Rheological properties of structured complex fluids

Abstract

Foams are present in many applications of modern-day life, however, one seldom stops to admire their beautiful structure and fascinating dynamics. These properties make foams a subject of extensive scientific research ranging from elementary dynamics of amorphous materials to applications in industry and consumer products. The present article dissertation addresses the deformation, yielding and flow of foams using experimental methods. The emphasis is on predicting the deformation and yielding, and modifying the flow properties of foam with varying experimental parameters. The four articles reveal the importance of the local configuration and dynamics in defining the macroscopic flow response and how tuning the local interactions alters the mechanical deformation of foams. Publications I and II adapt view from amorphous solids where the foam deforms plastically in local topological transformations and these events define the macroscopic dynamics. The center of this view is the ability to predict these events from the past configuration of the foam. Both of the publications apply machine learning tools to large data sets describing foam motion and classify locations with high propensity to yield. Publication I reveals that the vertex, transforming in the yield event, results in the best predictions of the yielding. In addition, Publication I characterizes the essential time scale for predictions to be around 1 second for the used system. Publication II studies the essential features of the yielding vertex in more detail. The analysis reveals the essential predictors for yield events which are the angles of films joining in the vertex and the lengths of the films joining in the vertex. Publication III studies the effect of external mechanical vibration on the flow of foam. An external pressure drives foam flow in an experimental cell which is vibrated. The results showed that the vibration enables flow on small driving pressure below yielding and enhances the flow velocity on small pressures that exceed the yielding. Publication III provides evidence that the vibration increases the probability of yield events which then decreases the effective viscosity. Publication IV modifies the flow properties of foam with fibers in the continuous medium. The fibers decrease the flow velocity of foam. Although, the fibers form a viscoelastic fluid, the fibers in the continuos medium do not enhance the elastic response of the foam indicating that the origin of the elasticity of the foam remains in the bubble matrix. Giesekus model describes well the foam flow, and the addition of the fibers may be incorporated to the model with increasing the ratio of viscous contribution to the elastic contribution.

Vaahdot ovat monille tuttuja materiaaleja erilaisista jokapäiväisistä sovelluksista. Silti niiden kiehtovaan rakenteeseen ja ominaisuuksiin kiinnitetään harvemmin huomiota. Vaahdon ominaisuudet tekevät niistä kuitenkin erittäin kiinnostavia tutkimuskohteita lähtien kuplatason perustutkimuksesta aina teollisiin ja kaupallisiin sovelluksiin asti. Tämä neljään artikkeliin perustuva väitöskirja tarkastelee kokeellisesti vaahtojen muodonmuutosta, myötämistä ja virtausta. Rajatummat kiinnostuksen kohteet ovat vaahtojen paikallinen myötäminen sekä virtaus käyttäytymisen muokkaus muuttamalla erilaisia koesysteemin parametreja. Tämä työ demonstroi kuinka paikallinen rakenne ja sen muutokset määrittävät vaahdon virtausta makroskooppisella tasolla. Artikkelit I ja II tarkastelevat vaahtoja samoista lähtökohdista, joista amorfisten aineiden muodon muutosta yleensä tutkitaan. Tässä tarkastelussa keskeisiä ovat paikalliset järjestyksen rikkovat muutokset rakenteessa, jotka määrittävät materiaalin mekaanisia ominaisuuksia. Molemmissa artikkeleissa hyödynnetään koneoppimista paikallisten muutosten ennustamiseen rakenteen perusteella. Artikkeli I osoittaa, että neste kalvojen solmukohta, jonka ympärillä kuplat uudelleen järjestyvät paikallisessa muutoksessa, tarjoaa parhaimpiin tuloksiin johtavan ennusteen. Tässä artikkelissa myös ennusteiden luotettavuuden todetaan säilyvän noin 1 sekunnin pituisella ennustus horisontilla. Seuraavaksi artikkeli II tarkasteli rakenteellisia ominaisuuksia, jotka ennustavat parhaiten solmukohdan myötämistä. Tärkeimmät ominaisuudet ennusteelle ovat kalvojen väliset kulmat solmukohdassa ja näiden kalvojen pituudet. Artikkeli III tutkii, miten mekaaninen värähtely vaikuttaa vaahdon virtaukseen. Näissä kokeessa vaahtoa pusketaan kaksiulotteiseen koekammioon ulkoisella paineella samalla, kun kammiota värisytetään matala taajuisilla ääniaalloilla. Tutkimuksessa havaittiin, että vaahto saadaan virtaamaan värinän ansiosta myös pienillä paineilla, jotka muuten eivät riittäisi ylittämään vaahdon myötörajaa. Samaten pystyttiin toteamaan värinän nopeuttavan virtausta pienillä nopeuksilla. Tutkimus indikoi värinän lisäävään paikallisten myötötapahtumien todennäköisyyttä ja siten laskevan vaahdon efektiivistä viskositeettia. Artikkeli IV tutkii sellukuitujen vaikutusta vaahdon virtaukseen. Kuidut hidastavat virtausta. Vaikka kuitususpensiot itsessään ovat elastisia nesteitä, lisättynä vaahdon neste komponenttiin ne eivät voimista vaahdon elastista vastetta. Tämä osoittaa vaahtojen elastisuuden johtuvan pääasiassa neste-kaasu kalvoista ja niiden pintajännitteestä. Giesekus malliin perustuneet simulaatiot tarjoavat menetelmän sellukuidun vaikutuksen mallintamiseen vaahtojen virtauksessa. Kuitujen lisäyksen aiheuttamat ilmiöt pystyttiin toistamaan simulaatiossa kasvattamalla viskoosin ja elastisen komponentin suhdetta.