Experimentell och numerisk undersökningar av hydrodynamisk fokusering med kolloidala dispersioner
Tid: Fr 2023-10-06 kl 10.15
Plats: D2, Lindstedtsvägen 5, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/61949181313
Språk: Engelska
Ämnesområde: Teknisk mekanik
Respondent: V. Krishne Gowda , Linné Flow Center, FLOW, Teknisk mekanik
Opponent: Professor Lynn Walker, Department of Chemical Engineering and Materials Science, University of Minnesota
Handledare: Fredrik Lundell, Linné Flow Center, FLOW, Wallenberg Wood Science Center, Teknisk mekanik; Daniel Söderberg, Linné Flow Center, FLOW, Wallenberg Wood Science Center, Fiberprocesser
QC 230918
Abstract
Icke-sfäriska nanopartiklar är den grundläggande byggstenen i många komplexa vätskor. Sådana vätskor studeras både på grund av deras industriella och vetenskapliga betydelse och på grund av deras intressanta egenskaper (mekaniska, optiska, termiska och fluidiska). Ett exempel på sådana partiklar är cellulosanofibriller (CNF), en biopolymer med anmärkningsvärda mekaniska egenskaper som har stor potential för tillverkning av hållbara och biokompatibla material. Ett kraftfullt verktyg för syntes och karakterisering av sådana icke-sfäriska partiklar i strömmande dispersioner är mikrofluidik, men den vetenskapliga förståelsen av partiklarnas och dispersionernas beteende i mikrofluidiksystem är fortfarande otillräcklig.
I denna avhandling kombineras numeriska och experimentella metoder för att mäta, analysera och förstå flödande dispersioners makroskopiska och de ingående partiklarnas mikroskopiska beteende i olika strömningssituationer. Det specifika strömningsfall som studeras är strömningsfokusering: en högviskös kolloidal dispersion bestående av cellulosanofibriller i vatten fokuseras hydrodynamiskt av ett yttre flöde med rent vatten med låg viskositet i en kanal. Det kan då skapas högviskös "tråd" i kanalen. Detta flöde karakteriseras med hjälp av optisk koherenstomografi (OCT) och CFD-simuleringar (Computational Fluid Dynamics). Om Péclet-talet här stort (vilket betyder att partiklarnas diffusionshastighet är lägre än strömningshastigheten) ger koncentrationsgradienten mellan två homogena, blandbara vätskor (kolloidal dispersion och dess eget lösningsmedel) upphov till Korteweg-spänningar, vilka kan modelleras med en effektiv ytspänning (EIT). Skalningslagar som beskriver de komplexa kopplingarna mellan effekter av viskositet, tröghet och ytspänning i mikrokanalen system har tagits fram, och skalningslagarna används i sin tur för att uppskatta vätskeegenskaperna.
Även det kollektiva beteendet hos nanofibrillerna själva har studerats. Numeriskt modellerade orienteringfördelningar jämförs med in-situ röntgenspridningsmätningar (SAXS). Resultatet blir en experimentellt kalibrerad digital modell som avslöjar nanopartiklarnas 3D-orientering i hela systemet. Sammansatta gör resultaten i denna avhandling det möjligt att prediktera, optimera och kontrollera hydrodynamisk syntes av icke-sfäriska partiklar i olika kanalsystem.