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Título: Rheological behavior and microstructural mechanisms in non-colloidal suspensions across newtonian and non-newtonian matrices: microscopic and macroscopic relationship
Título(s) alternativo(s): Comportamento reológico e mecanismos microestruturais em suspensões não coloidais em matrizes newtonianas e não newtonianas: relação microscópica e macroscópica
Autor(es): Quitian Ardila, Luis Humberto
Orientador(es): Franco, Admilson Teixeira
Palavras-chave: Reologia
Suspensões (Química)
Fluidos não-newtonianos
Microestrutura
Viscoelasticidade
Goma xantana
Rheology
Suspensions (Chemistry)
Non-Newtonian fluids
Microstructure
Viscoelasticity
Xanthan gum
Soft condensed matter
Data do documento: 29-Mai-2026
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: ARDILA, Luis Humberto Quitian. Rheological behavior and microstructural mechanisms in non-colloidal suspensions across newtonian and non-newtonian matrices: microscopic and macroscopic relationship. 2026. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2026.
Resumo: Compreender como as interações microscópicas entre partículas se traduzem em comportamento reológico macroscópico continua sendo um desafio central na reologia de suspensões não coloidais. Este trabalho propõe uma abordagem experimental unificada para investigar como propriedades das partículas — tamanho, forma, rugosidade e concentração — interagem com a microestrutura de diferentes matrizes fluídas. Para isso, foram estudadas suspensões modelo em goma xantana, Carbopol e Laponita, utilizando sistemas de partículas idênticos para desacoplar os efeitos da fase dispersa e da matriz. Os resultados mostram que a concentração de partículas controla a transição entre regimes reológicos, afetando viscosidade, propriedades viscoelásticas e comportamento de escoamento. No entanto, os mecanismos físicos dessas transições dependem fortemente da matriz. Em sistemas pseudoplásticos, observa-se acoplamento mediado pelo polímero; em géis viscoplásticos, a presença de partículas pode reforçar ou desestruturar a rede; e em sistemas tixotrópicos, influencia a cinética de evolução estrutural. De forma geral, partículas menores intensificam interações partícula-matriz, aumentando a resposta elástica, enquanto maiores concentrações promovem maior conectividade estrutural e favorecem o surgimento de tensão de escoamento. Ainda assim, não há um modelo reológico universal, pois os mecanismos dominantes são governados pela microestrutura da fase contínua. Este trabalho estabelece, portanto, um arcabouço físico dependente da matriz que relaciona estrutura microscópica e resposta macroscópica em suspensões não coloidais.
Abstract: Understanding how microscopic particle interactions translate into macroscopic rheological behavior remains a central challenge in non-colloidal suspensions. This work proposes a unified experimental approach to investigate how particle properties—size, shape, surface roughness, and concentration—interact with the microstructure of different fluid matrices. Model suspensions were prepared using xanthan gum, Carbopol, and Laponite, with identical particle systems to decouple particle-induced effects from matrix-controlled mechanisms. The results show that particle concentration governs transitions between rheological regimes, affecting viscosity, viscoelastic properties, and flow behavior. However, the underlying physical mechanisms strongly depend on the matrix. In pseudoplastic systems, particle addition promotes polymer-mediated coupling; in viscoplastic gels, particles can either reinforce or disrupt the network; and in thixotropic systems, they influence structural evolution and aging kinetics. Overall, smaller particles enhance particle–matrix interactions, increasing elastic contributions, while higher concentrations promote structural connectivity and yield stress behavior. No universal rheological model describes all systems, as stress transmission is governed by the intrinsic microstructure of the continuous phase. This work establishes a matrix-dependent framework linking microstructure to macroscopic rheological response in non-colloidal suspensions.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/40722
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