Essa seção apresenta as principais geometrias de medição utilizadas em reômetros rotacionais. O Apêndice A, por sua vez, introduz conceitos experimentais de reometria, como as fórmulas de conversão entre o torque aplicado pelo motor do reômetro e a tensão de cisalhamento aplicada pelo sensor à amostra.
2.2.3.1 Sensores cônicos
Sempre que possível, deve-se dar preferência ao uso de sensores cônicos em ensaios reológicos com fluidos não newtonianos, uma vez que as taxas de deformação impostas à amostra nessa geometria são constantes ao longo do raio do sensor. A taxa de deformação varia ao longo do raio nos sensores tipo placa, sendo nula no centro da geometria e máxima nas bordas. Isso pode levar à formação das
chamadas ‗bandas de cisalhamento‘ ou shear banding. Esse fenômeno é caracterizado pela presença de uma região da amostra na qual as tensões de cisalhamento são inferiores à tensão limite de escoamento, normalmente próximas ao centro do rotor, mesmo quando as porções mais próximas às bordas já superaram a TLE e escoam livremente (ALEXANDROU et al., 2009). Se a taxa de deformação global imposta à amostra aumenta, não é a taxa de deformação na região que já superou a TLE que aumenta, mas sim a extensão dessa região que se expande, preenchendo toda a amostra exatamente na taxa de deformação crítica, que corresponde àquela em que se observa a tensão limite de escoamento (MØLLER et al., 2006).
Uma forma de reduzir o desgaste na ponta do cone é utilizar sensores com geometria de tronco de cone, como apresentado na Figura 4. Porém, esse truncamento induz erros no cálculo das taxas de deformação do sensor. Contanto que a razão entre os diâmetros do tronco de cone seja menor do que 0,2 os erros na medição não ultrapassam o limite de 1% (WHORLOW, 1980). Por outro lado, o uso de sensores cônicos deve ser evitado no caso de ensaios realizados com suspensões de partículas sólidas, a não ser que a distância mínima entre a superfície plana do tronco do cone e a placa inferior do sistema de medição seja pelo menos dez vezes maior do que a maior partícula em suspensão. Caso essas condições não sejam satisfeitas, os sólidos tendem a se acumular próximo à ponta do cone, o que pode levar a inconsistências nos resultados obtidos (NGUYEN e BOGER, 1992).
É interessante notar no detalhe da Figura 4 que a ponta truncada do cone é responsável por evitar o contato direto entre o sensor cônico e a base de medição inferior. É importante que se garanta que o ponto correspondente à ponta virtual do cone coincida com a base inferior de medição, para que as taxas de deformação na região não truncada do cone sejam constantes ao longo do raio do sensor. Além disso, nota-se que as regiões da amostra próximas ao raio externo do sensor apresentam-se levemente abauladas. Os reômetros rotacionais são calibrados de forma a realizar as medições com precisão quando o material sob análise apresenta esse perfil abaulado.
Figura 4 - Representação esquemática de uma geometria de medição cone-placa com ponta truncada
Adaptado de Schramm (1994)
2.2.3.2 Sensores tipo placa
A geometria conhecida como placas paralelas, apresentada na Figura 5, são bastante úteis na medição de propriedades de suspensões particuladas como os fluidos de perfuração. Esse tipo de sensor evita o acúmulo exagerado de partículas em um ponto específico da geometria, como acontece nos sensores cônicos. Além disso, a maior parte dos fabricantes de reômetros disponibiliza sensores ranhurados, os quais reduzem os problemas relacionados ao escorregamento de amostras, comuns em ensaios realizados a baixas taxas de deformação. Os sensores tipo placa também permitem que se varie o espaço entre a base de medição e o sensor, também chamado de espaçamento ou gap, em inglês. Isso é de grande importância para a determinação das propriedades reológicas de suspensões, uma vez que o espaçamento deve ser superior a dez vezes o tamanho da maior partícula em suspensão. A possibilidade de se ajustar o espaçamento às necessidades do ensaio também contribui para a prevenção de escorregamento da amostra, uma vez que esse fenômeno é bastante comum em ensaios realizados com espaçamentos pequenos. Em alguns casos, quando as partículas em suspensão são muito grandes, o uso de sensores tipo placa torna-se a única maneira de se realizar medições reológicas (MALVERN INSTRUMENTS, 2012).
Figura 5 – Representação esquemática de uma geometria de medição tipo placas paralelas
Adaptado de Schramm (1994)
2.2.3.3 Sensores cilíndricos
Os sensores cilíndricos ou geometria de Couette, como o apresentado na Figura 6, estão entre as geometrias mais comuns utilizadas em ensaios reológicos, e devem ser utilizados com taxas de deformação entre 1 e -1
1000 s . Esse tipo de sensor é bastante útil na medição de viscosidade de fluidos newtonianos, mas a dificuldade de realizar medições a baixas taxas de deformação faz com que o uso dessa geometria para a determinação da tensão limite de escoamento de fluidos não newtonianos seja bastante limitada (NGUYEN e BOGER, 1992).
Figura 6 - Representação esquemática da geometria de medição tipo cilindros coaxiais
2.2.3.4 Sensores tipo Vane
Sensores tipo Vane têm seção transversal semelhante a uma estrela, conforme a Figura 7. Essa geometria é bastante utilizada para a medição de tensão limite de escoamento por sua facilidade de limpeza e de fabricação. Para o cálculo das tensões de cisalhamento e taxas de deformação deve-se considerar que os sensores Vane se comportam da mesma forma que uma geometria cilíndrica com o raio equivalente ao comprimento das pás do rotor (BARNES e NGUYEN, 2001).
Yan e James (1997) estudaram numericamente o comportamento de fluidos que se comportam de acordo com os modelos de Bingham, Herschel-Bulkley e Casson em uma geometria tipo Vane com quatro pás. Nesse estudo, os autores comprovaram que o material entre as pás fica contido em um cilindro com raio semelhante ao comprimento das pás, e que há uma distribuição de tensões de cisalhamento ao longo da superfície desse cilindro imaginário, o que dá validade à hipótese de que o sensor Vane pode ser aproximado como se fosse um cilindro sólido. Dessa forma, previne-se o escorregamento de amostra nas paredes do rotor, comum nos ensaios realizados com sensores cilíndricos tradicionais.
Figura 7 - Representação de uma geometria de medição tipo Vane Fonte: Barnes e Nguyen (2001)
Assim como nos sensores ranhurados, deve-se tomar cuidado ao se conduzir ensaios reológicos com materiais pouco viscosos ou com rotações elevadas, uma
vez que essas condições podem levar ao surgimento de escoamentos secundários e vórtices nos espaços vazios entre as ranhuras dos rotores ranhurados ou entre as pás do Vane, levando a valores acima do normal para as viscosidades medidas (BARNES e NGUYEN, 2001). Por esse motivo, os testes mais comuns realizados com esses sensores são ensaios de fluência, que partem do material em repouso e têm taxas de deformação bastante reduzidas. Outra vantagem do uso de sensores
Vane é a possibilidade de se realizar ensaios com a amostra contida em seu
recipiente original, sem a necessidade de transferi-la para um copo específico de medição (SCHRAMM, 1994). Isso previne contra danos estruturais ao material resultantes do processo de transferência entre recipientes antes da medição.