The use of various shearing apparatuses to study the phase behavior of poly(styrene-b-isoprene) diblock copolymer micelles is described. A DMTA rheometer was modified so that one can apply oscillatory shear and obtain the scattering pattern along the shear gradient direction. A cone and plate shear cell was designed to access scattering along the shear vorticity direction, and both oscillatory and steady shear can be applied. The most popular way to employ steady shear on relatively low viscosity fluids is to use a Couette cell, because a high shear rate can be readily achieved without disturbing the sample by overflow. In this work, oscillatory shear was used to obtain a single crystal-like scattering pattern, and thereby to examine the mechanism of the thermotropic transition between face-centered cubic (fcc) and body-centered cubic (bcc) lattices. By applying the steady shear, the response of the fcc lattices to various shear rates is discussed.
There has been considerable interest in recent years in field-responsive suspensions, which are of some importance in industry in many different applications. The microstructure of these materials is a significant issue which can be probed by rheological measurements. In this study, measurements were made of a magnetorheological fluid (MRF) under steady and oscillatory shear flow, with and without a magnetic field. Mathematical inversion was used to derive the relaxation time spectrum of the MRF from oscillatory shear data. Experimental evidence is presented of the gel-like properties of this MRF.
Using a strain-controlled rheometer [Advanced Rheometric Expansion System (ARES)], the steady shear flow properties and the dynamic viscoelastic properties of $Antiphlamine-S^{(R)}$ lotion have been measured at $20^{\circ}C$ (storage temperature) and $37^{\circ}C$ (body temperature). In this article, the temperature dependence of the linear viscoelastic behavior was firstly reported from the experimental data obtained from a temperature-sweep test. The steady shear flow behavior was secondly reported and then the effect of shear rate on this behavior was 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. The angular frequency dependence of the linear viscoelastic behavior was nextly explained and quantitatively predicted using a fractional derivative model. Finally, the strain amplitude dependence of the dynamic viscoelastic behavior was discussed in full to elucidate a nonlinear rheological behavior in large amplitude oscillatory shear flow fields. Main findings obtained from this study can be summarized as follows : (1) The linear viscoelastic behavior is almostly independent of temperature over a temperature range of $15{\sim}40^{circ}C$. (2) The steady shear viscosity is sharply decreased as an increase in shear rate, demonstrating a pronounced Non-Newtonian shear-thinning flow behavior. (3) The shear stress tends to approach a limiting constant value as a decrease in shear rate, exhibiting an existence of a yield stress. (4) The Herschel-Bulkley, Mizrahi-Berk and Heinz-Casson models are all applicable and have an equivalent validity to quantitatively describe the steady shear flow behavior of $Antiphlamine-S^{(R)}$ lotion whereas both the Bingham and Casson models do not give a good applicability. (5) In small amplitude oscillatory shear flow fields, the storage modulus is always greater than the loss modulus over an entire range of angular frequencies tested and both moduli show a slight dependence on angular frequency. This means that the linear viscoelastic behavior of $Antiphlamine-S^{(R)}$ lotion is dominated by an elastic nature rather than a viscous feature and that a gel-like structure is present in this system. (6) In large amplitude oscillatory shear flow fields, the storage modulus shows a nonlinear strain-thinning behavior at strain amplitude range larger than 10 % while the loss modulus exhibits a weak strain-overshoot behavior up to a strain amplitude of 50 % beyond which followed by a decrease in loss modulus with an increase in strain amplitude. (7) At sufficiently large strain amplitude range (${\gamma}_0$>100 %), the loss modulus is found to be greater than the storage modulus, indicating that a viscous property becomes superior to an elastic character in large shear deformations.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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제10권sup3호
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pp.65-74
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2016
During concrete pumping, the migration and redistribution of particles occur in a pipe and the lubrication layer that forms between the bulk concrete and the pipe wall is the governing factor determining the flow behavior. In order to identify flow behavior of pumping, in this study, the viscoelastic properties related to the microstructural behavior of a flocculated suspension were examined by using dynamic oscillatory measurements. Cement paste is assumed to be a constituent material of the lubrication layer and ten cases of mixing design are employed by changing the proportions of mineral admixtures. The relationship between the yield stress obtained from the steady shear test and the dynamic modulus resulted from the oscillatory shear measurement was derived and the implications of the correlation are discussed. Moreover, based on the investigation of the viscoelastic properties with oscillatory measurements, the initial behavior of pumped concrete was analyzed systematically.
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.
Acrylonitrile-Butadiene-Styrene (ABS), polycarbonate (PC) and their alloys are an important class of engineering thermoplastics that are widely used for automotive industry, computer and equipment housings. For the process of recycling mixtures of ABS and PC, it is desirable to know how sensitive the blend properties are to changes in compositions. It was for this reason that blends of virgin ABS and virgin PC at five different compositions, namely, $15\%,\;30\%,\;50\%,\;70%$ and $85\%$ by weight of ABS were prepared and characterised by rheological and mechanical measurements. Rheological properties of these blends in steady, oscillatory and transient step shear and mechanical properties, namely, tensile strength, elongation-at-break and Izod impact strength are reported. The results show that PC behaves in a relatively Newtonian manner, but ABS exhibits significant shear thinning. The ABS-rich blends show a trend that is similar to that of ABS, while PC-rich blends, namely $0\%$ and $15\%$, exhibit a nearly Newtonian behaviour. However, at a fixed shear rate or frequency, the steady shear or the dynamic viscosity varied respectively in a non-mono-tonic manner with composition. Except for $15\%$ blend, the viscosities of other blends fall into a narrow band indicating a wide-operation window of varying blend ratio. The blends exhibited a lower viscosity than either of the two pure components. The other noticeable feature was that the blends at $70\%$ and $85\%$ ABS content had a higher G' than pure ABS, indicating an enhancement of elastic effect. The tensile yield strength of the blends followed the 'rule of mixtures' showing a decreasing value with the increase of ABS content in PC. However, the elongation-at-break and the impact strength did not appear to obey this 'rule of mixtures,' which suggests that morphology of the blends also plays a significant role in determining the properties. Indeed, scanning electron micrographs of the fracture surfaces of the different blends validate this hypothesis, and the $15\%$ blend is seen to have the most distinct morphology and correspondingly different behaviour and properties.
Properties of polymer based nanocomposites depend on dispersion state of embedded fillers. In order to examine the effect of dispersion state on rheological properties, a new bi-mode FENE dumbbell model was proposed. The FENE dumbbell model includes two separate ensemble sets of dumbbells with different friction coefficients, which simulate behavior of well dispersed and aggregated carbon nanotubes (CNTs). A new parameter indicating dispersion state of the CNT was proposed to account for degree of dispersion quantitatively as well as qualitatively. Rheological material functions in elongational, steady shear, and oscillatory shear flows were obtained numerically. The CNT/epoxy nanocomposites with different dispersion state were prepared depending on whether a solvent is used for the dispersion of CNTs or not. Dispersion state of the CNT in the epoxy nanocomposites was morphologically characterized by the field emission scanning electronic microscope and the transmission electron microscope images. It was found that the numerical prediction was in a good agreement with experimental results especially for steady state shear flow.
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.
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.
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