Procedimentos de Calibração para Reologia de Superposição Ortogonal

Compreender as propriedades reológicas de fluidos complexos é essencial para muitas indústrias para o desenvolvimento e fabricação de produtos confiáveis e reprodutíveis¹. Esses “fluidos complexos” incluem suspensões, líquidos poliméricos e espumas que existem amplamente em nossa vida cotidiana, por exemplo, em produtos de cuidados pessoais, alimentos, cosméticos e produtos domésticos. As propriedades reológicas ou de fluxo (por exemplo, viscosidade) são quantidades-chave de interesse no estabelecimento de métricas de desempenho para uso final e processabilidade, mas as propriedades de fluxo estão interconectadas com as microestruturas que existem dentro de fluidos complexos. Uma característica proeminente dos fluidos complexos que os distingue dos líquidos simples é que eles possuem diversas microestruturas que abrangem múltiplas escalas de comprimento². Essas microestruturas podem ser facilmente afetadas por diferentes condições de fluxo, que, por sua vez, resultam em mudanças em suas propriedades macroscópicas. Desbloquear esse loop estrutura-propriedade através do comportamento viscoelástico não linear de fluidos complexos em resposta ao fluxo e à deformação continua sendo uma tarefa desafiadora para os reologistas experimentais.

A reologia da superposição ortogonal (OSP)³ é uma técnica robusta para enfrentar esse desafio de medição. Nesta técnica, um fluxo de cisalhamento oscilatório de pequena amplitude é sobreposto ortogonalmente a um fluxo primário unidirecional de cisalhamento constante, o que permite a medição simultânea de um espectro de relaxamento viscoelástico sob o fluxo de cisalhamento primário imposto. Para ser mais específico, a pequena perturbação oscilatória de cisalhamento pode ser analisada usando teorias em viscoelasticidade linear⁴, enquanto a condição de fluxo não linear é alcançada pelo fluxo primário de cisalhamento estável. Como os dois campos de fluxo são ortogonais e, portanto, não acoplados, os espectros de perturbação podem estar diretamente relacionados à variação da microestrutura sob o fluxo primário não linear⁵. Esta técnica de medição avançada oferece uma oportunidade para elucidar as relações estrutura-propriedade-processamento em fluidos complexos para otimizar sua formulação, processamento e aplicação.

A implementação da reologia OSP moderna não foi o resultado de uma epifania súbita; em vez disso, baseia-se em muitas décadas de desenvolvimento de dispositivos personalizados. O primeiro aparelho OSP feito sob medida é datado de 1966 por Simmons⁶, e muitos esforços foram feitos depois de 7,8,9,10. Esses primeiros dispositivos personalizados sofrem de muitas desvantagens, como problemas de alinhamento, o efeito de fluxo de bombeamento (devido ao movimento axial do bob para fornecer oscilação ortogonal) e limites à sensibilidade do instrumento. Em 1997, Vermant et ^al.3 modificaram o transdutor de reequilíbrio de força (FRT) em um reômetro motor-transdutor comercial separado, o que permitiu medições de OSP para fluidos com uma faixa de viscosidade mais ampla do que os dispositivos anteriores. Essa modificação permite que o transdutor de reequilíbrio de força normal funcione como um reômetro controlado por tensão, impondo uma oscilação axial, além de uma medição da força axial. Recentemente, as geometrias necessárias para medições de OSP, após a metodologia de Vermant, foram liberadas para um reômetro comercial separado motor-transdutor.

Desde o advento da reologia OSP comercial, há um interesse crescente na aplicação desta técnica para a investigação de vários fluidos complexos. Exemplos incluem suspensões coloidais^11,12, géis coloidais 13,14 e vidros^15,16,17. Embora a disponibilidade do instrumento comercial promova a pesquisa de OSP, a complicada geometria da OSP requer uma compreensão mais profunda da medição do que outras técnicas reológicas de rotina. A célula de fluxo OSP é baseada em uma geometria de cilindro concêntrico de parede dupla (ou Couette). Possui um design de topo aberto e fundo aberto para permitir que o fluido flua para frente e para trás entre as lacunas anulares e o reservatório. Apesar da otimização feita no projeto de geometria pelo fabricante, ao passar pela operação OSP, o fluido experimenta um campo de fluxo não homogêneo, efeitos finais geométricos e fluxo de bombeamento residual, todos os quais podem introduzir erros experimentais substanciais. Nosso trabalho anterior¹⁸ relatou importantes procedimentos de correção de efeito final usando fluidos newtonianos para essa técnica. Para obter resultados corretos de viscosidade, fatores de efeito final apropriados nas direções primária e ortogonal devem ser aplicados. Neste protocolo, pretendemos apresentar uma metodologia de calibração detalhada para a técnica reológica OSP e fornecer recomendações de melhores práticas para reduzir os erros de medição. Os procedimentos delineados neste artigo sobre configuração de geometria OSP, carregamento de amostras e configurações de teste OSP devem ser facilmente adotáveis e traduzidos para medições de fluidos não-newtonianos. Aconselhamos que os usuários utilizem os procedimentos de calibração descritos aqui para determinar os fatores de correção do efeito final para suas aplicações antes das medições de OSP em qualquer classificação de fluido (newtoniana ou não newtoniana). Observamos que os procedimentos de calibração para fatores finais não foram relatados anteriormente. O protocolo fornecido no presente artigo também descreve o guia passo-a-passo e dicas sobre como realizar medidas reológicas precisas em geral e o recurso técnico sobre a compreensão de dados “brutos” versus dados “medidos”, que podem ser negligenciados pelos usuários de reômetros.