[論文レビュー] Rheological behaviour of suspensions of bubbles in yield stress fluids

Lucie Ducloué, Olivier Pitois+3 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2014

Pickering emulsions and particle stabilization参考文献 16被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、調整可能な気泡サイズおよび流体の降伏応力を持つモデルエマルジョンを用いて、降伏応力流体内の気泡懸濁液の流れの性質を調査した。キャピラリー数（粘性応力と界面張力応力の比較）が、弾性率および損失率の低下を支配しており、降伏応力は一定のまま、一様性は気体体積分率とともに増加することが示された。これは、さまざまな気泡剛性領域において、微視的力学モデルによる検証がなされた。

ABSTRACT

The rheological properties of suspensions of bubbles in yield stress fluids are investigated through experiments on model systems made of monodisperse bubbles dispersed in concentrated emulsions. Thanks to this highly tunable system, the bubble size and the rheological properties of the suspending yield stress fluid are varied over a wide range. We show that the macroscopic response under shear of the suspensions depends on the gas volume fraction and the bubble stiffness in the suspending fluid. This relative stiffness can be quantified through capillary numbers comparing the capillary pressure to stress scales associated with the rheological properties of the suspending fluid. We demonstrate that those capillary numbers govern the decrease of the elastic and loss moduli, the absence of variation of the yield stress and the increase of the consistency with the gas volume fraction, for the investigated range of capillary numbers. Micro-mechanical estimates are consistent with the experimental data and provide insight on the experimental results.

研究の動機と目的

• 気泡の存在が降伏応力流体の流れの性質（特に弾性、降伏応力、一様性）にどのように影響するかを理解すること。
• 気泡の変形および界面毛細管力の役割を含め、気泡誘発の挙動変化を支配する物理的メカニズムを特定すること。
• キャピラリー数を用いて、気泡の剛性が懸濁液の流れの性質に与える影響を定量化すること。
• 軟らかく降伏応力を持つ懸濁液に適用可能な微視的力学モデルを用いて、実験的観察を検証すること。
• 微視的構造に依存しない、マクロな流れのパラメータに基づく、一般化された挙動予測フレームワークを確立すること。

提案手法

• 気泡サイズと懸濁液の降伏応力を独立に調整可能な、単分散気泡懸濁液を用いた実験。
• 振動せん断および定常せん断 rheometry を用いて、気体体積分率（φ）の変化に伴う弾性率（G'）、損失率（G''）、降伏応力（τy）、一様性（K）を測定。
• キャピラリー数（Ca）の定義と適用により、相対的気泡剛性を定量化し、粘性応力（ηγ̇）と界面張力応力（σ/R）を比較。
• 変形可能な気泡（表面張力あり）および剛性粒子（非変形状態）を想定した微視的力学モデルを適用し、実験的傾向を解釈。
• 複数サイクルにわたる降伏応力測定の系統的比較により、履歴依存のクリープ効果から気泡固有の寄与を分離。
• G′(φ)γ/τy(φ) を用いた応力-ひずみ曲線の再スケーリングにより、弾性応答を正規化し、モジュラス低下とは独立に非線形挙動を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 気体体積分率が、降伏応力流体内の気泡懸濁液の弾性率および損失率、降伏応力、一様性にどのように影響するか？
• RQ2 キャピラリー数で定量化される気泡剛性が、マクロな流れの性質に果たす役割は何か？
• RQ3 気泡は降伏応力以下の領域で、クリープや非線形弾性挙動にどの程度寄与するか？
• RQ4 微視的力学モデルは、これらの懸濁液で観察された流れの傾向を正確に予測できるか？
• RQ5 降伏応力流体内の気泡懸濁液の挙動は、異なる懸濁液に共通するものか、それとも微視的構造に依存するか？

主な発見

• 弾性率（G′）および損失率（G''）は、気体体積分率φの増加に伴い低下し、その低下はキャピラリー数によって支配されており、相対的気泡剛性を定量化する。
• 降伏応力（τy）は、調査範囲内の気体体積分率でほぼ一定であり、気泡が流れの開始に必要な臨界応力に顕著に影響しないことを示している。
• 一様性（K）はφに伴い増加し、この傾向もキャピラリー数と相関しており、気泡誘発の応力増幅が、高気体分率での流れに対する抵抗増加に寄与していることを示唆している。
• 変形可能な気泡の界面張力を考慮したモデルや、非変形状態の剛性粒子を想定したモデルが、実験データを定量的に再現しており、観察された傾向の物理的根拠を確認している。
• 降伏応力以下の領域で、気泡がクリープや履歴依存挙動を顕著に引き起こすことはなく、主な効果は弾性率の低下に限られ、塑性挙動の変化ではない。
• G′(φ)γ/τy(φ) を用いた応力-ひずみ曲線のスケーリングにより、すべてのデータがマスターカーブに一致し、気泡による唯一の影響は初期剛性の低下に限られ、降伏ダイナミクスの変化ではないことが確認された。