não apenas medir viscosidades em uma ampla faixa de taxas de cisalhamento, mas potencialmente conseguir isso em uma única medição, fornecendo informações sobre armazenamento, processamento e uso final simultaneamente!

Em meu próximo blog, abordaremos como medir melhor uma curva de fluxo, incluindo qual geometria de medição usar e como identificar e prevenir artefatos de medição.

1. Nota de Aplicação da Malvern Instruments – Processamento de produtos não-Newtonianos: Determinando a perda de pressão para um fluido de lei de potência ao longo de um tubo circular reto

Conteúdo Relacionado

• Curva de Fluxo de Viscosidade – Parte 2. Seleção de Geometria e Evitando Artefatos.
• Hora de atualizar? As cinco principais razões para substituir um viscosímetro por um reômetro
• Demonstração na sua mesa: Reômetro rotacional Kinexus
• Reologia explicada parte 1 – fluxo e viscosidade
• Viscosidade na Malvern Panalytical