[pt] ESCOAMENTO TRIDIMENSIONAL DE FLUIDOS TIXOTRÓPICOS EM BARRAS DE REVESTIMENTO

[en] THREE-DIMENSIONAL FLOW OF THIXOTROPIC LIQUIDS IN COATING DIES

[pt] STELIO HENRIQUE LOPES NETO

[pt] PROCESSO DE REVESTIMENTO

[pt] MODELO DE ELEMENTO FINITO 3D

[pt] TIXOTROPIA

[en] SLOT COATING

[en] 3D FINITE ELEMENT MODEL

[en] THIXOTROPY

[pt] A técnica de revestimento por fenda é amplamente utilizada na fabricação de diversos filmes funcionais, incluindo eletrodos de baterias. Para um desempenho ideal, a espessura do filme depositado sobre o substrato em movimento deve ser uniforme ao longo da direção transversal. A uniformidade do fluxo é alcançada por meio de um projeto adequado da geometria das cavidades internas da barra de revestimento. O projeto otimizado é fortemente influenciado pela reologia do líquido, que precisa ser descrita com precisão nos modelos de escoamento. O comportamento reológico de suspensões de partículas, como as encontradas no revestimento de eletrodos de baterias, é muito complexo. A viscosidade varia em ordens de magnitude com a taxa de cisalhamento, e essas suspensões exibem comportamento tixotrópico. Geralmente, os modelos de escoamento utilizados no projeto das cavidades da barra de revestimento não consideram a dependência temporal da viscosidade das suspensões de partículas, e o escoamento é descrito assumindo que a viscosidade local é apenas uma função da taxa de deformação local. Isso pode levar a uma descrição imprecisa do escoamento, uma vez que a estrutura do líquido não muda instantaneamente após uma mudança abrupta para um novo nível de tensão. Este estudo aborda o escoamento interno tridimensional de fluidos tixotrópicos. O comportamento dependente do tempo é modelado usando uma equação cinética para a fluidez do material, que é definida como o inverso da viscosidade e especifica exclusivamente o estado microscópico do material. O modelo leva em consideração os mecanismos de construção e desagregação da microestrutura, sem funções postuladas nem parâmetros auxiliares adicionais. Um modelo numérico de elementos finitos tridimensional, implementado em Python e baseado na biblioteca pré-compilada chamada Dolfin, desenvolvida dentro do projeto de código aberto FeniCs, permite uma representação realista do escoamento de fluidos tixotrópicos em geometrias complexas, como as presentes nas cavidades internas das barras de revestimento por fenda. Os resultados mostram o efeito da tixotropia no comportamento do escoamento e como ela deve ser incluída no projeto de barras de revestimento usadas para revestir suspensões de partículas.

[en] Slot coating is largely used in the manufacturing of different functional films, including battery electrodes. For optimum performance, the thickness of the film deposited over the moving substrate must be uniform along the cross-web direction. The flow uniformity is achieved by properly designing the geometry of the internal cavities of the coating die. The optimized design is strongly influenced by the liquid rheology, which needs to be accurately described in the flow models. The rheological behavior of particle suspensions, as those encountered in slot coating of battery electrodes, is very complex. The viscosity varies orders of magnitude with the shear rate, and they show thixotropic behavior. Usually, flow models used in the design of slot die cavities do not take into account the time dependency of particle suspensions and the flow is described assuming that the local viscosity is only a function of the local deformation rate. This can lead to inaccurate description of the flow, since the liquid structure does not change instantaneously after a step change to a new stress level. This study addresses the three-dimensional internal flow of thixotropic fluids. Time-dependent behavior is modeled using a kinetic equation for the material fluidity, which is defined as the reciprocal of viscosity, and specifies uniquely the material microscopic state. The model accounts for the mechanisms of buildup and breakdown of the microstructure with no postulated functions nor additional auxiliary parameters. A 3D finite element numerical model, implemented in Python, based on the precompiled library named Dolfin, developed within the open-source project FeniCs, allows for a realistic representation of thixotropic fluid flow in complex geometries, such as those present in the internal cavities of slot coating dies. The results show the effect of thixotropy in the flow behavior and how they should be included in the design of slot dies used for coating particle suspensions.

MARCIO DA SILVEIRA CARVALHO

SERGIO SANTIAGO RIBEIRO

FLORIAN ALAIN YANNICK PRADELLE

MARCIO DA SILVEIRA CARVALHO

SERGIO SANTIAGO RIBEIRO

PAULO ROBERTO DE SOUZA MENDES

FLORIAN ALAIN YANNICK PRADELLE

JAEWOOK NAM

2025-04-29

2025-02-18

[pt] TEXTO

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INGLÊS

https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=70184@1

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https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.70184