Comportamento reológico de uma suspensão aquosa de nanoprata sob alto cisalhamento

Abstract

Estruturas com dimensão nanométrica possuem alta área superficial, e consequentemente suas características intrínsecas são potencializadas. No entanto, uma forte inclinação à aglomeração de partículas pode ser notada e evitada a partir de mecanismos protetores, como a estabilização estérica e/ou eletrostática. Portanto, o objetivo deste trabalho foi determinar o comportamento reológico de uma suspensão aquosa de nanoprata, estabilizada em um surfactante à base de aminossilano, simulando o efeito do escoamento em confinamento. Nanopartículas esféricas e bem distribuídas com tamanho médio de 21 nm e concentração de 0,0091 vol%, dispersas em uma suspensão com densidade de 0,9985 g·mL-1 a 25 ºC, foram submetidas a procedimentos de caracterização física e química. A suspensão foi investigada em 3 níveis de estabilidade, conforme determinado pelo potencial zeta: máxima (41,73 mV, pH 4,3), intermediária (10,44 mV, pH 7,4), e mínima (0,74 mV, pH 8,6). A carga superficial das nanopartículas se manteve positiva e a formação de aglomerados não foi observada. Assim, em função do recobrimento estérico das nanopartículas, somado a uma dupla camada elétrica formada pela ionização de grupos amino do surfactante, presume-se que a estabilização tenha caráter eletroestérico. Taxas de cisalhamento variando de 50 a 1000 s-1, e tensões de cisalhamento entre 0,02 e 1,20 Pa, nas temperaturas de 15, 25 e 35 ºC foram empregadas na reometria. O comportamento reológico foi mensurado para tamanhos de fenda de 100, 300, ou 500 µm e ajustou-se à lei da potência, com uma correlação de 0,9991. Uma tendência ao comportamento dilatante foi observada para o maior tamanho de fenda (500 µm). Em repouso, os grupos hidroxílicos de superfície foram bloqueados pelo recobrimento estérico das nanopartículas de prata, evitando a formação de aglomerados. Sob altas taxas de cisalhamento, interações nanopartícula-OH podem ter causado a redução do espaço intermolecular. Dessa forma, o raio equivalente foi aumentado, a mobilidade das partículas diminuída e a viscosidade da nanossuspensão elevada. O comportamento foi observado com menor intensidade em condições de confinamento a 100 µm, com diferenças de até 60% nas viscosidades mensuradas. Além disso, nos intervalos de pH avaliados, não houve variação do comportamento reológico e a viscosidade não se mostrou dependente do tempo. Ainda, com o aumento da temperatura, menores valores de viscosidade foram obtidos. Devido à natureza hidrofóbica da nanoprata estabilizada e às forças atrativas entre o nanofluido e a superfície de aço inoxidável usada nas análises de reometria, a tensão superficial média foi de 38,7 mN·m-1, com ângulo de contato médio de 71,5 º.

Abstract : Structures with nanometric dimension present large surface area and, consequently, their intrinsic characteristics are enhanced. However, a strong tendency to particle agglomeration can be noticed and avoided through protective mechanisms, such as steric and/or electrostatic stabilization. Thus, the aim of this work was to determine the rheological behavior of an aqueous suspension of nanosilver particles, stabilized with an aminosilane-based surfactant, simulating the effect of flow inside confinement. Spherical and well distributed nanoparticles with an average size of 21 nm and concentration of 0.0091 vol%, dispersed in a suspension with density of 0.9985 g·mL-1at 25 ºC, were submitted to physical and chemical characterization. Suspension was investigated in 3 stability levels, as determined by the zeta potential: high (41.73 mV, pH 4.3), medium (10.44 mV, pH 7.4), and low (0.74 mV, pH 8.6). The nanoparticles surface charges remained positive, and the formation of agglomerates was not observed. Thus, due to the high particle coating, together with the double electric layer formation by the ionization of the amino groups in the surfactant, it is presumed that the character of the stabilization was electrosteric. A shear rate ranging from 50 to 1000 s-1 and shear stress between 0.02 and 1.20 Pa, at temperatures of 15, 25 or 35 ºC, were employed in rheometry. The rheological behavior was determined for slit size of 100, 300, and 500 µm and fitted to the power law model with correlation of 0.9991. A trend to dilatant behavior was observed in the highest slit size (500 µm). At rest, the surface hydroxyl groups were blocked by the silver nanoparticles coating, preventing the formation of agglomerates. Under high shear rates, the nanoparticle-OH interaction may have caused the reduction of intermolecular space. Thus, the equivalent radius increased, the mobility of the particles decreased and the viscosity of the nanossuspension increased. The behavior was observed with lower intensity in confinement conditions at 100 µm, with differences up to 60% in the measured viscosities. Moreover, at the pH ranges evaluated, the rheological behavior presented no variations and the viscosity showed no time-dependency. Besides, with the increase in temperature, lower viscosity values were obtained. Due to the hydrophobic nature of the stabilized nanosilver and the attractive forces between the nanofluid and the stainless steel surface used in the rheometry analyzes, the average surface tension was 38.7 mN·m-1, with an average contact angle of 71.5 º.