Using a strain-controlled rheometer [Rheometrics Dynamic Analyzer (RDA II)], the steady shear flow properties of a semi-solid ointment base (vaseline) have been measured over a wide range of shear rates at temperature range of $25{\sim}60^{\circ}C$. In this article, the steady shear flow properties (shear stress, steady shear viscosity and yield stress) were reported from the experimentally obtained data and the effects of shear rate as well as temperature on these properties were discussed in detail. In addition, several inelastic-viscoplastic flow models including a yield stress parameter were employed to make a quantitative evaluation of the steady shear flow behavior, and then the applicability of these models was examined by calculating the various material parameters (yield stress, consistency index and flow behavior index). Main findings obtained from this study can be summarized as follows : (1) At temperature range lower than $40^{\circ}C$, vaseline is regarded as a viscoplastic material having a finite magnitude of yield stress and its flow behavior beyond a yield stress shows a shear-thinning (or pseudo-plastic) feature, indicating a decrease in steady shear viscosity as an increase in shear rate. At this temperature range, the flow curve of vaseline has two inflection points and the first inflection point occurring at relatively lower shear rate corresponds to a static yield stress. The static yield stress of vaseline is decreased with increasing temperature and takes place at a lower shear rate, due to a progressive breakdown of three dimensional network structure. (2) At temperature range higher than $45^{\circ}C$, vaseline becomes a viscous liquid with no yield stress and its flow character exhibits a Newtonian behavior, demonstrating a constant steady shear viscosity regardless of an increase in shear rate. With increasing temperature, vaseline begins to show a Newtonian behavior at a lower shear rate range, indicating that the microcrystalline structure is completely destroyed due to a synergic effect of high temperature and shear deformation. (3) Over a whole range of temperatures tested, the Herschel-Bulkley, Mizrahi-Berk, and Heinz-Casson models are all applicable and have an almostly equivalent ability to quantitatively describe the steady shear flow behavior of vaseline, whereas the Bingham, Casson,and Vocadlo models do not give a good ability.
Polypropylene/layered silicate nanocomposites containing maleic anhydride grafted polypropylene were prepared by melt compounding and their rheological behavior was investigated in shear flow. Transient and steady shear flows were simulated numerically by using the K-BKZ integral constitutive equation along with experimentally determined damping functions under dynamic oscillatory and step strain shear flows. Nonlinear shear responses were predicted with the K-BKZ constitutive equation using two different damping functions such as the Wagner and PSM models. It was observed that PP-g-MAH compatibilized PP/layered silicate nanocomposites have stronger and earlier shear thinning and higher steady shear viscosity than pure PP resin or uncompatibilized nanocomposites at low shear rate regions. Strong damping behavior of the PP/layered silicate nanocomposite was predicted under large step shear strain and considered as a result of the strain-induced orientation of the organoclay in the shear flow. Steady shear viscosity of the pure PP and uncompatibilized nanocomposite predicted by the K-BKZ model was in good agreement with the experimental results at all shear rate regions. However, the model was inadequate to predict the steady shear viscosity of PP-g-MAH compatibilized nanocomposites quantitatively because the K-BKZ model overestimates strain-softening damping behavior for PP/layered silicate nanocomposites.
In order to investigate systematically the steady shear flow properties of aqueous po1y(ethylene oxide) (PEO) solutions having various molecular weights and concentrations, the steady flow viscosity has been measured with a Rheometrics Fluids Spectrometer (RFS II) over a wide range of shear rates. The effects of shear rate, concentration, and molecular weight on the steady shear flow properties were reported in detail from the experimentally measured data, and then the results were interpreted using the concept of a material characteristic time. In addition, some flow models describing the non-Newtonian behavior (shear-thinning characteristics) of polymeric liquids were employed to make a quantitative evaluation of the steady flow behavior, and the applicability of these models was examined by calculating the various material parameters. Main results obtained from this study can be summarized as follows: (1) At low shear rates, aqueous PEO solutions show a Newtonian viscous behavior which is independent of shear rate. At shear rate region higher than a critical shear rate, however, they exhibit a shear-thinning behavior, demonstrating a decrease in steady flow viscosity with increasing shear rate. (2) As an increase in concentration and/or molecular weight, the zero-shear viscosity is increased while the Newtonian viscous region becomes narrower. Moreover, the critical shear rate at which the transition from the Newtonian to shear-thinning behavior occurs is decreased, and the shear-thinning nature becomes more remarkable. (3) Aqueous PEO solutions show a Newtonian viscous behavior at shear rate range lower than the inverse value of a characteristic time $1/{\lambda}_E$, while they exhibit a shear-thinning behavior at shear rate range higher than $1/{\lambda}_E$. For aqueous PEO solutions having a broad molecular weight distribution, the inverse value of a characteristic time is not quantitatively equivalent to the critical shear rate, but the power-law relationship holds between the two quantities. (4) The Cross, Carreau, and Carreau-Yasuda models are all applicable to describe the steady flow behavior of aqueous PEO solutions. Among these models, the Carreau-Yasuda model has the best validity.
We study the rheological properties of concentrated polymer solution and the melt under simple shear and elon-gational flow using Brownian dynamicssimulation. In order to describe the anisotropic molecular motion, we modifiedthe Giesekus' mobility tensor by incorporating the finitely extensible non-linear elastic (FENE) spring force into dumbbell model. To elucidate the nature of this model, our simulation results are compared with the data of FENE-P ("P"standsfor the Perterin) dumbbell model and experiments. While in steady state both original FENE and FENE-P models exhibit a similar viscosity response,the growthof viscosity becomes dissimilar as the anisotropy decreases and the flowrate increases. The steady state viscosity obtained from the simulation well describes the experiments including the shear-thinning behavior in shear flow and viscosity-thinning behavior in elongational flow. But the growth of viscosity oforiginal FENE dumbbell model cannot describe the experimental results in both flow fields.
Rheological behavior of commercial hot pepper-soybean paste (HPSP) was evaluated in small amplitude oscillatory and steady shear tests. Storage modulus (G'), loss modulus (G"), and complex viscosity (${\eta}^*$) as a function of angular frequency (${\omega}$), and shear stress (${\sigma}$) as a function of shear rate (${\gamma}$) data were obtained for 5 commercial HPSP samples. HPSP samples at $25^{\circ}C$ exhibited a non-Newtonian, shear-thinning flow behavior with high yield stresses and their flow behaviors were described by power law, Casson, and Herschel-Bulkley models. Time-dependent flow properties were also described by the Weltman, Hahn, and Figoni & Shoemaker models. Apparent viscosity over the temperature range of $5-35^{\circ}C$ obeyed the Arrhenius temperature relationship with activation energies (Ea) ranging 18.3-20.1 kJ/mol. Magnitudes of G' and G" increased with an increase in ${\omega}$, while ${\eta}^*$ decreased. G' values were higher than G" over the most of the frequency range (0.63-63 rad/sec), showing that they were frequency dependent. Steady shear viscosity and complex viscosity of the commercial HPSP did not fit the Cox-Merz rule.
Using a strain-controlled rheometer, the steady shear flow properties of aqueous xanthan gum solutions of different concentrations were measured over a wide range of shear rates. In this article, both the shear rate and concentration dependencies of steady shear flow behavior are reported from the experimentally obtained data. The viscous behavior is quantitatively discussed using a well-known power law type flow equation with a special emphasis on its importance in industrial processing and actual usage. In addition, several inelastic-viscoplastic flow models including a yield stress parameter are employed to make a quantitative evaluation of the steady shear flow behavior, and then the applicability of these models is also examined in detail. Finally, the elastic nature is explained with a brief comment on its practical significance. Main results obtained from this study can be summarized as follows: (1) Concentrated xanthan gum solutions exhibit a finite magnitude of yield stress. This may come from the fact that a large number of hydrogen bonds in the helix structure result in a stable configuration that can show a resistance to flow. (2) Concentrated xanthan gum solutions show a marked non-Newtonian shear-thinning behavior which is well described by a power law flow equation and may be interpreted in terms of the conformational status of the polymer molecules under the influence of shear flow. This rheological feature enhances sensory qualities in food, pharmaceutical, and cosmetic products and guarantees a high degree of mix ability, pumpability, and pourability during their processing and/or actual use. (3) The Herschel-Bulkley, Mizrahi-Berk, and Heinz-Casson models are all applicable and have equivalent ability to describe the steady shear flow behavior of concentrated xanthan gum solutions, whereas both the Bingham and Casson models do not give a good applicability. (4) Concentrated xanthan gum solutions exhibit a quite important elastic flow behavior which acts as a significant factor for many industrial applications such as food, pharmaceutical, and cosmetic manufacturing processes.
An experimental technique was developed to determine the strain-rate in a tensile specimen. Then one can calculate the transient isothermal elongational viscosity. Both shear and elongational viscosities were measured to study the effect of shear and elongational fields on the flow properties. The comparison between these viscosities shows that the onset of rapid viscosity growth as crystallization solidification proceeds occurs at about the same value of time at very small deformation rates (0.0028 and 0.0047 $s^{-1}$). The comparison of these measured viscosities as functions of shear and elongational Hencky strains also reveals that the onset of rapid viscosity growths starts at critical Hencky strain values. The behaviour of steady shear viscosity as function of temperature sweep was also explored at three different low shear rates. Finally, the influence of changing oscillatory frequencies and strain rates was also investigated.
A theoretical model is proposed in order to investigate rheological behavior of bubble suspension with large deformation. Theoretical constitutive equations for dilute bubble suspensions are derived by applying a deformation theory of ellipsoidal droplet [1] to a phenomenological suspension theory [2]. The rate of deformation tensor within the bubble and the time evolution of interface tensor are predicted by applying the proposed constitutive equations, which have two free fitting parameters. The transient and steady rheological properties of dilute bubble suspensions are studied for several capillary numbers (Ca) under simple shear flow and uniaxial elongational flow fields. The retraction force of the bubble caused by the interfacial tension increases as bubbles undergo deformation. The transient and steady relative viscosity decreases as Ca increases. The normal stress difference (NSD) under the simple shear has the largest value when Ca is around 1 and the ratio Of the first NSD to the second NSD has the value of 3/4 for large Ca but 2 for small Ca. In the uniaxial elongational flow, the elongational viscosity is three times as large as the shear viscosity like the Newtonian fluid.
일반적으로 점탄성 거동을 나타내는 고분자 액체의 전단유동특성(shear flow properties)을 평가하기 위하여 정상전단(steady shear), 동적전단(dynamic shear), 응력완화(stress relaxation) 그리고 크리프(creep) 및 크리프 회복(creep recovery) 실험 등이 활용되고 있다[1], 이때 영전단점도(zero shear viscosity)와 정상상태 회복 컴플라이언스(steady-state recoverable compliance)는 정상상태(steady state)에서 얻어지는 물리량으로, 각 실험방법으로부터 직접적 또는 간접적으로 측정이 가능하다. (중략)
Using a Rheometries Fluids Spectrometer (RFS II), the dynamic viscoelastic properties of aqueous poly(ethylene oxide) (PEO) solutions in small amplitude oscillatory shear flow fields have been measured over a wide range of angular frequencies. The angular frequency dependence of the storage and loss moduli at various molecular weights and concentrations was reported in detail, and the result was interpreted using the concept of a Deborah number De. In addition, the experimentally determined critical angular frequency at which the storage and loss moduli become equivalent was compared with the calculated characteristic time (or its inverse value), and their physical significance in analyzing the dynamic viscoelastic behavior was discussed. Finally, the relationship between steady shear flow and dynamic viscoelstic properties was examined by evaluating the applicability of some proposed models that describe the correlations between steady flow viscosity and dynamic viscosity, dynamic fluidity, and complex viscosity. Main results obtained from this study can be summarized as follows: (1) At lower angular frequencies where De<1, the loss modulus is larger than the storage modulus. However, such a relation between the two moduli is reversed at higher angular frequencies where De>l, indicating that the elastic behavior becomes dominant to the viscous behavior at frequency range higher than a critical angular frequency. (2) A critical angular frequency is decreased as an increase in concentration and/or molecular weight. Both the viscous and elastic properties show a stronger dependence on the molecular weight than on the concentration. (3) A characteristic time is increased with increasing concentration and/or molecular weight. The power-law relationship holds between the inverse value of a characteristic time and a critical angular frequency. (4) Among the previously proposed models, the Cox-Merz rule implying the equivalence between the steady flow viscosity and the magnitude of the complex viscosity has the best validity. The Osaki relation can be regarded to some extent as a suitable model. However, the DeWitt, Pao and HusebyBlyler models are not applicable to describe the correlations between steady shear flow and dynamic viscoelastic properties.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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