Evaporação

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 4697 (2022) Citar este artigo

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As propriedades de fluxo extensional de soluções poliméricas em solventes voláteis governam muitos processos de revestimento industrialmente relevantes, mas a instrumentação existente carece do ambiente necessário para controlar a evaporação. Para mitigar a evaporação durante as medições de reologia extensional por gotejamento no substrato (DoS), desenvolvemos uma câmara para envolver a amostra em um ambiente saturado com vapor de solvente. Validamos o dispositivo DoS controlado por evaporação medindo um modelo de óxido de polietileno (PEO) de alto peso molecular em vários solventes orgânicos dentro e fora da câmara. A evaporação aumentou substancialmente o tempo de relaxamento extensional \(\lambda _{E}\) para PEO em solventes voláteis como diclorometano e clorofórmio. As soluções de PEO/clorofórmio exibiram um aumento de mais de 20 vezes em \(\lambda _{E}\) devido à formação de um filme superficial induzido pela evaporação; os estudos de evaporação confirmaram as características da superfície e a formação de película que lembram as instabilidades de flambagem comumente observadas na secagem de soluções poliméricas. Finalmente, os tempos de relaxação de soluções semi-diluídas de PEO/clorofórmio foram medidos com controle ambiental, onde \(\lambda _{E}\) escalou com concentração pelo expoente \(m=0,62\). Essas medições validam o ambiente DoS controlado por evaporação e confirmam que o clorofórmio é um bom solvente para PEO, com um expoente de Flory de \(\nu =0,54\). Nossos resultados são os primeiros a controlar a evaporação durante a reologia extensional DoS e fornecem diretrizes que estabelecem quando o controle ambiental é necessário para obter parâmetros reológicos precisos.

Os fluxos extensionais desempenham um papel importante na transferência1, deposição e quebra de fluidos voláteis de baixa viscosidade em processos industriais, desde revestimento2,3 e impressão a jato de tinta4,5 até injeção de combustível6. Fluxos complexos como forward roll coating3 e spraying7,8 geram gotas por meio da extensão e quebra de filamentos. Solventes orgânicos voláteis são frequentemente usados ​​nesses processos industriais para dissolver os componentes da formulação e facilitar a secagem dos revestimentos uma vez depositados9,10,11. Além dos parâmetros de processamento aplicados, a viscoelasticidade do fluido e as propriedades reológicas extensionais correspondentes determinam a fração do fluido que se divide em gotículas, as escalas de tempo para a quebra e a distribuição do tamanho das gotículas7. Esses parâmetros reológicos podem, portanto, ser usados ​​para quantificar a capacidade de revestimento e capacidade de pulverização de soluções macromoleculares12,13,14, que quando combinadas com a taxa de evaporação do solvente, determinam em grande parte a qualidade do revestimento15. Embora propriedades como a viscosidade de cisalhamento zero desempenhem um papel no governo desses fluxos, contrapartes como a viscosidade extensional determinam a quebra final das gotículas de fluido. Além disso, a viscosidade extensional em soluções poliméricas diluídas é muitas vezes maior do que a viscosidade de cisalhamento2,16, uma propriedade que pode ser prejudicial em aplicações de revestimento e impressão. Como os fluxos extensionais transmitem deformações que interrompem a estrutura de elementos fluidos complexos como bobinas de polímero mais substancialmente do que nos fluxos de cisalhamento análogos17,18, a reologia extensional também pode ser mais indicativa de desempenho em processos de revestimento para fluidos de baixa viscosidade. A prevalência do fluxo extensional em processos industriais e seu forte impacto na conformação do polímero torna a reologia extensional particularmente útil na medição de propriedades materiais fundamentais de fluidos complexos e na orientação da formulação de amostras antes do aumento de escala.

Parâmetros reológicos como viscosidade extensional e tempo de relaxação (\(\lambda _{E}\)) que são úteis na caracterização desses fluxos não podem ser previstos apenas pelo comportamento de cisalhamento2,19. Embora o fluxo extensional uniaxial possa ser gerado por um dispositivo microfluídico20 ou um jato16,21, ambas as técnicas usam dispositivos fabricados sob medida, exigindo conhecimento a priori das propriedades do fluido, como a viscosidade extensional, para determinar as taxas de extensão que ocorrem. A taxa de extensão de um fluido em um dispositivo microfluídico ou um jato depende do tamanho do canal ou bico personalizado21,22, portanto, a extração das propriedades do material pode ser um processo iterativo complicado. Além disso, essas técnicas geralmente produzem fluxos mistos de cisalhamento e extensional, o que torna desafiador distinguir o impacto específico do fluxo extensional.