miniatura|direita|Classificação de fluidos pela tensão de cisalhamento em função da taxa de cisalhamento: pseudoplástico, plástico de Bingham e pseudoplástico de Bingham apresentam redução da viscosidade aparente com o aumento da taxa de cisalhamento.
Na reologia, a pseudoplasticidade, também chamada de afinamento por cisalhamento, é o comportamento não newtoniano de fluidos cuja viscosidade diminui à medida que aumenta a taxa de cisalhamento. É por vezes tratada como sinônimo de comportamento pseudoplástico, e costuma ser definida de modo a excluir efeitos de viscosidade dependente do tempo, como a tixotropia.
A pseudoplasticidade é o tipo mais comum de comportamento não newtoniano dos fluidos e ocorre em muitas aplicações industriais e cotidianas. Em geral, ela não ocorre em líquidos puros de baixa massa molecular nem em soluções ideais de moléculas pequenas, como sacarose ou cloreto de sódio. É frequente em soluções de polímeros e em polímeros fundidos, assim como em fluidos complexos e suspensões como ketchup, creme chantili, sangue, tinta e esmalte para unhas.
Teorias sobre a pseudoplasticidade Os mecanismos que produzem pseudoplasticidade dependem da microestrutura do material. Sob cisalhamento, partículas, gotículas, agregados ou cadeias poliméricas podem se reorganizar de maneira que diminui a resistência ao escoamento. Em dispersões coloidais, as partículas podem mudar de orientação ou organização em resposta ao escoamento. Em sistemas poliméricos, como polímeros fundidos e em solução, as cadeias que em repouso estão emaranhadas e orientadas ao acaso podem se alongar e se alinhar com o escoamento quando a taxa de cisalhamento aumenta. Esses rearranjos reduzem as interações microestruturais que se opõem ao movimento relativo dos componentes do material.
No sangue, o afinamento por cisalhamento depende em grande parte do comportamento das hemácias. Em taxas baixas de cisalhamento, elas podem formar agregados reversíveis que elevam a viscosidade. Com o aumento da taxa, esses agregados se desfazem, e a deformação e orientação das hemácias passam a ter maior participação no comportamento reológico.
Modelo da lei de potência
miniatura|272x272px|Pseudoplasticidade em um sistema polimérico: dependência da viscosidade aparente em relação à taxa de cisalhamento. η0 é a viscosidade em cisalhamento nulo e η∞ é o platô de viscosidade em cisalhamento infinito.
Em muitos sistemas poliméricos pseudoplásticos, a curva de viscosidade apresenta um platô em taxas de cisalhamento muito baixas, no qual a viscosidade se aproxima de η0, a viscosidade em cisalhamento nulo. Em uma faixa intermediária, a viscosidade diminui com o aumento da taxa de cisalhamento. Em taxas muito altas, alguns sistemas se aproximam de um segundo platô, η∞, a viscosidade em cisalhamento infinito.
Na região em que a curva é aproximadamente linear em um gráfico log(η) por log(), o comportamento pode ser representado pela lei de potência de Ostwald e de Waele:
onde é a tensão de cisalhamento, é a taxa de cisalhamento, é o índice de consistência e é o índice de comportamento do escoamento. Os parâmetros são determinados para condições definidas, incluindo a temperatura.
A equação pode ser escrita em forma logarítmica:
A viscosidade aparente em cisalhamento simples é definida como . Substituindo a lei de potência nessa relação, obtém-se:
Para , a viscosidade aparente diminui com o aumento da taxa de cisalhamento e o comportamento é pseudoplástico. Para , o modelo se reduz ao de um fluido newtoniano, com igual à viscosidade. Para , o comportamento é dilatante, com espessamento por cisalhamento.
A lei de potência é uma aproximação para uma faixa de taxas de cisalhamento. Ela não reproduz os platôs de viscosidade em cisalhamento muito baixo ou muito alto.
Modelos de Cross e Carreau O modelo de Cross e o modelo de Carreau permitem representar curvas com limites de viscosidade em baixas e altas taxas de cisalhamento.
A equação original proposta por Cross para sistemas pseudoplásticos é:
onde é a viscosidade-limite quando a taxa de cisalhamento tende a zero, é a viscosidade-limite quando a taxa tende ao infinito e é uma constante do modelo.
Uma forma do modelo de Carreau é:
Nesse modelo, é um tempo característico e é o índice de comportamento do escoamento. Em taxas muito baixas, a viscosidade tende a . Em taxas muito altas, tende a . Entre esses limites fica a região em que ocorre o afinamento por cisalhamento.
Modelo de Herschel-Bulkley
Alguns materiais precisam superar uma tensão de escoamento antes de apresentar fluxo contínuo. O modelo de Herschel-Bulkley combina uma tensão de escoamento com uma dependência de lei de potência. Em sua forma escalar idealizada para tensões positivas:
onde é a tensão de escoamento. Para , o material apresenta afinamento por cisalhamento depois de superar essa tensão. Para , o modelo corresponde ao modelo de Bingham. Para , apresenta espessamento por cisalhamento.
Redes formadas por partículas podem produzir uma resposta desse tipo. Suspensões concentradas de polímeros hiperramificados e sílica, por exemplo, podem apresentar tensão de escoamento associada à estrutura formada pelas nanopartículas.
Relação com a tixotropia A pseudoplasticidade e a tixotropia podem ocorrer no mesmo material, mas são fenômenos distintos. Na pseudoplasticidade independente do tempo, a viscosidade em regime estacionário depende da taxa de cisalhamento. Quando a taxa aumenta, a viscosidade aparente diminui. A resposta não exige uma redução progressiva da viscosidade enquanto a taxa é mantida constante.
Na tixotropia, a resposta depende também do tempo e do histórico de cisalhamento. Sob uma tensão ou taxa de cisalhamento mantida constante, a viscosidade aparente pode diminuir gradualmente à medida que a estrutura interna do material se modifica. Quando o cisalhamento é reduzido ou interrompido, a estrutura e a viscosidade se recuperam ao longo de um intervalo de tempo. Um mesmo material pode apresentar afinamento por cisalhamento e tixotropia, o que ajudou a produzir confusão entre os dois termos na literatura.
A reopexia corresponde à resposta temporal inversa, na qual a viscosidade aumenta com o tempo sob determinadas condições de cisalhamento.
Exemplos cotidianos A tinta de parede pode apresentar comportamento pseudoplástico. Durante a aplicação com pincel ou rolo, a alta taxa de cisalhamento reduz sua viscosidade aparente e facilita o espalhamento. Quando a taxa cai depois da aplicação, a viscosidade aparente aumenta, o que ajuda a limitar gotejamentos e escorrimentos. Formulações de tinta também podem apresentar tensão de escoamento ou tixotropia.
O ketchup apresenta afinamento por cisalhamento, mas seu comportamento reológico não se limita a esse efeito. Dependendo da formulação, pode apresentar tensão de escoamento, tixotropia e propriedades viscoelásticas. O aumento da taxa de cisalhamento durante a agitação, compressão ou escoamento pelo bocal reduz sua viscosidade aparente.
O creme chantili também pode apresentar afinamento por cisalhamento. Estudos reológicos de formulações de chantili encontraram comportamento pseudoplástico acompanhado de tensão de escoamento e tixotropia.
O efeito de Kaye ocorre em certos fluidos fortemente pseudoplásticos, entre eles alguns xampus e sabonetes líquidos. Quando um jato fino atinge uma camada do mesmo líquido, forma-se uma região de alta taxa de cisalhamento e baixa viscosidade que pode desviar o fluxo e produzir um jato que emerge da superfície.
Ver também Fluido não newtoniano, grupo de fluidos que não apresentam uma relação newtoniana simples entre tensão e taxa de deformação Fluido newtoniano, fluido cuja viscosidade não varia com a taxa de cisalhamento nas condições consideradas Plástico de Bingham, modelo de material que começa a escoar depois que uma tensão limiar é superada Reologia, estudo do escoamento e da deformação da matéria Tixotropia, comportamento no qual a viscosidade depende também da duração e do histórico do cisalhamento Viscosidade, medida da resistência de um fluido ao escoamento Agente espessante, substância adicionada para aumentar a viscosidade de uma mistura Diluente, substância empregada para reduzir a viscosidade de certos materiais
Ligações externas The Great Ketchup Mystery
Categoria:Mecânica de fluidos Categoria:Reologia Categoria:Tribologia