Rheology of complex glass-forming liquids

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Winter, H. Henning, Prof., University of Massachusetts Amherst, USA
dc.contributor.advisor Soenen, Hilde, Dr., Nynas NV, Belgium
dc.contributor.author Laukkanen, Olli-Ville
dc.date.accessioned 2018-10-17T09:03:16Z
dc.date.available 2018-10-17T09:03:16Z
dc.date.issued 2018
dc.identifier.isbn 978-952-60-8231-8 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-8230-1 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/34409
dc.description.abstract While the rheology of chemically and structurally simple glass-forming liquids (SGFLs) has been studied extensively in the literature, very little is known about the rheology of chemically and structurally complex glass-forming liquids (CGFLs). The aim of this thesis was to study the rheological properties of these CGFLs near and below the glass transition temperature (Tg). In addition, rheological characterization and analysis techniques were developed in support of this research. In the experimental part of this work, small-diameter parallel plate (SDPP) rheometry was introduced as a simple and accurate technique to measure the rheological properties of glass-forming liquids in shear. This measurement technique was applied to petroleum fluids that were chosen as model materials for CGFLs. In particular, bitumen exhibits a very broad viscoelastic glass transition in comparison to SGFLs. This is particularly accentuated in the broadening of the relaxation time spectrum at long times. Based on this observation, a new constitutive model – called the broadened power-law spectrum model – was proposed for CGFLs. This model was successfully used to describe the viscoelastic behavior of a series of petroleum fluids. The stretching parameter β of the broadened power-law spectrum model, which serves as a quantitative measure of the broadening of the relaxation time spectrum, was found to correlate with the width of the calorimetric glass transition region in a power-law fashion. The modification of bitumen with styrene-butadiene-styrene (SBS) block copolymer resulted in a distinct two-phase morphology. The morphological characteristics of SBS modified bitumen were shown to have a profound impact on the thermorheological behavior at low temperatures. In addition, special attention was paid to the temperature dependence of viscoelastic properties in the vicinity of Tg. Analytical expressions were derived for the dynamic fragility (m) and apparent activation energy (Ea) in terms of the parameters of the modified Kaelble equation, and it was observed that the linear Tg-dependences of m(Tg) and Ea(Tg) are unusually strong in bitumens in comparison to other classes of glass-forming liquids. It was demonstrated that time-resolved rheometry in combination with the time-aging time superposition principle is a powerful technique to monitor and analyze the time dependence of linear viscoelastic properties during physical aging. This technique successfully captured the effects of temperature, crystallinity and SBS polymer modification on the physical aging of bitumen.  en
dc.description.abstract Kemiallisesti ja rakenteellisesti yksinkertaisten lasittuvien nesteiden (SGFL) reologista käyttäytymistä on tutkittu laajasti kirjallisuudessa. Sitä vastoin kemiallisesti ja rakenteellisesti monimutkaisten lasittuvien nesteiden (CGFL) reologiasta tiedetään ilmiöiden monimutkaisuudesta johtuen hyvin vähän. Tämän työn tavoitteena oli tutkia näiden CGFL:ien reologisia ominaisuuksia lasisiirtymälämpötilan (Tg) lähellä ja sen alapuolella. Lisäksi tässä tutkimuksessa kehitettiin reologisia karakterisointi- ja analyysimenetelmiä lasittuville nesteille. Työn kokeellisessa osiossa pienen läpimitan levy-levy-reometria on esitelty yksinkertaisena ja tarkkana mittausmenetelmänä lasittuvien nesteiden leikkausreologisten ominaisuuksien mittaamiseen. Tätä mittausmenetelmää sovellettiin raakaöljypohjaisiin fluideihin, jotka oli valittu mallimateriaaleiksi CGFL:ille. Erityisesti bitumin viskoelastinen lasisiirtymä on hyvin laaja SGFL:iin verrattuna. Tämä näkyy erityisen korostuneesti relaksaatioaikaspektrin laajentumisena pitkillä relaksaatioajoilla. Tämän havainnon pohjalta CGFL:ille on esitetty uusi kokemusperäinen matemaattinen malli, nimeltään laajentunut potenssispektrimalli. Tätä mallia käytettiin onnistuneesti useiden raakaöljypohjaisten fluidien viskoelastisen käyttäytymisen kuvaamiseen. Laajentuneen potenssispektrimallin venymäparametrin β, joka toimii määrällisenä relaksaatioaikaspetrin laajentumisen mittana, havaittiin korreloivan potenssilain mukaisesti kalorimetrisen lasisiirtymäalueen leveyden kanssa. Bitumin modifioiminen styreeni-butadieeni-styreeni (SBS) lohkokopolymeerillä johti selvän kaksi-faasisen mikrorakenteen syntymiseen. SBS-modifioidun bitumin mikrorakenteellisilla ominaisuuksilla osoitettiin olevan merkittävä vaikutus termoreologisiin ominaisuuksiin alhaisissa lämpötiloissa. Erityishuomiota kiinnitettiin viskoelastisten ominaisuuksien lämpötilariippuvuuteen lasisiirtymälämpötilan läheisyydessä. Dynaamiselle hauraudelle (m) ja näennäiselle aktivaatioenergialle (Ea) johdettiin analyyttiset lausekkeet muokatun Kaelblen yhtälön parametrien suhteen, ja m(Tg)- ja Ea(Tg)-parametrien Tg-riippuvuuksien havaittiin olevan poikkeuksellisen voimakkaita bitumeissa verrattuna muihin lasittuvien nesteiden luokkiin. Aikaerotteisen reometrian ja aika-vanhentumisaika superpositioperiaatteen yhdistelmän osoitettiin olevan tehokas tekniikka lineaarisesti viskoelastisten ominaisuuksien aikariippuvuuden seuraamiseen ja analysoimiseen fysikaalisen vanhenemisen aikana. Tämän tekniikan avulla pystyttiin onnistuneesti havaitsemaan lämpötilan, kiteisyyden ja SBS-polymeerimodifioinnin vaikutus bitumin fysikaaliseen vanhenemiseen. fi
dc.format.extent 100 + app. 102
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 198/2018
dc.relation.haspart [Publication 1]: Laukkanen O-V. Small-diameter parallel plate rheometry: a simple technique for measuring rheological properties of glass-forming liquids in shear. Rheologica Acta 56(2017) 661-671. SharedIt: http://rdcu.be/tlWM. DOI: 10.1007/s00397-017-1020-5
dc.relation.haspart [Publication 2]: Laukkanen O-V., Winter H.H., Soenen H., Seppälä J. An empirical constitutive model for complex glass-forming liquids using bitumen as a model material. Rheologica Acta 57(2018) 57-70. SharedIt: http://rdcu.be/zi7x. DOI: 10.1007/s00397-017-1056-6
dc.relation.haspart [Publication 3]: Laukkanen O-V., Winter H.H., Soenen H., Seppälä J. Systematic broadening of the viscoelastic and calorimetric glass transitions in complex glass-forming liquids. Journal of Non-Crystalline Solids 483 (2018) 10-17. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2017.12.029
dc.relation.haspart [Publication 4]: Laukkanen O-V., Soenen H., Winter H.H., Seppälä J. Low-temperature rheological and morphological characterization of SBS modified bitumen. Construction and Building Materials 179(2018) 348–359.DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.05.160
dc.relation.haspart [Publication 5]: Laukkanen O-V., Winter H.H. The dynamic fragility and apparent activation energy of bitumens as expressed by a modified Kaelble equation. Journal of Non-Crystalline Solids 499(2018) 289-299.DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2018.07.036
dc.relation.haspart [Publication 6]: Laukkanen O-V., Winter H.H., Seppälä J. Characterization of physical aging by time-resolved rheometry: Fundamentals and application to bituminous binders. Rheologica Acta, in press. SharedIt: https://rdcu.be/721O. DOI: 10.1007/s00397-018-1114-8
dc.subject.other Chemistry en
dc.title Rheology of complex glass-forming liquids en
dc.title Monimutkaisten lasittuvien nesteiden reologia fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Chemical Technology en
dc.contributor.department Kemian tekniikan ja metallurgian laitos fi
dc.contributor.department Department of Chemical and Metallurgical Engineering en
dc.subject.keyword rheology en
dc.subject.keyword glass transition en
dc.subject.keyword physical aging en
dc.subject.keyword glass-forming liquids en
dc.subject.keyword bitumen en
dc.subject.keyword reologia fi
dc.subject.keyword lasisiirtymä fi
dc.subject.keyword fysikaalinen vanheneminen fi
dc.subject.keyword lasittuvat nesteet fi
dc.subject.keyword bitumi fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-8231-8
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Seppälä, Jukka, Prof., Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, Finland
dc.opn Niss, Kristine, Prof., Roskilde University, Denmark
dc.contributor.lab Polymer Technology en
dc.rev McKenna, Gregory B., Texas Tech University, USA
dc.rev Rowe, Geoffrey M., Dr., Abatech Inc., USA
dc.date.defence 2018-10-26


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account