Suspension mechanics: I. Inertial and non-Newtonian migration of neutrally buoyant rigid spheres in two-dimensional unidirectional flows; II. The effect of viscoelasticity on the creeping motion of a train of neutrally buoyant Newtonian drops through a circular tube

The lateral migration of neutrally buoyant rigid spheres in two-dimensional unidirectional flows was studied theoretically. The cases of both inertia-induced migration in a Newtonian fluid and normal stress-induced migration in a second-order fluid were considered. Analytical results for the lateral velocities were obtained, and the equilibrium positions and trajectories of the spheres compared favorably with the experimental data available in the literature. The effective viscosity was obtained for a dilute suspension of spheres which were simultaneously undergoing inertia-induced migration and translational Brownian motion in a plane Poiseuille flow. The migration of spheres suspended in a second-order fluid inside a screw extruder was also considered.

The creeping motion of neutrally buoyant concentrically located Newtonian drops through a circular tube was studied experimentally for drops which have an undeformed radius comparable to that of the tube. Both a Newtonian and a viscoelastic suspending fluid were used in order to determine the influence of viscoelasticity. The extra pressure drop due to the presence of the suspended drops, the shape and velocity of the drops, and the streamlines of the flow were obtained for various viscosity ratios, total flow rates, and drop sizes. The results were compared with existing theoretical and experimental data.

Avaliação das propriedades de barreira a gases de membranas obtidas a partir de dispersões aquosas à base de poliuretanos e argila

Materiais nanoestruturados têm recebido destaque na comunidade científica, destacando-se, dentre eles, os nanocompósitos à base de polímeros e argila. Quando esses materiais são obtidos no estado líquido, ressalta-se também o uso de água em substituição a solventes orgânicos, devido a questões ambientais. Neste trabalho foram sintetizadas dispersões aquosas à base de poliuretanos (WPUs) e argila hidrofílica do tipo montimorilonita (MMT) de natureza sódica, com o objetivo de avaliar as propriedades de barreira a gases conferidas pela presença de argila e pela variação nas proporções entre os segmentos flexíveis poli(glicol propilênico) (PPG) e o copolímero em bloco à base de poli(glicol etilênico) e poli(glicol propilênico) (EG-b-PG). Os monômeros empregados na síntese foram: poli(glicol propilênico) (PPG); copolímero em bloco à base de poli(glicol etilênico) e poli(glicol propilênico) (EG-b-PG), com teor de 7% de EG; ácido dimetilolpropiônico (DMPA), diisocianato de isoforona (IPDI) e etilenodiamina (EDA), como extensor de cadeia. Foram sintetizadas dispersões aquosas com e sem a presença de argila, fixando-se a razão entre o número de equivalentes-grama de grupos diisocianato e hidroxila (razão NCO/OH) em 1,5. Nas formulações foi variado também o teor de argila em relação à massa de prepolímero em 0,5% e 1%. Foi adicionada uma etapa de agitação adicional com dispersor Turrax em algumas formulações. A argila foi previamente deslaminada em água deionizada e incorporada à formulação na etapa da dispersão do prepolímero. As dispersões foram avaliadas, quanto ao teor de sólidos totais, tamanho médio de partícula e viscosidade aparente. Os filmes vazados a partir das dispersões foram caracterizados por espectrometria na região do infravermelho (FTIR) e permeabilidade ao CO2. A resistência térmica dos filmes foi determinada por termogravimetria (TG). Foram observadas modificações nas propriedades dos filmes obtidos com a inserção da argila e com a variação no teor de segmentos à base de poli(glicol etilênico). A inserção da argila promoveu uma melhoria na resistência térmica das membranas bem como uma redução na permeabilidade das mesmas. Foi observado um aumento na permeabilidade das membranas obtidas a partir das formulações com maior percentual de copolímero (EG-b-PG), com e sem argila.

Determinação da viscosidade de misturas assimétricas em alta pressão usando regras de mistura

O conhecimento de propriedades de transporte de misturas a diferentes pressões e temperaturas é importante em projetos, operação, controle e otimização de processos industriais. Nestes processos, frequentemente, o fluido é uma mistura binária ou multicomponente de hidrocarbonetos, como fluidos de petróleo. Propriedades experimentais de misturas, especialmente, a viscosidade absoluta como função de temperatura e pressão, podem fornecer importantes informações sobre o comportamento do fluido em diferentes composições e são usadas no desenvolvimento de modelos e correlações e na caracterização de misturas complexas. Diversas regras de mistura têm sido propostas na literatura para cálculo de viscosidade de misturas. Estas regras de mistura preveem o comportamento da mistura à pressão atmosférica usando propriedades dos componentes puros. Porém, em diversas aplicações é necessário estimar a viscosidade de misturas a altas pressões. Neste estudo, foram avaliadas regras de mistura comumente usadas como Refutas, Fator de Mistura, Índice de Mistura, Grunberg e Nissan, Kendall-Monroe e Eyring bem como Aditividade Molar, usando dados de viscosidade experimental de misturas em altas pressões. Inicialmente, foram realizadas medidas de viscosidade absoluta para a mistura altamente assimétrica de ciclohexano e n-hexadecano na faixa de temperatura entre (318,15 a 413,15) K e pressões até 62,053 MPa e, para este sistema, um modelo foi proposto para cálculo dos componentes puros para dada temperatura e pressão. Além disso, dados experimentais de viscosidade de trinta misturas cujos componentes diferem em forma, tamanho ou flexibilidade foram selecionados na literatura e modelados empregando-se regras de mistura. As viscosidades das misturas foram estimadas a partir de dados de viscosidade experimental dos componentes puros medidos nas mesmas temperaturas e pressões. A altas pressões, Refutas, Fator de Mistura e Índice de Mistura apresentaram os melhores resultados para todos os sistemas estudados. Mesmo para moléculas bastante assimétricas, Refutas, Fator de Mistura e Índice de Mistura podem ser usados.

The Equation of State and Petrogenesis of Komatiite

(1) Equation of State of Komatiite

The equation of state (EOS) of a molten komatiite (27 wt% MgO) was detennined in the 5 to 36 GPa pressure range via shock wave compression from 1550°C and 0 bar. Shock wave velocity, U_S, and particle velocity, U_P, in km/s follow the linear relationship U_S = 3.13(±0.03) + 1.47(±0.03) U_P. Based on a calculated density at 1550°C, 0 bar of 2.745±0.005 glee, this U_S-U_P relationship gives the isentropic bulk modulus K_S = 27.0 ± 0.6 GPa, and its first and second isentropic pressure derivatives, K'_S = 4.9 ± 0.1 and K"_S = -0.109 ± 0.003 GPa^-1.

The calculated liquidus compression curve agrees within error with the static compression results of Agee and Walker [1988a] to 6 GPa. We detennine that olivine (FO₉₄) will be neutrally buoyant in komatiitic melt of the composition we studied near 8.2 GPa. Clinopyroxene would also be neutrally buoyant near this pressure. Liquidus garnet-majorite may be less dense than this komatiitic liquid in the 20-24 GPa interval, however pyropic-garnet and perovskite phases are denser than this komatiitic liquid in their respective liquidus pressure intervals to 36 GPa. Liquidus perovskite may be neutrally buoyant near 70 GPa.

At 40 GPa, the density of shock-compressed molten komatiite would be approximately equal to the calculated density of an equivalent mixture of dense solid oxide components. This observation supports the model of Rigden et al. [1989] for compressibilities of liquid oxide components. Using their theoretical EOS for liquid forsterite and fayalite, we calculate the densities of a spectrum of melts from basaltic through peridotitic that are related to the experimentally studied komatiitic liquid by addition or subtraction of olivine. At low pressure, olivine fractionation lowers the density of basic magmas, but above 14 GPa this trend is reversed. All of these basic to ultrabasic liquids are predicted to have similar densities at 14 GPa, and this density is approximately equal to the bulk (PREM) mantle. This suggests that melts derived from a peridotitic mantle may be inhibited from ascending from depths greater than 400 km.

The EOS of ultrabasic magmas was used to model adiabatic melting in a peridotitic mantle. If komatiites are formed by >15% partial melting of a peridotitic mantle, then komatiites generated by adiabatic melting come from source regions in the lower transition zone (≈500-670 km) or the lower mantle (>670 km). The great depth of incipient melting implied by this model, and the melt density constraint mentioned above, suggest that komatiitic volcanism may be gravitationally hindered. Although komatiitic magmas are thought to separate from their coexisting crystals at a temperature =200°C greater than that for modern MORBs, their ultimate sources are predicted to be diapirs that, if adiabatically decompressed from initially solid mantle, were more than 700°C hotter than the sources of MORBs and derived from great depth.

We considered the evolution of an initially molten mantle, i.e., a magma ocean. Our model considers the thermal structure of the magma ocean, density constraints on crystal segregation, and approximate phase relationships for a nominally chondritic mantle. Crystallization will begin at the core-mantle boundary. Perovskite buoyancy at > 70 GPa may lead to a compositionally stratified lower mantle with iron-enriched mangesiowiistite content increasing with depth. The upper mantle may be depleted in perovskite components. Olivine neutral buoyancy may lead to the formation of a dunite septum in the upper mantle, partitioning the ocean into upper and lower reservoirs, but this septum must be permeable.

(2) Viscosity Measurement with Shock Waves

We have examined in detail the analytical method for measuring shear viscosity from the decay of perturbations on a corrugated shock front The relevance of initial conditions, finite shock amplitude, bulk viscosity, and the sensitivity of the measurements to the shock boundary conditions are discussed. The validity of the viscous perturbation approach is examined by numerically solving the second-order Navier-Stokes equations. These numerical experiments indicate that shock instabilities may occur even when the Kontorovich-D'yakov stability criteria are satisfied. The experimental results for water at 15 GPa are discussed, and it is suggested that the large effective viscosity determined by this method may reflect the existence of ice VII on the Rayleigh path of the Hugoniot This interpretation reconciles the experimental results with estimates and measurements obtained by other means, and is consistent with the relationship of the Hugoniot with the phase diagram for water. Sound waves are generated at 4.8 MHz at in the water experiments at 15 GPa. The existence of anelastic absorption modes near this frequency would also lead to large effective viscosity estimates.

(3) Equation of State of Molybdenum at 1400°C

Shock compression data to 96 GPa for pure molybdenum, initially heated to 1400°C, are presented. Finite strain analysis of the data gives a bulk modulus at 1400°C, K'_S. of 244±2 GPa and its pressure derivative, K'_OS of 4. A fit of shock velocity to particle velocity gives the coefficients of U_S = C_O+S U_P to be C_O = 4.77±0.06 km/s and S = 1.43±0.05. From the zero pressure sound speed, C_O, a bulk modulus of 232±6 GPa is calculated that is consistent with extrapolation of ultrasonic elasticity measurements. The temperature derivative of the bulk modulus at zero pressure, θK_OSθT|_P, is approximately -0.012 GPa/K. A thermodynamic model is used to show that the thermodynamic Grüneisen parameter is proportional to the density and independent of temperature. The Mie-Grüneisen equation of state adequately describes the high temperature behavior of molybdenum under the present range of shock loading conditions.

Experimental study on inertial effects in liquid-solid flows

This thesis presents experimental measurements of the rheological behavior of liquid-solid mixtures at moderate Reynolds (defined by the shear rate and particle diameter) and Stokes numbers, ranging from 3 ≤ Re ≤ 1.6 × 10³ and 0.4 ≤ St ≤ 195. The experiments use a specifically designed Couette cylindrical rheometer that allows for probing the transition from transporting a pure liquid to transporting a dense suspension of particles. Measurements of the shear stress are presented for a wide range of particle concentration (10 to 60% in volume) and for particle to fluid density ratio between 1 and 1.05. The effective relative viscosity exhibits a strong dependence on the solid fraction for all density ratios tested. For density ratio of 1 the effective viscosity increases with Stokes number (St) for volume fractions (φ) lower than 40% and becomes constant for higher φ. When the particles are denser than the liquid, the effective viscosity shows a stronger dependance on St. An analysis of the particle resuspension for the case with a density ratio of 1.05 is presented and used to predict the local volume fraction where the shear stress measurements take place. When the local volume fraction is considered, the effective viscosity for settling and no settling particles is consistent, indicating that the effective viscosity is independent of differences in density between the solid and liquid phase. Shear stress measurements of pure fluids (no particles) were performed using the same rheometer, and a deviation from laminar behavior is observed for gap Reynolds numbers above 4× 10³, indicating the presence of hydrodynamic instabilities associated with the rotation of the outer cylinder. The increase on the effective viscosity with Stokes numbers observed for mixtures with φ ≤ 30% appears to be affected by such hydrodynamic instabilities. The effective viscosity for the current experiments is considerably higher than the one reported in non-inertial suspensions.

Avaliação da influência de diferentes óleos extensores com baixo teor de policíclicos aromáticos nas propriedades da borracha à base butadieno e estireno (SBR)

O óleo extensor normalmente empregado em copolímeros à base de butadieno e estireno ( borracha SBR) da série 1712 é o extrato aromático (DAE). Nesta Dissertação, esse óleo foi substituído por óleos com baixos teores de policíclicos aromáticos em formulações de SBR. Esta substituição se deu em atendimento a Regulamentação REACH (EC No1907/2006 do Parlamento Europeu e do Conselho de 18 de Dezembro de 2006, Anexo XVII) que determina que a soma de hidrocarbonetos policíclicos aromáticos individuais (PAHs) deve ser abaixo de 10 mg/kg e o teor de benzo(a)pireno (BaP) não deve exceder 1 mg/kg. Os óleos empregados foram o extrato aromático residual tratado (TRAE) e dois óleos naftênicos de fornecedores diferentes (HN1 e HN2). As composições de SBR estendidas em DAE, TRAE, HN1 e HN2 tiveram suas propriedades térmicas avaliadas por análise termogravimétrica (TG) e calorimetria diferencial de varredura (DSC). As propriedades físicas foram determinadas por ensaios de tração, dureza, resistência à abrasão e resiliência. Foram ainda avaliadas as propriedades reométricas e reológicas, por viscosidade e relaxação Mooney, respectivamente. Ao final os resultados demonstraram que é possível a substituição do óleo extensor por quaisquer dos óleos testados sem prejuízos nas propriedades estudadas

Estudo da influência do teor de segmentos hidrofílicos na síntese de poliuretanos dispersos em água

Considerações ambientais têm aumentado a pesquisa e o desenvolvimento de sistemas poliméricos aquosos para diversos tipos de aplicações, principalmente como revestimentos. Nesta dissertação, foram sintetizadas formulações não-poluentes à base de poliuretanos dispersos em água (PUDs), com 40% de teor de sólidos, na ausência de solventes orgânicos. Os monômeros empregados foram copolímeros em bloco à base de poli(glicol etilênico) e poli(glicol propilênico) (EG-b-PG), com teor de 25% de segmento hidrofílico EG, poli (glicol propilênico) (PPG), ácido dimetilolpropiônico (DMPA), diisocianato de isoforona (IPDI) e hidrazina (HYD), como extensor de cadeia. Foram variadas as razões entre o número de equivalente-grama de grupamentos isocianato e hidroxila (NCO/OH) e a proporção em equivalente-grama de PPG e dos copolímeros em bloco (EG-b-PG). Foi observado que a incorporação de altas quantidades de copolímero dificultou a síntese dos poliuretanos dispersos em água, levando à formação de géis. O tamanho médio de partícula e a viscosidade das dispersões foram determinados. Os filmes vazados a partir dessas dispersões foram avaliados quanto à capacidade de absorção de água, resistência mecânica, termogravimetria (TG), e caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho (FTIR). As dispersões poliuretânicas produzidas se mostraram satisfatórias quando aplicadas como revestimento para madeira, metais e vidro

Dynamic characterization of micro-particle systems

Ordered granular systems have been a subject of active research for decades. Due to their rich dynamic response and nonlinearity, ordered granular systems have been suggested for several applications, such as solitary wave focusing, acoustic signals manipulation, and vibration absorption. Most of the fundamental research performed on ordered granular systems has focused on macro-scale examples. However, most engineering applications require these systems to operate at much smaller scales. Very little is known about the response of micro-scale granular systems, primarily because of the difficulties in realizing reliable and quantitative experiments, which originate from the discrete nature of granular materials and their highly nonlinear inter-particle contact forces.

In this work, we investigate the physics of ordered micro-granular systems by designing an innovative experimental platform that allows us to assemble, excite, and characterize ordered micro-granular systems. This new experimental platform employs a laser system to deliver impulses with controlled momentum and incorporates non-contact measurement apparatuses to detect the particles’ displacement and velocity. We demonstrated the capability of the laser system to excite systems of dry (stainless steel particles of radius 150 micrometers) and wet (silica particles of radius 3.69 micrometers, immersed in fluid) micro-particles, after which we analyzed the stress propagation through these systems.

We derived the equations of motion governing the dynamic response of dry and wet particles on a substrate, which we then validated in experiments. We then measured the losses in these systems and characterized the collision and friction between two micro-particles. We studied wave propagation in one-dimensional dry chains of micro-particles as well as in two-dimensional colloidal systems immersed in fluid. We investigated the influence of defects to wave propagation in the one-dimensional systems. Finally, we characterized the wave-attenuation and its relation to the viscosity of the surrounding fluid and performed computer simulations to establish a model that captures the observed response.

The findings of the study offer the first systematic experimental and numerical analysis of wave propagation through ordered systems of micro-particles. The experimental system designed in this work provides the necessary tools for further fundamental studies of wave propagation in both granular and colloidal systems.

Mean-speed measurements in two-dimensional, incompressible, fully-developed turbulent channel flow

Mean velocity profiles were measured in the 5” x 60” wind channel of the turbulence laboratory at the GALCIT, by the use of a hot-wire anemometer. The repeatability of results was established, and the accuracy of the instrumentation estimated. Scatter of experimental results is a little, if any, beyond this limit, although some effects might be expected to arise from variations in atmospheric humidity, no account of this factor having been taken in the present work. Also, slight unsteadiness in flow conditions will be responsible for some scatter.

Irregularities of a hot-wire in close proximity to a solid boundary at low speeds were observed, as have already been found by others.

That Kármán’s logarithmic law holds reasonably well over the main part of a fully developed turbulent flow was checked, the equation u/u_t = 6.0 + 6.25 log₁₀ y^ut/v being obtained, and, as has been previously the case, the experimental points do not quite form one straight line in the region where viscosity effects are small. The values of the constants for this law for the best over-all agreement were determined and compared with those obtained by others.

The range of Reynolds numbers used (based on half-width of channel) was from 20,000 to 60,000.

Estudo da correlação entre as características da matéria-prima graxa e as propriedades físico-químicas do biodiesel

A possibilidade de utilização de várias matérias graxas na produção do biodiesel nacional é um fator diferencial em relação aos outros países e requer um conhecimento mais profundo das particularidades do biodiesel obtido a partir de matérias-primas tão distintas. Neste contexto, se insere a presente pesquisa, em que se buscou estabelecer correlações entre algumas propriedades do biodiesel e a fonte oleaginosa que lhe deu origem. O biodiesel foi obtido a partir da reação de transesterificação etílica de dez diferentes matérias-primas graxas (óleos refinados de soja, arroz, canola, girassol, milho, oliva, cyclus (mistura contendo óleos de canola, milho e girassol); óleos brutos de mamona e murumuru, além de resíduo de fritura), utilizando etanolato de potássio como agente catalítico, em um reator com sistema de refluxo a 70C durante uma hora. Após purificação, foram determinadas algumas propriedades do biodiesel (massa específica, viscosidade, índice de acidez e índice de iodo) e da matéria-prima (massa específica, viscosidade, índice de acidez, índice de iodo e composição) que lhe deu origem. Os resultados obtidos nas caracterizações geraram gráficos de correlações entre os diversos parâmetros e os dados foram analisados estatisticamente pelo método de correlações canônicas. Para todas as amostras de biodiesel, os valores obtidos nas caracterizações foram compatíveis com as especificações estabelecidas pela ANP para o produto, com exceção do biodiesel de murumuru (índice de acidez elevado e viscosidade baixa) e do biodiesel de mamona (viscosidade e massa específica elevadas). Os dados estatísticos demonstram altas correlações entre o biodiesel (massa específica (87,4%), viscosidade (98,5%) e índice de acidez (82,8%)) e as matérias-primas (massa específica (92,1%) e viscosidade (99,3%)). Além disso, existe uma grande correlação entre o índice de iodo (84,5%) do biodiesel e o índice de iodo (77,2%) e a massa molar dos ésteres na faixa de C16-C18 (MMTG) presentes na matéria-prima (89,1%). Estes resultados estatísticos ratificam as observações analíticas

Copolimerização de 1,3-butadieno e alfa-olefinas com catalisadores à base de versatato de neodímio

Nesta Dissertação, foram realizadas reações de copolimerização de 1,3-butadieno com diferentes alfa-olefinas (1-hexeno, 1-octeno e 1-dodeceno) utilizando-se um sistema catalítico do tipo Ziegler-Natta ternário constituído por versatato de neodímio, hidreto de diisobutilalumínio e cloreto de t-butila. O sistema catalítico também foi avaliado em reações de homopolimerização com cada alfa-olefina. As condições reacionais, tanto da síntese do catalisador como das reações de polimerização, foram mantidas constantes. Foi estudada a influência de diferentes teores de cada alfa-olefina (1, 3, 5, 10, 20 e 30 % em relação ao 1,3-butadieno) sobre a conversão da polimerização, a microestrutura, a massa molar, as propriedades viscosimétricas e a estabilidade térmica dos polímeros obtidos. Foi avaliada, ainda, a influência do tamanho da cadeia da alfa-olefina sobre as características da polimerização. Os polímeros foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho (FTIR), cromatografia por exclusão de tamanho (SEC), viscosimetria capilar e termogravimetria (TG). A microestrutura dos polímeros, praticamente, não variou com a adição das alfa-olefinas. A massa molar numérica média (Mn) não sofreu alterações significativas, enquanto que a massa molar ponderal média (Mw) apresentou tendência ao aumento, quanto maior foi a incorporação de comonômero. A viscosidade intrínseca não apresentou uma tendência com a adição da alfa-olefina na reação, permanecendo na faixa de 2,015 a 3,557 dL/g. A estabilidade térmica do copolímero mostrou uma tendência a aumentar com a incorporação das alfa-olefinas

I. Electron spin relaxation studies of manganese(II) complexes in acetonitrile. II. Nuclear spin relaxation studies of bromine in tetrabromomanganese(II) in acetonitrile

Magnetic resonance techniques have given us a powerful means for investigating dynamical processes in gases, liquids and solids. Dynamical effects manifest themselves in both resonance line shifts and linewidths, and, accordingly, require detailed analyses to extract desired information. The success of a magnetic resonance experiment depends critically on relaxation mechanisms to maintain thermal equilibrium between spin states. Consequently, there must be an interaction between the excited spin states and their immediate molecular environment which promote changes in spin orientation while excess magnetic energy is coupled into other degrees of freedom by non-radiative processes. This is well known as spin-lattice relaxation. Certain dynamical processes cause fluctuations in the spin state energy levels leading to spin-spin relaxation and, here again, the environment at the molecular level plays a significant role in the magnitude of interaction. Relatively few electron spin relaxation studies of solutions have been conducted and the present work is addressed toward the extension of our knowledge in this area and the retrieval of dynamical information from line shape analyses on a time scale comparable to diffusion controlled phenomena.

Specifically, the electron spin relaxation of three Mn⁺²3d⁵ complexes, Mn(CH₃CN)₆⁺², MnCl₄^-2 in acetonitrile has been studied in considerable detail. The effective spin Hamiltonian constants were carefully evaluated under a wide range of experimental conditions. Resonance widths of these Mn⁺² complexes were studied in the presence of various excess ligand ions and as a function of concentration, viscosity, temperature and frequency (X-band, ~9.5 Ԍ Hz and K-band, ~35 Ԍ Hz).

A number of interesting conclusions were drawn from these studies. For the Et₄NCl-₄^-2 system several relaxation mechanisms leading to resonance broadening were observed. One source appears to arise through spin-orbit interactions caused by modulation of the ligand field resulting from transient distortions of the complex imparted by solvent fluctuations in the immediate surroundings of the paramagnetic ion. An additional spin relaxation was assigned to the formation of ion pairs [Et₄N⁺…MnCl₄^-2] and it was possible to estimate the dissociation constant for this specie in acetonitrile.

The Bu₄NBr-MnBr₄^-2 study was considerably more interesting. As in the former case, solvent fluctuations and ion-pairing of the paramagnetic complex [Bu₄N⁺…MnBr₄^-2] provide significant relaxation for the electronic spin system. Most interesting, without doubt, is the onset of a new relaxation mechanism leading to resonance broadening which is best interpreted as chemical exchange. Thus, assuming that resonance widths were simply governed by electron spin state lifetimes, we were able to extract dynamical information from an interaction in which the initial and final states are the same

MnBr₄^-2 + Br^- = MnBr₄^-2 + Br^-.

The bimolecular rate constants were obtained at six different temperatures and their magnitudes suggested that the exchange is probably diffusion controlled with essentially a zero energy of activation. The most important source of spin relaxation in this system stems directly from dipolar interactions between the manganese 3d⁵ electrons. Moreover, the dipolar broadening is strongly frequency dependent indicating a deviation between the transverse and longitudinal relaxation times. We are led to the conclusion that the 3d⁵ spin states of ion-paired MnBr₄^-2 are significantly correlated so that dynamical processes are also entering the picture. It was possible to estimate the correlation time, ^Td, characterizing this dynamical process.

In Part II we study nuclear magnetic relaxation of bromine ions in the MnBr4-2-Bu4NBr-acetonitrile system. Essentially we monitor the 79Br and 81Br linewidths in response to the [MnBr4-2]/[Br-] ratio with the express purpose of supporting our contention that exchange is occurring between "free" bromine ions in the solvent and bromine in the first coordination sphere of the paramagnetic anion. The complexity of the system elicited a two-part study: (1) the linewidth behavior of Bu4NBr in anhydrous CH3CN in the absence of MnBr4-2 and (2) in the presence of MnBr4-2. It was concluded in study (1) that dynamical association, Bu4NBr k1= Bu4N+ + Br-, was modulating field-gradient interactions at frequencies high enough to provide an estimation of the unimolecular rate constant, k1. A comparison of the two isotopic bromine linewidth-mole fraction results led to the conclusion that quadrupole interactions provided the dominant relaxation mechanism. In study (2) the "residual" bromine linewidths for both 79Br and 81Br are clearly controlled by quadrupole interactions which appear to be modulated by very rapid dynamical processes other than molecular reorientation. We conclude that the "residual" linewidth has its origin in chemical exchange and that bromine nuclei exchange rapidly between a "free" solvated ion and the paramagnetic complex, MnBr4-2.

Estudo físico-químico de copoliéteres por viscosimetria

A viscosimetria é um procedimento experimental simples e pouco oneroso, que pode fornecer informações valiosas sobre o volume hidrodinâmico e a conformação de macromoléculas em solução, num determinado solvente, em uma dada temperatura. Os parâmetros viscosimétricos podem ser matematicamente calculados por extrapolação gráfica, cuja execução experimental é mais demorada. Em contrapartida, é possível que a determinação seja feita por um único ponto. Neste trabalho, os dois métodos de cálculo, empregando uma série de seis equações: Huggins, Kraemer e Schulz-Blaschke, por extrapolação gráfica, e Schulz-Blaschke, Solomon-Ciuta e Deb-Chanterjee por um único ponto, foram utilizados em soluções de poli(glicol propilênico) (PPG) e copolímeros em bloco à base de poli(glicol propilênico) e poli(glicol etilênico) (EG-b-PG), com diferentes teores de poli(glicol etilênico), tendo isopropanol, tetra-hidrofurano (THF) e tolueno como solventes puros, além das misturas em proporções iguais de THF/ isopropanol e THF/ tolueno, a 25C. Os valores de viscosidade intrínseca e de algumas constantes indicaram que os solventes puros e as misturas se apresentaram no limite entre o bom e o mau solvente. Verificou-se também que o método de cálculo por um único ponto foi válido, especialmente quando a equação de Schulz-Blaschke foi empregada, apresentando um baixo percentual de erro sendo possível assim reduzir o tempo de análise para a maioria dos sistemas estudados

Estudo da incorporação de diferentes tipos de argilas hidrofílicas em dispersões aquosas de poliuretanos para formação de nanocompósitos

Neste trabalho foram sintetizados nanocompósitos à base de poliuretanos em dispersão aquosa (NWPUs) e argilas hidrofílicas do tipo montimorilonita (MMT) de natureza sódica e cálcica. Os monômeros empregados na síntese foram: poli(glicol propilênico) (PPG); copolímero em bloco à base de poli(glicol etilênico) e poli(glicol propilênico) (EG-b-PG), com teor de 7% de EG; ácido dimetilolpropiônico (DMPA) e diisocianato de isoforona (IPDI). Os NWPUs tiveram as argilas, previamente deslaminadas em água e incorporadas à formulação no momento da dispersão do prepolímero. Dispersões aquosas (WPUs), sem a presença de argila, foram sintetizadas como base, nas quais foram variadas a razão NCO/OH e a proporção de copolímero em relação ao PPG. Nas formulações NWPUs, foram variados também o teor de argila em relação à massa de prepolímero e o tipo de argila sódica e cálcica. As dispersões foram avaliadas, quanto ao teor de sólidos totais, tamanho médio de partícula e viscosidade. Os filmes vazados a partir das dispersões foram caracterizados por espectrometria na região do infravermelho (FTIR), difração de raios-x (XRD) e microscopia eletrônica de varredura (SEM). A resistência térmica dos filmes foi determinada por termogravimetria (TG) e a resistência mecânica dos filmes foi avaliada por ensaios mecânicos em dinamômetro. O grau de absorção de água dos filmes também foi determinado. A formação de nanocompósitos à base de água foi confirmada pela ausência do pico de XRD, característico das argilas empregadas na maioria dos filmes analisados. As micrografias obtidas por SEM confirmam uma dispersão homogênea das argilas na matriz poliuretânica. Os filmes à base de nanocompósitos (NWPUs) apresentaram propriedades superiores às apresentadas por aqueles obtidos a partir das dispersões sem argilas (WPUs). Os revestimentos formados a partir da aplicação das dispersões aderiram à maioria dos substratos testados (metal, vidro, madeira e papel) formando superfícies homogêneas

On the transport properties of fluid-particle flow

The hydrodynamic forces acting on a solid particle in a viscous, incompressible fluid medium at low Reynolds number flow is investigated mathematically as a prerequisite to the understanding of transport processes in two-phase flow involving solid particles and fluid. Viscous interaction between a small number of spherical particles and continuous solid boundaries as well as fluid interface are analyzed under a “point-force” approximation. Non-spherical and elastic spherical particles in a simple shear flow area are then considered. Non-steady motion of a spherical particle is briefly touched upon to illustrate the transient effect of particle motion.

A macroscopic continuum description of particle-fluid flow is formulated in terms of spatial averages yielding a set of particle continuum and bulk fluid equations. Phenomenological formulas describing the transport processes in a fluid medium are extended to cases where the volume concentration of solid particles is sufficiently high to exert an important influence. Hydrodynamic forces acting on a spherical solid particle in such a system, e.g. drag, torque, rotational coupling force, and viscous collision force between streams of different sized particles moving relative to each other are obtained. Phenomenological constants, such as the shear viscosity coefficient, and the diffusion coefficient of the bulk fluid, are found as a function of the material properties of the constituents of the two-phase system and the volume concentration of solid. For transient heat conduction phenomena, it is found that the introduction of a complex conductivity for the bulk fluid permits a simple mathematical description of this otherwise complicated process. The rate of heat transfer between particle continuum and bulk fluid is also investigated by means of an Oseen-type approximation to the energy equation.