[논문]저비용 수제 연신레오미터 개발 및 성능 평가

김시현; 박한별; 김정현

doi:10.5407/jksv.2023.21.1.110

저비용 수제 연신레오미터 개발 및 성능 평가
Development and performance evaluation of a low-cost custom-made extensional rheometer 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.21 no.1, 2023년, pp.110 - 118

김시현 (Department of Mechanical Information Engineering, Seoul National University of Science and Technology) , 박한별 (Department of Mechanical Information Engineering, Seoul National University of Science and Technology) , 김정현 (Department of Mechanical System Design Engineering, Seoul National University of Science and Technology)

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Characterizing the extensional rheological properties of non-Newtonian fluids is crucial in many industrial processes, such as inkjet printing, injection molding, and fiber engineering. However, educational institutions and research laboratories with budget constraints have limited access to an expensive commercial extensional rheometer. In this study, we developed a custom-made extensional rheometer using a CO2 laser cutting machine and 3D printer. Furthermore, we utilized a smartphone with a low-cost microscopic lens for achieving a high spatial resolution of images. The aqueous polyethylene-oxide (PEO) solutions and a Boger fluid were prepared to characterize their extensional properties. A transition from a visco-capillary to an elasto-capillary regime was observed clearly through the developed rheometer. The extensional relaxation time and viscosity of the aqueous PEO solutions with a zero-shear viscosity of over 300 mPa·s could be quantified in the elasto-capillary regime. The extensional properties of the solutions with relatively small zero shear viscosity could be calculated using a smartphone's slow-motion feature with increasing temporal resolution of the images.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Photograph of (a) a custom-made extensional rheometer and (b) a liquid bridge formed between a syringe needle and a plate
그림 Fig. 2. Shear viscosity as a function of shear rate for aqueous PEO solutions and a Boger fluid with zero shear viscosity (𝜂₀ ) of ~ 150 mPa·s.
그림 Fig. 3. (a) Sequence of images to show thinning dynamics of 3.0 wt% PEO in water solution. The time interval between images is 0.05 s. (b) Time evolution of non-dimensional radius of 3.0 wt% PEO in water solution. Inset shows fitting lines of visco-capillary (red) and elasto-capillary (blue) scaling formulas.⁽¹⁰⁾
그림 Fig. 4. Time evolution of non-dimensional radius of aqueous PEO solutions and a Boger fluid with zero shear viscosity (η₀) of ~ 150 mPa·s. 2.0 wt% aqueous PEO solution data (solid line) from the literature⁽¹⁴⁾ is included.
표 Table 1. Extensional relaxation time of testing fluids measured by rheometers.
그림 Fig. 5. Extensional viscosity as a function of Hencky strain.
그림 Fig. 6. Non-dimensional radius data of 1.0 wt% PEO solution with different temporal resolutions.

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