Capillary break-up of complex fluids. A road towards better understanding

The present PhD thesis focusses on exploring current open-ended issues in capillary break-up rheometry. Exploiting the natural phenomenon of capillarity instability, capillary break-up rheometry represents a very powerful technique to extract material information in free-surface, uniaxial extensional flows, which are of the utmost importance in understanding and controlling processes and applications involving the formation of liquid ligaments, jets or sheets. Throughout the present manuscript some of the challenges in capillary break-up rheometry have been investigated. The first challenge to be dealt with is the definition of criteria for the identification of dynamical regimes. Contrarily to the already existing criteria, which were proven to be often difficult to deploy for the interpretation of experimental data, a novel set of non-dimensional groups based on the experimentally relevant axial length scale of the filament is introduced. On the basis of the newly introduced groups, experimental limits, which depend on the set-up configuration, can be employed to identify the observable regimes and their transitions, resulting in a 2D operating map in which the boundaries are set by fluid properties and a single geometrical parameter and shedding light on the relevance of the axial length scale of the filament in determining the transitions between dynamical regimes. The theoretical developed framework is subsequently used to face the challenge of capillary break-up in two-fluid systems. Here, experiments, encompassing combinations of Newtonian fluids and a wide range of viscosity ratios, are employed to explore the interplay of the inner and outer fluids in determining complex thinning behaviours. Besides the interpretation of the different cases and their assignment in a viscosity - viscosity ratio map, it is highlighted that, when performing experiments in a liquid-liquid configuration, the combination of fluids must be carefully selected, as using an outer fluid with too high viscosity could potentially forbid the extraction of material properties. Next, the issues related to the choice of geometrical boundaries in CaBER experiments is tackled for Newtonian cases and concentrated polymer solutions. The apparent effect of the step height on the thinning behaviour seems to be more related to the high curvature of the filaments at low step height and a step ratio of 3 to 3.5 seemed to be the optimal range for the tested samples. The behaviour of concentrated solutions, though, is a still open challenge, since no clear elastic behaviour was though identified, nor the thinning could be ascribable to a purely viscous regime. Their behaviour seems the result of a complex interplay of viscous and elastic behaviour and no straightforward analytical model is expected to capture it. Lastly, the comparison of two experimental techniques, ROJER and CaBER is presented. A systematic study on diluted polymer solutions allows for the validation of a new scaling law, and the versatile jetting set-up developed confirmed that the observation of the scaling is not affected by the parameters used to induce the perturbation. Additionally, the investigation also brings to light the presence of polymer degradation at high molecular weights due in ROJER experiments, to the sudden extension to which the fluid in contact with the walls of the nozzle can be subjected to at the nozzle exit. In terms of measured relaxation times, this effect reflects in systematic changes of the relaxation times calculated from ROJER experiments, which show a significant reduction compared to the results obtained in CaBER experiments.

La presente tesi di dottorato esplora alcune delle attuali problematiche nel campo della reometria a rottura capillare. Sfruttando il naturale fenomeno dell'instabilità capillare, la reometria a rottura capillare rappresenta una tecnica molto efficace per ottenere le proprietà dei materiali in flussi estensionalei uniassiali a pelo libero, della massima importanza al fine di comprendere e controllora processi e applicazioni che coinvolgono la formazione di filamenti liquidi e getti. Nel presente manoscritto, la prima problematica affrontata è la definizione di criteri per l'identificazione di regimi dinamici. Contrariamente ai criteri già esistenti, che si sono rivelati spesso difficili da implementare per l'interpretazione dei dati sperimentali, viene introdotta una nuova serie di gruppi non dimensionali basati sulla dimenione assiale speriemtnale caratteristica del filamento. Sulla base dei gruppi introdotti, dei limiti sperimentali, che dipendono dalla configurazione di uno specifico set-up, possono essere impiegati per identificare i regimi osservabili e le loro transizioni, risultando in una mappa operativa 2D in cui i confini sono determinati dalla propreità del fluido e un singolo parametro geometrico. Il framework sviluppato teoricamente viene successivamente utilizzato per investigare il caso della rottura capillare nei sistemi a due fluidi. In questo caso, esperimenti che comprendono combinazioni di fluidi newtoniani e una vasta gamma di rapporti di viscosità, sono impiegati per esplorare l'interazione dei fluidi interni ed esterni nel determinare il comportamento di rottura capillare. Oltre all'interpretazione dei diversi casi, viene evidenziata l’importanza della corretta selezione della combinazione di fluidi. Successivamente, i problemi relativi alla scelta dei parametri geometrici negli esperimenti eseguiti con lo strumento CaBER sono trattati per i casi dei fluidi viscosi Newtoniani e le soluzioni polimeriche concentrate. L'effetto apparente della distanza di allontanamento dei piatti sembra essere correlato alla significativa curvatura dei filamenti per piccole distanze e un rapporto di altazze da 3 a 3,5 risulta essere l'intervallo ottimale per i campioni testati. Il comportamento delle soluzioni concentrate, tuttavia, è una sfida ancora aperta, poiché non è stato identificato un comportamento elastico chiaro, né la rottura capillare è risultata attribuibile a un regime puramente viscoso. Infine, viene presentato il confronto tra due tecniche sperimentali, ROJER e CaBER. Uno studio sistematico su soluzioni polimeriche diluite consente la validazione di una nuova legge di scala. Il versatile set-up di jetting sviluppato ha permesso di confermare che l'osservazione della legge di scala non è influenzata dai parametri utilizzati per indurre la perturbazione. Inoltre, l'indagine evidenzia, per soluzioni polimeriche ad alti pesi molecolari, la presenza di degradazione del polimero. La causa di questo fenomeno negli esperimenti di tipo ROJER, risiede nella quasi istantanea estensione a cui il fluido, a contatto con le pareti dell'ugello, è sottoposto all'uscita dell'ugello stesso. Questo effetto si riflette nelle variazioni sistematiche dei tempi di rilassamento calcolati dagli esperimenti ROJER, che mostrano una riduzione significativa rispetto ai risultati ottenuti negli esperimenti CaBER.