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.
Kim, Dong-Sung;Park, Yung-Jin;Lee, Bong-Kyu;Kim, Hyung-Su;Lee, Jae-Wook
The Korean Journal of Rheology
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v.11
no.1
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pp.44-49
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1999
Effects of particulate size and frictional characteristics were examined on the melting behavior of PP (polypropylene) in a batch mixer. Powder and pellet types of PP were used and each component was blended with PE (polyethylene) wax and clay, respectively. It was observed that small size particulates, i.e. powder systems exhibit accelerated melting behavior; and it was also found that the abrasive additive acts as an effective agent for fast melting of PP powder. Retardation of melting due to the reduced friction was observed in PP pellet/PE wax blends, while melting rate of PP powder was increased by addition of PE wax.
The linear viscoelastic behavior of acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) polymers with different rubber content has been investigated in the frame of a linear viscoelastic model, which takes into account the inter-connectivity of the dispersed rubber particles. The model developed in our previous work has been shown to properly predict the low frequency plateau for the storage modulus, which is generally observed in polymer blends containing core-shell-type impact modifiers. In the present study, further experiments have been carried out on ABS polymers with different rubber content to verify the validity of our linear viscoelastic model. It has been found that our model describes quite properly the rheological behavior of ABS polymers with different rubber content, especially at low frequencies. The experimental data confirm that our model describes the rheological properties of rubber-modified thermoplastic polymers with strong adhesion at the particle/matrix interface more accurately than the Palierne model.
Kim, Ju Min;Kim, Chongyoup;Chung, Changkwon;Ahn, Kyung Hyun;Lee, Seung Jong
Korea-Australia Rheology Journal
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v.16
no.3
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pp.117-128
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2004
The effect of molecular parameters on the steady vortex behaviors in the inertial viscoelastic flow past a cylinder has been investigated. FENE-CR model was considered as a constitutive equation. A recently developed iterative solution method (Kim et al., (in press)) was found to be successfully applicable to the computation of inertial viscoelastic flows. The high-resolution computations were carried out to understand the detailed flow behaviors based on the efficient iterative solution method armed with ILU(0) type pre-conditioner and BiCGSTAB method. The discrete elastic viscous split stress-G/streamline upwind Petrov Galerkin (DEVSS-G/SUPG) formulation was adopted as a stabilization method. The vortex size decreased as elasticity increases. However, the vortex enhancement was also observed in the case of large extensibility, which means that the vortex behavior is strongly dependent upon the material parameters. The longitudinal gradient of normal stress was found to retard the formation of vortex, whereas the extensional viscosity played a role in the vortex enhancement. The present results are expected to be helpful for understanding the inertial vortex dynamics of viscoelastic fluids in the flow past a confined cylinder.
The rheological behaviors and morphologies of polylactide (PLA) and chemically modified plasticized starch (CMPS) blends were investigated. For this study, oscillatory shear flow measurements of the PLA, CMPS and their blends were performed. A scanning electron microscope (SEM) study was also conducted on the extracted extrudates of the blends. The morphology of the blend changed in relation to the composition: sphere-shaped CMPS disperse/continuous PLA, rod-like deformed CMPS phase/continuous PLA, a co-continuous structure with bridged CMPS long rods and PLA dispersed/continuous CMPS. The composition of the phase inversion could be estimated and closely coincided from the observed morphology experimental results. The rheological behavior of the blends, from oscillatory measurements, was found to vary in relation to the composition, and reflected the morphologies of the blends. PLA showed Newtonian flow behavior, while CMPS showed strong shear thinning behavior. The relationships between the morphology and rheological properties were observed in detail.
The steady shear flow properties of vaseline generally used as a base of the pharmaceutical dosage forms were studied in the consideration of wall slip phenomenon. The purpose of this study was to show that how slip may affect the experimental steady-state flow curves of semisolid ointment bases and to discuss the ways to eliminate (or minimize) wall slip effect in a rotational rheometer. Using both a strain-controlled ARES rheometer and a stress-controlled AR1000 rheometer, the steady shear flow behavior was investigated with various experimental conditions ; the surface roughness, sample preparation, plate diameter, gap size, shearing time, and loading methods were varied. A stress-controlled rheometer was suitable for investigating the flow behavior of semisolid ointment bases which show severe wall slip effects. In the conditions of parallel plates attached with sand paper, treated sample, smaller diameter fixture, larger gap size, shorter shearing time, and normal force control loading method, the wall slip effects could be minimized. A critical shear stress for the onset of slip was extended to above 10,000 dyne/$\textrm{cm}^2$. The wall slip effects could not be perfectly eliminated by any experimental conditions. However, the slip was delayed to higher value of shear stress by selecting proper fixture properties and experimental conditions.
In cases of the microfluidic channel, the electrokinetic influence on the transport behavior can be found. The externally applied body force originated from the electrostatic interaction between the nonlinear Poisson-Boltzmann field and the flow-induced electrical field is applied in the equation of motion. The electrostatic potential profile is computed a priori by applying the finite difference scheme, and an analytical solution to the Navier-Stokes equation of motion for slit-like microchannel is obtained via the Green's function. An explicit analytical expression for the induced electrokinetic potential is derived as functions of relevant physicochemical parameters. The effects of the electric double layer, the zeta potential of the solid surface, and the charge condition of the channel wall on the velocity profile as well as the electroviscous behavior are examined. With increases in either electric double layer or zeta potential, the average fluid velocity in the channel of same charge is entirely reduced, whereas the electroviscous effect becomes stronger. We observed an opposite behavior in the channel of opposite charge, where the attractive electrostatic interactions are presented.
Low Reynolds number, dilute, and surfactant-free bubble suspensions are prepared by mechanical mixing after introducing carbon dioxide bubbles into a Newtonian liquid, polyol. The apparent shear viscosity is measured with a wide-gap parallel plate rheometer by imposing a simple shear flow of capillary numbers(Ca) of the order of $10^{-2}$ ~ $10^{-1}$ and for various gas volume fractions ($\phi$). Effects of capillary numbers and gas volume fractions on the viscosity of polyol foam are investigated. At high capillary number, viscosity of the suspension increases as the gas volume fraction increases, while at low capillary number, the viscosity decreases as the gas volume fraction increases. An empirical constitutive equation that is similar to the Frankel and Acrivos equation is proposed by fitting experimental data. A numerical simulation for deformation of a single bubble suspended in a Newtonian fluid is conducted by using a newly developed two-dimensional numerical code using a finite volume method (FVM). Although the bubble is treated by a circular cylinder in the two dimensional analysis, numerical results are in good agreement with experimental results.
We present a short review for authors' previous work on direct numerical simulations for inertialess hard particle suspensions formulated either with a Newtonian fluid or with viscoelastic polymeric fluids to understand the microstructural evolution and the bulk material behavior. We employ two well-defined bi-periodic domain concepts such that a single cell problem with a small number of particles may represent a large number of repeated structures: one is the sliding bi-periodic frame for simple shear flow and the other is the extensional bi-periodic frame for planar elongational flow. For implicit treatment of hydrodynamic interaction between particle and fluid, we use the finite-element/fictitious-domain method similar to the distributed Lagrangian multiplier (DLM) method together with the rigid ring description. The bi-periodic boundary conditions can be effectively incorportated as constraint equations and implemented by Lagrangian multipliers. The bulk stress can be evaluated by simple boundary integrals of stresslets on the particle boundary in such formulations. Some 2-D example results are presented to show effects of the solid fraction and the particle configuration on the shear and elongational viscosity along with the micro-structural evolution for both particles and fluid. Effects of the fluid elasticity has been also presented.
The rheology of highly concentrated polymer bonded explosive (PBX) simulant was studied. An energy material, polyethylene plastomer (Exact$^{TM}$) having similar properties to poly(BAMO-AMMO) was selected as a binder. Dechlorane with similar properties to RDX (Research Department eXplosive) was chosen as a filler. Mixing behavior in a batch melt mixer was investigated. During mixing a large amount of heat of viscous dissipation was generated and a continuous decrease in torque was observed when the filler content was above 70 v%. It was believed due to wall slip phenomena. From the SEM images, the fillers were well dispersed and the effect of mixing condition affected slightly on the dispersion. Owing to distinct shear thinning behavior of the suspensions, measuring viscosity of highly filled suspensions was possible in a high shear rate capillary rheometer though it was impossible even in a low shear rate plateplate rheometer.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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