Nova abordagem para modelagem da formação de membranas poliméricas por inversão de fases

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Padilha Júnior, Erlí José
• Orientador(a): Cardozo, Nilo Sérgio Medeiros, Tessaro, Isabel Cristina
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Membranas poliméricas; Separação de fases
• Palavras-chave em Inglês: Polymer membrane; Morphology evolution; Immersion precipitation; Phase separation; Phase-field model
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/267668

A modelagem numérica da formação de membranas poliméricas via precipitação por imersão tem importância fundamental para prever a morfologia das estruturas obtidas. Neste trabalho, uma nova abordagem do modelo de campo de fases para predizer as estruturas das membranas poliméricas foi desenvolvida, com as seguintes características pertinentes: (i) termodinamicamente consistente, por satisfazer a relação de GibbsDuhem e a restrição da fração volumétrica no cálculo da força motriz de difusão; (ii) uso de uma equação de fluxo difusivo que inclui a sua dependência com a fração volumétrica dos componentes; (iii) emprego de uma equação proposta para descrever os fenômenos de gelificação e vitrificação do polímero; (iv) utilização de uma equação para representar a cristalização do polímero. Além disso, os fluxos convectivos dos componentes foram examinados na modelagem através das equações de Navier-Stokes. A implementação desse modelo foi baseada no método de volumes finitos (FVM), utilizando uma biblioteca de código aberto, OpenFOAM. Para avaliar o modelo proposto, diversas análises foram realizadas: (i) comparação aos modelos de Doi-Onuki (DO) e de Cahn-Hilliard (CH); (ii) sensibilidade aos seus parâmetros; (iii) simplificação das equações difusivas; (iv) influência dos modelos de mobilidade mútua; (v) efeito do domínio computacional; (vi) comportamento dos fenômenos de gelificação e de vitrificação; (vii) aspectos da cristalização de polímeros; (viii) impactos dos fluxos convectivos dos componentes; (ix) comparação a estruturas de membranas experimentais. Através dessas análises, as seguintes conclusões podem ser destacadas: (i) o modelo proposto não possibilita fluxo de um componente sem que este esteja presente, como no caso do modelo CH; (ii) as diferentes mobilidades dos componentes foram respeitadas nas equações de difusão, não causando a formação de estruturas em camadas (i.e., de origem não-física), como ocorre no caso do modelo DO; (iii) o coeficiente de energia de gradiente do solvente e as mobilidades cruzadas podem ser desconsiderados; (iv) a simplificação do modelo reduz o tempo de execução das simulações e mantém as suas principais características; (v) o parâmetro de interação entre o não-solvente e o polímero tem o maior impacto nas morfologias obtidas; (vi) as diferentes abordagens de mobilidade mútua geram influência na capacidade preditiva do modelo proposto; (vi) as condições do domínio computacional e ordem de grandeza do coeficiente de energia de gradiente do polímero causam interferências nos resultados; (vii) a gelificação e a vitrificação do polímero devem ser consideradas, pois influenciam significativamente nas estruturas preditas; (viii) o modelo proposto tem a capacidade de simular diferentes morfologias cristalinas; (ix) foi possível acoplar adequadamente as equações de difusão dos componentes e de cristalização do polímero; (x) os fluxos convectivos dos componentes influenciam a dinâmica de separação de fases; (xi) os resultados numéricos apresentaram boa concordância com as estruturas das membranas poliméricas experimentais.