The Rheological Behavior of Polymer Solution Threads

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Theoretical results of the authors in the field of the capillary thinning of polymer solution threads are reviewed. The dynamics of threads of both concentrated solutions without entanglements and dilute solutions, where hydrodynamic interactions play an important role, is considered. A molecular approach, in which macromolecules are simulated by a semiflexible chain, is used as a basis. This makes it possible to describe, from common positions, the nonlinear elasticity of solution and interactions taking into account the orientation of the chains. Particular attention is given to thread thinning in the region of the elastic behavior of solution where macromolecules unfold along the axis of stretching. The results of analysis of the capillary stability of a thread and conditions for solvent droplets emergence on its surface are presented, and the dynamics of formation of the hierarchical structure of beads-on-string droplets is viewed. Mechanisms behind the subsequent merging of droplets related to solvent overflow and droplets diffusion along the polymer string are discussed. The polymer string breakup occurs at time scales higher than the Rouse relaxation time of the polymer chain. String hardening and fiber formation may be an alternative.

About the authors

A. V. Subbotin

Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis, Russian Academy of Sciences; Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, Russian Academy of Sciences

Email: subbotin@ips.ac.ru
119991, Moscow, Russia; 119071, Moscow, Russia

I. A. Nyrkova

Institut Charles Sadron

Email: subbotin@ips.ac.ru
67034, Strasbourg Cedex 2, France

A. N. Semenov

Institut Charles Sadron

Author for correspondence.
Email: subbotin@ips.ac.ru
67034, Strasbourg Cedex 2, France

References

  1. Denn M.M. // Annu. Rev. Fluid Mech. 1980. V. 12. P. 365.
  2. McKinley G.H. // Rheologycal Review. Aberystwyth: The British Society of Rheology, 2005. P. 1.
  3. Basaran O.A., Gao H., Bhat P.P. // Annu. Rev. Fluid Mech. 2013. V. 45. P. 85.
  4. Malkin A.Ya., Arinstein A., Kulichiknin V.G. // Prog. Polym. Sci. 2014. V. 39. P. 959.
  5. Lohse D. // Annu. Rev. Fluid Mech. 2022. V. 54. P. 349.
  6. Eggers J., Villermaux E. // Rep. Prog. Phys. 2008. V. 71. P. 036601.
  7. Li Y., Sprittles J.E. // J. Fluid Mech. 2016. V. 797. P. 29.
  8. Chen Y.-J., Steen P. H. // J. Fluid Mech. 1997. V. 341. P. 245.
  9. Day R.F., Hinch E.J., Lister J.R. // Phys. Rev. Lett. 1998. V. 80. P. 704.
  10. Chen A.U., Notz P.K., Basaran O.A. // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 88. P. 174501.
  11. Tirtaatmadja V., McKinley G.H., Cooper-White J.J. // Phys. Fluids. 2006. V. 18. P. 043101.
  12. Sur S., Rothstein J. // J. Rheol. 2018. V. 62. P. 1245.
  13. Dinic J., Sharma V. // Phys. Fluids. 2019. V. 31. P. 021211.
  14. Dinic J., Sharma V. // PNAS. 2019. V. 116. P. 8766.
  15. Wee H., Anthony C.R., Basaran O.A. // Phys. Rev. Fluids. 2022. V. 7. L112001.
  16. Rayleigh L. // Proc. Lond. Math. Soc. 1878. V. 1. P. 4.
  17. Driessen T., Jeurissen R., Wijshoff H., Toschi F., Lohse D. // Phys. Fluids. 2013. V. 25. P. 062109.
  18. Rayleigh L. // Phil. Mag. S. 1892. V. 34. P. 145.
  19. Papageorgiou D.T. // Phys. Fluids. 1995. V. 7. P. 1529.
  20. Papageorgiou D.T. // J. Fluid Mech. 1995. V. 301. P. 109.
  21. Bazilevskii A.V., Voronkov S.I., Entov V.M., Rozhkov A.N. // Sov. Phys. Dokl. 1981.V. 26. P. 333.
  22. Bazilevskii A.V., Entov V.M., Lerner M.M., Rozhkov A.N. // Polymer Science A. 1997. V. 39. № 3. P. 316.
  23. Christanti Y., Walker L.M. // J. Non-Newton. Fluid Mech. 2001. V. 100. P. 9.
  24. Amarouchene Y., Bonn D., Meunier J., Kellay H. // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 86. P. 3558.
  25. Stelter M., Brenn G., Yarin A.L., Singh R.P., Durst F. // J. Rheol. 2000. V. 44. P. 595.
  26. Stelter M., Brenn G., Yarin A.L., Singh R.P., Durst F. // J. Rheol. 2002. V. 46. P. 507.
  27. Bazilevskii A.V., Entov V.M., Rozhkov A.N. // Polymer Science. A. 2001. V. 43. № 7. P. 716.
  28. Deblais A., Herrada M.A., Eggers J., Bonn D. // J. Fluid Mech. 2020. V. 904. P. R2.
  29. Yarin A.L. Free Liquid Jets and Films: Hydrodynamics and Rheology. New York: Wiley, 1993.
  30. Entov V.M., Hinch E.J. // J. Non-Newtonian Fluid Mech. 1997. V. 72. P. 31.
  31. Bird R.B., Armstrong R.C., Hassager O. Dynamics of Polymeric Fluids. Wiley: New York, 1987.
  32. McKinley G.H., Tripathi A. // J. Rheol. 2000. V. 44. P. 653.
  33. Anna S.L., McKinley G.H. // J. Rheol. 2001. V. 45. № 1. P. 115.
  34. McKinley G.H., Sridhar T. // Annu. Rev. Fluid Mech. 2002. V. 34. № 1. P. 375.
  35. Clasen C., Plog J.P., Kulicke W.-M., Owens M., Macosko C., Scriven L.E., Verani M., McKinley G.H. // J. Rheol. 2006. V. 50. P. 849.
  36. Bazilevskii A.V., Rozhkov A.N. // Fluid Dynamics. 2014. V. 49. P. 827.
  37. Bazilevskii A.V., Rozhkov A.N. // Fluid Dynamics. 2015. V. 50. P. 800.
  38. Dinic J., Zhang Y., Jimenez L.N., Sharma V. // ACS Macro Lett. 2015. V. 4. P. 804.
  39. Dinic J., Jimenez L.N., Sharma V. // Lab Chip. 2017. V. 17. P. 460.
  40. Keshavarz B., Sharma V., Houze E.C., Koerner M.R., Moore J.R., Cotts P.M., Threlfall-Holmes P., McKinley G.H. // J. Non-Newton. Fluid Mech. 2015. V. 222. P. 171.
  41. Renardy M.A. // J. Non-Newton. Fluid Mech. 1995. V. 59. P. 267.
  42. Chang H.-C., Demekhin E.A., Kalaidin E. // Phys. Fluids. 1999. V. 11. P. 1717.
  43. Li J., Fontelos M.A. // Phys. Fluids. 2003. V. 15. P. 922.
  44. Bhat P.P., Appathurai S., Harris M.T., Pasquali M., McKinley G.H., Basaran O.A. // Nat. Phys. 2010. V. 6. P. 625.
  45. Ardekani A.M., Sharma V., McKinley G.H. // J. Fluid Mech. 2010. V. 665. P. 46.
  46. Turkoz E., Lopez-Herrera J.M., Eggers J., Arnold C.B., Deike L. // J. Fluid Mech. 2018. V. 851. P. R2.
  47. Clasen C., Eggers J., Fontelos M.A., Li J., McKinley G.H. // J. Fluid Mech. 2006. V. 556. P. 283.
  48. Eggers J., Herrada M.A., Snoeijer J.H. // J. Fluid Mech. 2020. V. 887. P. A19.
  49. Oliveira M.S.N., McKinley G.H. // Phys. Fluids. 2005. V. 17. P. 071704.
  50. Oliveira M.S.N., Yeh R., McKinley G.H. // J. Non-Newtonian Fluid Mech. 2006. V. 137. P. 137.
  51. Sattler R., Wagner C., Eggers J. // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 100. P. 164502.
  52. Sattler R., Gier S., Eggers J., Wagner C. // Phys. Fluids. 2012. V. 24. P. 023101.
  53. Semakov A.V., Kulichikhin V.G., Tereshin A.K., Antonov S.V., Malkin A.Ya. // J. Polym. Sci., Polym. Phys. 2015. V. 53. P. 559.
  54. Semakov A.V., Skvortsov I.Yu., Kulichikhin V.G., Malkin A.Ya. // JETP Lett. 2015. V. 101. P. 690.
  55. Malkin A.Ya., Semakov A.V., Skvortsov I.Yu, Zatonskikh P., Kulichikhin V.G., Subbotin A.V., Semenov A.N. // Macromolecules. 2017. V. 50. P. 8231.
  56. Kulichikhin V.G., Skvortsov I.Yu., Subbotinn A.V., Kotominn S.V., Malkin A.Ya. // Polymers. 2018. V. 10. P. 856.
  57. Deblais A., Velikov K.P., Bonn D. // Phys. Rev. Lett. 2018. V. 120. P. 194501.
  58. Kibbelaar H.V.M., Deblais A., Burla F., Koenderink G.H., Velikov K.P., Bonn D. // Phys. Rev. Fluids. 2020. V. 5. P. 092001(R).
  59. Doi M., Onuki A. // J. Phys. II France. 1992. V. 2. P. 1631.
  60. Helfand E., Fredrickson G.H. // Phys. Rev. Lett. 1989. V. 62. P. 2468.
  61. Milner S.T. // Phys. Rev. E. 1993. V. 48. P. 3674.
  62. Cromer M., Villet M.C., Fredrickson G.H., Leal L.G., Stepanyan R., Bulters M.J.H. // J. Rheol. 2013. V. 57. P. 1211.
  63. Eggers J. // Phys. Fluids. 2014. V. 26. P. 033106.
  64. Subbotin A.V., Semenov A.N. // Polym. Sci., Polym. Phys. 2016. V. 54. P. 1066.
  65. Semenov A.N., Subbotin A.V. // Polym. Sci., Polym. Phys. 2017. V. 55. P. 623.
  66. Subbotin A.V., Semenov A.N. // Polymer Science C. 2018. V. 60. № 2. P. 106.
  67. Donets S., Sommer J.-U. // J. Phys. Chem. B. 2018. V. 122. P. 392.
  68. Donets S., Guskova O., Sommer J.-U. // J. Phys. Chem. B. 2020. V. 124. P. 9224.
  69. Subbotin A.V., Semenov A.N. // JETP Lett. 2020. V. 111. P. 55.
  70. Subbotin A.V., Semenov A.N. // J. Rheol. 2020. V. 64. P. 13.
  71. Subbotin A.V., Semenov A.N. // Macromolecules. 2022. V. 55. P. 2096.
  72. Semenov A., Nyrkova I. Polymers. 2022. V. 14. P. 4420.
  73. Subbotin A.V., Semenov A.N. // J. Rheol. 2023. V. 67. P. 53.
  74. Doi M., Edwards S.F. The Theory of Polymer Dynamics. New York: Oxford Univ. Press, 1986.
  75. Zhou J., Doi M. // Phys. Rev. Fluids. 2018. V. 3. P. 084004.
  76. Prabhakar R., Gadkari S., Gopesh T., Shaw M.J. // J. Rheol. 2016. V. 60. P. 345.
  77. Semenov A.N., Khokhlov A.R. // Phys. Usp. 1988. V. 156. P. 988.
  78. Landau L.D., Lifshitz E.M. Statistical Physics. New York: Pergamon Press, 1980.
  79. Lifshitz I.M., Slyozov V.V. // J. Phys. Chem. Solids. 1961. V. 19. P. 35.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (74KB)
Indexing metadata
3.

Download (104KB)
Indexing metadata
4.

Download (130KB)
Indexing metadata
5.

Download (85KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 А.В. Субботин, И.А. Ныркова, А.Н. Семенов

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».