ANÁLISE INSTRUMENTAL
APLICADA À POLÍMEROS

 

Capítulo 4: Reologia

4.5 Reometria

     A reometria consiste em técnicas experimentais para medir propriedades reológicas(relação entre tensão e taxa de cisalhamento) de polímeros fundidos. O tipo de geometria destes reômetro é chamada geometria controlável, pois as deformações impostas são sempre as mesmas para qualquer material. Exemplos de técnicas: reômetro capilar, de placas paralelas e de cone-placa.

4.5.1 Reometria Capilar

     A reometria capilar é a técnica mais utilizada para o estudo de propriedades reológicas, e consiste da medida da vazão em um tubo em função da pressão aplicada. Este fluxo é chamado capilar quando o raio do tubo é pequeno. O fluxo é parcialmente controlável, pois se apresentará como linhas paralelas longe das bordas, mas com velocidade dependendo da natureza do fluído. Devido a taxas de cisalhamento elevadas, o reômetro não obtêm o patamar  Newtoniano da curva de viscosidade, para o qual deve-se usar geometria de placas paralelas. No entanto é utilizado para medir a viscosidade do polímero em condições de processamento.

4.5.2 Equações Básicas

     A partir do repouso em um reservatório, o polímero é empurrado por um pistão através de um tubo capilar de raio Rc e comprimento Lc, onde pode-se considerar o fluxo em regime permanente de cisalhamento. Logo a tensão de cisalhamento é dada por:

         

Figura 4.9: Modelo de um reômetro

e a queda de pressão por:

onde PB é a pressão no barril e PLc a pressão na saída do capilar.

Para um fluído Newtoniano, o perfil de velocidades é parabólico dado por:

.    Onde é a velocidade média. 

Este perfil é obtido considerando um fluxo pleno, sem efeitos na entrada e saída e sem componente radial. O valor da taxa de cisalhamento na parede é:

 

Definindo viscosidade como:

Temos então:

E para fluídos não-Newtonianos, é possível obter análogas caso saiba-se a função viscosidade. Para a lei das potências temos:

   

Se fizermos um gráfico por log         e log        , teremos uma linha reta, cuja intersecção e inclinação, nos darão m e n.

4.5.3 Correção de Rabinowitsch

      Caso não haja uma relação estabelecida entra a taxa de cisalhamento e a viscosidade, esta pode ser calculada caso haja certos dados.

      Uma vez que a relação entre a taxa e tensão de cisalhamento é a viscosidade, através de dados de pressão em função da vazão, comprimento e raio do capilar, eles devem estar na curva do gráfico de log         e log      .

A taxa de cisalhamento é expressa então pela equação de Rabinowitsch:

. Onde : , e o termo é conhecido como correção de Rabinowitsch.

4.5.4 Efeitos e correções na entrada do capilar

      Na prática quando as propriedades dos polímeros são medidas, há uma queda de pressão na entrada devido a efeitos não-Newtonianos:

Para a correção desta diferença usa-se a correção de Bagley:

4.5.5 Correção de atrito do barril

      Como há um atrito entre o barril e o pistão, é necessário uma correção. Para isto mede-se a força de atrito sem o polímero, e depois efetua-se o ensaio. As forças de atrito são então decrescidas da força do ensaio.

4.5.6 Determinação da viscosidade

Em um reômetro de velocidade constante V,o polímero exerce uma força F sobre o pistão. As tensões e taxas de cisalhamento são calculadas a partir de:

    Para calcular a viscosidade realiza-se a subtração das forças de atrito, calcula-se as taxas de cisalhamento experimentais, faz-se a correção de Rabinowitsch e se necessário a correção de Begley. Então finalmente:

4.5.7 Reometria de Placas Paralelas e Cone-Placa

    Na reometria de placas paralelas e cone-placa, a medida das propriedades é feita a partir da imposição de um fluxo de arraste imposto pela rotação ou oscilação angular. É utilizado para baixas taxas de cisalhamento, sendo possível relacionarmos as suas propriedades com sua estrutura molecular.

Figura 4.10: Modelos de reometria de placas

    4.6.1 Propriedades Reológicas no Processamento

    Nos processamentos de polímeros, o material fica sujeito a vários tipos de  deformações, devido à geometria complexa dos equipamentos de extrusão e injeção. Durante a extrusão, o polímero sofre cisalhamento no interior da estrutura e elongação na matriz, o que provoca o aparecimento de tensões normais e inchamento. Também ocorrem cisalhamento e deformação em regime transiente e cisalhamento elevado no molde. A morfologia e propriedades mecânicas do polímero será determinada por estas tensões, tornando-se necessário conhecer o comportamento destes materiais durante o fluxo.

Figura 4.11: Extrusoras

    4.6.2 Extrusão

    A extrusão consiste na obtenção de produtos conformados, a partir da passagem do material polimérico através de uma matriz, e solidificando-se. O polímero acaba por tomar forma da seção transversal da matriz.

    A estrutura é simplesmente uma rosca, que empurra o polímero através de uma matriz, e é aquecida de diferentes formas, em cada parte, chamadas de Zonas. Normalmente este aumento de temperatura é dado de forma gradual, sendo adicionado como sólido na Zona 1, onde é convertido num fundido, e fundido nas Zonas 2 e 3. Os tamanhos e temperaturas de cada Zona depende do polímero a ser extrudado.

Animação 4.7: Rosca de uma extrusora

Dimensões de roscas para certos polímeros:

    4.6.3 Caracterização Reológica de Polímeros: Tipos de Instrumentos

 

    A viscosidade é medida em viscosímetros, os quais podem ser classificados em dois grupos: primário e secundário.

1) No grupo primário estão os instrumentos que realizam medidas diretas da tensão e da taxa de deformação do fluido. Instrumentos com diversos arranjos podem ser concebidos para este fim: entre eles há o de disco, o de cone-disco e o de cilindro rotativo, todos eles visando a reprodução do escoamento entre placas planas paralelas visto acima.

 

 

 

 

    Um viscosímetro do tipo é o Brookfield, muito popular pela facilidade de manuseio.

A Figura mostra um viscosímetro Brookfield e seus vários "spindles" (junto à base, à direita na figura), cada um apropriado para medir a viscosidade de fluidos em uma faixa específica: os de menor diâmetro, as maiores viscosidades; os de maior diâmetro, as menores viscosidades.

 

 

 

 

 

     Os viscosímetros do grupo secundário inferem a razão entre a tensão aplicada e a taxa de deformação por meios indiretos, isto é, sem medir a tensão e deformação diretamente.

     Nesta categoria estão o viscosímetro capilar, no qual a viscosidade é obtida por meio da medida do gradiente de pressão de um escoamento laminar em um tubo e o viscosímetro de Stokes, onde ela é determinada através de medições do tempo de queda livre de uma esfera através de um fluido estacionário.

 

Um viscosímetro de fácil manuseio é o de copo Ford, no qual a viscosidade está relacionada com o tempo de esvaziamento de um copo de volume conhecido que tem um orifício calibrado na sua base.

•O copo Ford é fornecido com um conjunto de orifícios-padrão (giglê) feitos de bronze polido;
• O orifícios de número 2, 3 e 4 são utilizados para medir líquidos de baixa viscosidade, na faixa de 20 a 310 centistokes; os de número 5, 6, 7 e 8 para líquidos de viscosidade superior a 310 cst.

 

 

 

 

 

    Os viscosímetros primários realizam medidas diretas da taxa de deformação e da tensão, e podem ser aplicados para ensaios tanto de fluidos Newtonianos como de fluidos com comportamento tensão vs deformação não-linear e/ou visco-elástico. Nos viscosímetros secundá-rios, aplicam-se somente a fluidos Newtonianos, por medirem a viscosidade indiretamente. Esta é a principal diferença entre eles.

    Outros aspectos que os diferenciam podem ser citados:

a) O volume requerido de amostra nos viscosímetros de disco e cone-disco são os menores;

b) A faixa operacional nos viscosímetros de disco e cone-disco é a maior;

c) O custo do viscosímetro de Stokes é o menor. Entretanto, é o que necessita de maior volume de fluido e só trabalha com líquidos translúcidos;

d) Pelo fato de requererem o menor volume de fluido, os viscosímetros de disco e cone-disco são os que mais facilmente se adaptam para ensaios em temperaturas diferentes da temperatura ambiente.

    4.6.3 Principais aplicações e Mercado

INDÚSTRIA DO PETRÓLEO

- Betume                

- Caldeira de óleo combustível

- Óleos claros

- Terminais de óleos

- Derivados de Petróleo

 

INDÚSTRIA QUÍMICA

 

- Fabricação de resinas de poliéster

- Resina de epóxi

- Óleos siliconizados

- Polietileno

- Reciclagem de plásticos  

- Mistura de resinas

 

INDÚSTRIA DE TINTAS

- Tintas para automóvel

- Tintas metálicas

 

QUÍMICA ORGÂNICA FINA

- Fabricação de substância química 

- Laboratório

- Fabricação de cosméticos

- Aerossóis

 

APLICAÇÃO MARÍTIMA

- Caldeira de óleo combustível

- Óleos lubrificantes

 

 

- Óleo cru

- Resíduo de destilação

- Óleos lubrificantes

- Mistura de óleos combustíveis

- Óleos aditivados

 

 

 

- Resinas para fabricação tintas

- Polímero

- Controle de polimerização

- Produção de PVC  

- Produção de policarbonato

 

 

- Tintas a base de água

- Camadas de PTFE

- Verniz

 

 

- Controle de fermentação

- Emulsões fotográficas

- Controle de viscosidade em emulsão

- Óleos hidráulicos

 

 

- Óleo combustível de alta viscosidade

- Mistura de óleo