Reologia interfacial
Uma interface é a superfície de contato entre duas fases imiscíveis (por exemplo, a interface água-óleo). O sistema de reologia interfacial (IRS) mede as propriedades reológicas de uma camada interfacial entre dois líquidos ou entre um líquido e um gás, como o ar. Ele permite investigar os efeitos de diferentes tensoativos na estabilidade da camada interfacial (por exemplo, em formulações de emulsões ou espumas e na estabilização de gotículas) e realizar medições reológicas mesmo em estruturas interfaciais muito frágeis.
Contexto
Quando acoplado a um reômetro MCR, o IRS permite realizar medições reológicas bidimensionais de filmes interfaciais em interfaces ar/líquido e líquido/líquido.
Nessas medições, a tensão de cisalhamento é expressa como tensão de cisalhamento interfacial, τs, com [τs] = Pa·m. A viscosidade é então expressa como viscosidade de cisalhamento interfacial, ηs, de acordo com a relação: τs = ηs · γ. A viscosidade de cisalhamento interfacial é expressa em [ηs] = Pa·s·m = N·s/m ou em poise de superfície.
Um sistema de medição específico é posicionado na interface para medir filmes absorvidos ou espalhados (por exemplo, filmes formados por proteínas ou tensoativos).
As duas principais geometrias de medição utilizadas na reologia interfacial são:
- Geometria de bicone:
- medição em interfaces líquido-líquido (água-óleo) e interfaces água-ar
- Campo de cisalhamento bem definido
- Medição de altas viscosidades
- Anel de parede dupla (DWR):
- medição em interfaces líquido-gás (ar); medições em interfaces líquido-líquido (água-óleo) também são possíveis, com restrições
- Campo de cisalhamento bem definido
- Baixa influência da subfase (alto número de Boussinesq)
Observação: a reologia de cisalhamento interfacial só é significativa quando há um filme na interface. Existem dois métodos gerais para formar filmes interfaciais: espalhamento ou absorção.
Filmes espalhados(principalmente para tensoativos de baixa massa molar) podem ser preparados da seguinte forma:
- Dissolver em um solvente para espalhamento (por exemplo, hexano, etanol ou clorofórmio)
- Espalhar diretamente sobre a superfície da água com uma microsseringa
- Aguardar a evaporação completa do solvente
- Verter a fase oleosa sobre o filme de tensoativo
Filmes absorvidos(por exemplo, camadas interfaciais de proteínas) são formados por absorção da fase volumétrica para a interface. Isso pode ser realizado da seguinte forma:
- Dissolver as proteínas em água destilada
- Verter cuidadosamente a fase oleosa sobre a solução aquosa de proteínas
O IRS combina o MCR com a geometria de bicone ou DWR e permite medições de reologia interfacial mesmo em estruturas interfaciais extremamente frágeis. Além disso, a geometria de bicone permite medir viscosidades interfaciais elevadas.
Ensaios reológicos padrão geram os dados brutos, a partir dos quais as propriedades interfaciais podem então ser calculadas. No pós-processamento, a análise hidrodinâmica do campo de escoamento subtrai as contribuições da fase volumétrica e da fase de cobertura e calcula as propriedades interfaciais relevantes da camada interfacial medida. As medições podem ser realizadas nos modos rotacional e oscilatório, permitindo, por exemplo, obter curvas de fluxo, realizar ensaios de fluência em uma camada interfacial ou conduzir ensaios oscilatórios durante a formação do filme.
Elementos de Peltier controlam a temperatura na faixa de 5 °C a 70 °C; o sensor patenteado de força normal integrado ao mancal de ar do reômetro MCR permite o posicionamento preciso de qualquer geometria na interface.
Ensaios típicos de reologia interfacial incluem:
- Ensaios em função do tempo para monitorar a formação do filme interfacial
- Curvas de fluxo
- Varreduras de amplitude
- Varreduras de frequência
Aplicações típicas:
- Alimentos: emulsões e espumas
- Produtos de consumo: emulsões, espumas e tensoativos
- Indústria farmacêutica: encapsulação e liberação de fármacos
- Indústria do petróleo: tensoativos, redutores de arraste e sistemas água-óleo
- Monocamadas de Langmuir: filmes na interface água-ar
Exemplo de medição
A figura a seguir ilustra uma medição representativa das propriedades reológicas interfaciais da crema do café. Ela mostra a formação do filme da mesma amostra de café em três concentrações diferentes. Com deformação e frequência constantes, é possível acompanhar a adsorção e a formação de uma rede dos componentes tensoativos na interface líquido/ar. Em concentrações mais altas, o filme passa a apresentar elasticidade em menos tempo. Na menor concentração, os módulos continuam aumentando por mais tempo e ainda não atingem um platô ao final do experimento. Isso indica que, quanto maior a concentração de pó de café, mais rapidamente o filme se forma.
