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Title: Morphology Development of Immiscible Polymer Blends in Complex Flow Fields (Morfologieontwikkeling in polymere blends onder complexe stromingscondities)
Other Titles: Morphology Development of Immiscible Polymer Blends in Complex Flow Fields
Authors: Boonen, Elia
Issue Date: 25-Sep-2009
Abstract: De morfologieontwikkeling van onmengbare polymere blends onder zuivere afschuifstroming en zuivere rekstroming is reeds relatief goed gekend. Het doel van dit doctoraat is nu om complexe stromingen (combinatie van rek en afschuiving) op een gecontroleerde manier aan te leggen, het gedrag van modelsystemen onder deze stromingscondities experimenteel te observeren en vervolgens trachten dit gedrag te modelleren. Om de complexe stromingscondities te realiseren zal in het kader van dit doctoraat een nieuw experimenteel apparaat ontworpen en gebouwd worden.
Table of Contents: Contents
Abstract 5
Nederlandse samenvatting 7
List of symbols 33
Introduction 37
1 State of the art 43
1.1 Simple flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.2 Complex flow fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.2.1 Experimental studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
1.2.2 Modeling and numerical simulation . . . . . . . . . . . . . . 57
1.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2 Materials and methods 59
2.1 Scientific approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.2 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2.1 Selection criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2.2 Model components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.3 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.3.1 Eccentric cylinder device (ECD) . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.3.2 Interfacial tension measurements . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.4 Modeling droplet dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
29
30 CONTENTS
2.4.1 Model equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.4.2 Velocity field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.4.3 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3 Design and validation of a new eccentric cylinder device 75
3.1 Complex flow geometries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2 Design Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3 Apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.4.1 FEM-simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.4.2 PIV-measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.5 Assessment of critical conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.7 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4 Droplet deformation and orientation in sub-critical mixed flows 93
4.1 Experimental procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.1 Sub-critical simple shear flow . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.2 Sub-critical complex flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.2.3 Relaxation after cessation of sub-critical complex flow . . . 100
4.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5 Effect of flow type and viscosity ratio on droplet dynamics in
mixed flow conditions 105
5.1 Effect of flow type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.1.1 Experimental procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.1.2 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.2 Effect of viscosity ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.2.1 High viscosity ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.2.2 Low viscosity ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
CONTENTS 31
6 Droplet break-up in mixed flow conditions 129
6.1 Experimental procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.2 Break-up modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.3 Break-up dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.3.1 Scaling break-up times . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.3.2 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7 Conclusions 147
Appendix A 153
Appendix B 157
Bibliography 158
List of publications 169
Curriculum vitae 171
ISBN: 978-94-6018-101-6
Publication status: published
KU Leuven publication type: TH
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