Microscopic dynamics and rheology of colloidal gels

Abstract

In this dissertation we examine both linear and nonlinear response rheologyof concentrated colloidal suspensions with attractive interactions using a combi-nation of experiments and Brownian Dynamics (BD) simulations with the viewtowards understanding the link between microstructure and mechanical prop-erties. The experimental model system is depletion colloid-polymer mixturecomprising of a hard sphere (PMMA particles) colloidal suspension with theaddition of non-adsorbing linear polymer chains as depletant. We study a rangeof particle volume factions and attraction strengths exploring from a low parti-cle volume fraction gel to highly dense attractive glassy state. We also performBrownian Dynamics (BD) simulations in order to get both rheological and de-tailed structural information. We have studied four topics in this work: We rstexamine yielding of attractive glasses during start-up shear ow. For a xedvolume fraction of φ = 0.62, a wide range of attraction strengths and the rangesof attraction is investigated. We second, examine both linear and nonlinear re-sponse rheology of colloidal gels. A range of volume fractions, gel ages, andbond strengths are investigated. In the third part, we study by rheology andBrownian dynamics (BD) simulations the decay of stress over time after shearcessation of a well-developed steady shear ow in an intermediate volume frac-tion particle gel (φ = 0.44). In the last part, we interrogate both structural andmechanical properties of the gel during ow and its time evolution after shearcessation for both steady and oscillatory shear ow by a combination of exper-iments and BD simulations providing a link between structural and mechanicalproperties of the gel.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, πραγματοποιείται μελέτη της γραμμικής και μη γραμμικής ρεολογικής συμπεριφοράς πυκνών κολλοειδών διαλυμάτων με ελκυκτικές αλληλεπιδράσεις. Για την πλήρη κατανόηση της σχέσης μεταξύ της μικροδομής των κολλοειδών αυτών διαλυμάτων με τις μηχανικές τους ιδιότητες πραγματοποιήθηκαν ρεολογικές πειραματικές, οι οποίες συγκρίθηκαν με προσομοιώσεις Brownian δυναμικής. Το πειραματικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε αποτελείται από ένα μίγμα κολλοειδών σκληρών σφαιρών (PMMA) και γραμμικών πολυμερικών αλυσίδων που δεν απορροφούνται από το διαλύτη, οι οποίες παίζουν το ρόλο των depletants. Μελετήθηκαν διάφορες συγκεντρώσεις σωματιδίων και μεγέθους ελκτικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ αραιών κολλειδών γελών και των πυκνών κολλοειδών υάλων. Προκειμένου να εξάγουμε πληροφορίες για τη ρεολογική δομή των υπό μελέτη συστημάτων, χρησιμοποιήθηκαν προσομοιώσεις Brownian δυναμικής. Η παρούσα μελέτη αποτελείται από τέσσερα μέρη. Αρχικά διερευνήσαμε τη ρεολογική διαρροή κολλοειδών ελκτικών υάλων υπό συνθήκες start-up διατμητικής ροής. Μελετήθηκε η επίδραση της μεταβολής του μεγέθους των ελκτικών δυνάμεων για μία συγκεκριμένη συγκέντρωση (φ=0.62) σωματιδίων. Εν συνεχεία, μελετήθηκε η γραμμική και μη-γραμμική ρεολογική συμπεριφορά κολλοειδών γελών διαφόρων συγκεντρώσεων, η γήρανση των αντίστοιχων γελών, καθώς και διαφορετική δυναμική δεσμών μεταξύ των σωματιδίων. Στο τρίτο μέρος, μελετήθηκε η πτωτική εξέλιξη της διατμητικής τάσης με το χρόνο ύστερα από την παύση σταθερής διατμητικής καταπόνησης ενδιάμεσης συγκέντρωσης (φ=0.44) διαλύματος κολλοειδούς γέλης μέσω ρεολογίας και BD προσομοιώσεων. Στο τέλος, διερευνήθηκε η σχέση μεταξύ δομικών και μηχανικών ιδιοτήτων κολλοειδούς γέλης υπό συνθήκες σταθερούς και ταλαντωτικής διατμητικής ροής, καθώς και παύσης αυτής με τη χρήση πειραμάτων και προσομοιώσεων.