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Título: Propriedades reológicas de nanofluidos com base newtoniana e não newtoniana
Título(s) alternativo(s): Rheological properties of newtonian and non-newtonian based nanofluids
Autor(es): Mello, Géssica Palaoro de
Orientador(es): Franco, Admilson Teixeira
Palavras-chave: Nanopartículas
Reologia
Silica
Grafeno
Fluidos não-newtonianos
Tixotropia
Viscosidade
Nanoparticles
Rheology
Silica
Graphene
Non-Newtonian fluids
Thixotropy
Viscosity
Data do documento: 12-Dez-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: MELLO, Gessica Palaoro de. Propriedades reológicas de nanofluidos com base newtoniana e não newtoniana. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025.
Resumo: O presente trabalho investiga de forma comparativa as propriedades reológicas de nanofluidos formulados com nanopartículas de sílica (SiO₂) e de nanoplaquetas de grafeno dispersas em bases newtonianas (óleo mineral) e não newtonianas (Carbopol® 0,15%), buscando compreender como a química superficial, a morfologia das partículas e as características físicoquímicas da matriz líquida modulam a microestrutura e o comportamento mecânico desses sistemas sob diferentes regimes de cisalhamento. A motivação decorre da importância crescente dos nanofluidos em aplicações industriais e energéticas, nas quais estabilidade coloidal, viscosidade, elasticidade e resposta transiente são determinantes para o desempenho. Foram preparados quatro sistemas de nanofluidos: óleo mineral + sílica, óleo mineral + nanoplaquetas de grafeno (com e sem cera de carnaúba), Carbopol® + sílica e Carbopol® + nanoplaquetas de grafeno, caracterizadas por reometria em regime estacionário e transiente, além de ensaios oscilatórios e análises de FTIR, complementadas por medições de potencial zeta. Os resultados revelam comportamentos microestruturais contrastantes entre as matrizes: em óleo mineral, a sílica induz a formação progressiva de estruturas conectadas capazes de sustentar elasticidade, com aumento de viscosidade, surgimento de tensão limite de escoamento e comportamento dilatante em altas taxas; já as nanoplaquetas de grafeno atuam como agente fragilizante da rede semicristalina da cera de carnaúba, reduzindo a rigidez e a coesão estrutural. No Carbopol®, ambos os nanomateriais modificam significativamente a organização interna: a sílica altera a conectividade entre domínios poliméricos de modo dependente da concentração, enquanto as nanoplaquetas de grafeno interferem na coesão estrutural, reduzindo elasticidade, viscosidade e tensão limite de escoamento. Ensaios transientes evidenciam regimes tixotrópicos ou antitixotrópicos dependendo do tipo de partícula e da matriz, indicando reorganizações sensíveis ao histórico de deformação e de tempo. As análises de FTIR corroboram os mecanismos moleculares de interação partícula–matriz e partícula–partícula, explicando as transições reológicas observadas. A integração dos resultados demonstra que a resposta reológica dos nanofluidos é governada pelo balanço entre polaridade do meio, morfologia das nanopartículas e intensidade das interações interfaciais, oferecendo subsídios para o projeto racional de sistemas avançados empregados em engenharia de fluidos, energia e processamento multifásico.
Abstract: This work presents a comparative investigation of the rheological properties of nanofluids formulated with silica (SiO₂) and graphene graphene nanoplatelets dispersed in Newtonian (mineral oil) and non-Newtonian (0.15% Carbopol®) bases, with the aim of elucidating how surface chemistry, particle morphology, and the physicochemical characteristics of the liquid matrix modulate microstructure and mechanical response under different shear regimes. The motivation stems from the growing relevance of nanofluids in industrial and energy applications, in which colloidal stability, viscosity, elasticity, and transient behavior are critical to performance. Four nanofluid systems were prepared: mineral oil + silica, mineral oil + graphene nanoplatelets (with and without carnauba wax), Carbopol® + silica, and Carbopol® graphene nanoplatelets, and characterized through steady and transient rheometry, oscillatory testing, FTIR spectroscopy, and zeta potential measurements. The results reveal markedly distinct microstructural behaviors across matrices: in mineral oil, silica promotes the gradual formation of interconnected structures capable of sustaining elasticity, accompanied by increases in viscosity, emergence of yield behavior, and shear-thickening at high shear rates; conversely, graphene nanoplatelets acts as a structural weakening agent within the semicrystalline carnauba-wax network, reducing rigidity and structural cohesion. In Carbopol® systems, both nanomaterials substantially affect the internal organization of the polymeric network: silica modifies connectivity among microgel domains in a concentration-dependent manner, whereas graphene nanoplatelets disrupts structural cohesion, leading to reductions in elasticity, viscosity, and yield stress. Transient tests reveal thixotropic or antithixotropic regimes depending on particle type and matrix, indicating structural rearrangements strongly dependent on deformation and time history. FTIR analyses corroborate the molecular mechanisms underlying particle–matrix and particle–particle interactions, providing insight into the observed rheological transitions. Overall, the findings show that the rheological response of nanofluids is governed by the interplay between medium polarity, nanoparticle morphology, and the intensity of interfacial interactions, offering a framework for the rational design of advanced systems for fluid engineering, energy applications, and multiphase processing.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/40275
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