No / Flows of complex fluids need to be understood at both macroscopic and molecular scales, because it is the macroscopic response that controls the fluid behavior, but the molecular scale that ultimately gives rise to rheological and solid-state properties. Here the flow field of an entangled polymer melt through an extended contraction, typical of many polymer processes, is imaged optically and by small-angle neutron scattering. The dual-probe technique samples both the macroscopic stress field in the flow and the microscopic configuration of the polymer molecules at selected points. The results are compared with a recent "tube model" molecular theory of entangled melt flow that is able to calculate both the stress and the single-chain structure factor from first principles. The combined action of the three fundamental entangled processes of reptation, contour length fluctuation, and convective constraint release is essential to account quantitatively for the rich rheological behavior. The multiscale approach unearths a new feature: Orientation at the length scale of the entire chain decays considerably more slowly than at the smaller entanglement length.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第22474号 / 工博第4735号 / 新制||工||1740(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科化学工学専攻 / (主査)教授 山本 量一, 教授 渡辺 宏, 准教授 谷口 貴志 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第17828号 / 工博第3771号 / 新制||工||1576(附属図書館) / 30643 / 京都大学大学院工学研究科分子工学専攻 / (主査)教授 渡辺 宏, 教授 金谷 利治, 教授 山本 量一 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

No / Using SANS to map the deformation of individual polymer chains in the vicinity of re-entrant corners in a contraction−expansion flow, we show that stress singularities at such corners, predicted by formulations of fluid dynamics that lack a molecular basis, do not cause extreme deformation of the chains. Multiscale modeling based on a nonlinear tube theory incorporating appropriate relaxation processes quantitatively reproduces the observed scattering, thus providing further evidence for the universality of the tube model for polymer flow.

In this thesis we design and develop algorithms for predicting the rheological behavior of polymer melts based on the results of detailed atomistic simulations and guided by theories of the Dynamics of Polymers and fundamental Principles of Science of the Non-Equilibrium Thermodynamics. More specifically: 1) We propose a new rheological constitutive model for the time evolution of the tensor conformation tensor C of chains in a polymer melt (and hence the stress tensor τ) using the generalized bracket formalism of Beris and Edwards. The new constitutive model includes terms that describe a whole range of phenomena and are successfully used to describe the rheological properties of commercial polyethylene resins. 2) We developed a new methodology that allows direct connection of the results of atomistic simulations with molecular reptation theory for entangled polymers. The final result of the methodology is the calculation of the function ψ(s,t) which expresses the probability that the segment s along the contour of the primitive path remain in the original tube after time t. 3) We extended the Rouse theory for systems without polymer chain ends, as the polymer rings. While there have been previous theoretical work, a comprehensive analysis of the Rouse model of cyclic polymers was still lacking; here we develop the theory in its entirety. / Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής σχεδιάσαμε και αναπτύξαμε αλγορίθμους πρόβλεψης της ρεολογικής συμπεριφοράς πολυμερικών τηγμάτων βασιζόμενοι στα αποτελέσματα λεπτομερών ατομιστικών προσομοιώσεων, καθοδηγούμενοι όμως από Θεωρίες της Δυναμικής των Πολυμερών αλλά και από θεμελιώδεις αρχές της Επιστήμης της Θερμοδυναμικής Εκτός Ισορροπίας. Πιο συγκεκριμένα: 1) Προτείνουμε αρχικά ένα νέο ρεολογικό καταστατικό μοντέλο για τη χρονική εξέλιξη του τανυστή διαμορφώσεων C των αλυσίδων σε ένα πολυμερικό τήγμα (και κατ’ επέκταση για τον τανυστή των τάσεων τ) κάνοντας χρήση του φορμαλισμού των γενικευμένων αγκυλών των Beris και Edwards. Το νέο καταστατικό μοντέλο περιλαμβάνει όρους που περιγράφουν ένα ολόκληρο φάσμα φαινομένων και χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία για την περιγραφή των ρεολογικών ιδιοτήτων εμπορικών ρητινών πολυαιθυλενίου. 2) Αναπτύξαμε μια καινούργια μεθοδολογία που επιτρέπει την άμεση σύνδεση των αποτελεσμάτων των ατομιστικών προσομοιώσεων με τη μοριακή θεωρία του ερπυσμού για διαπλεγμένα πολυμερή. Το τελικό αποτέλεσμα της μεθοδολογίας είναι ο υπολογισμός της συνάρτησης ψ(s,t) που εκφράζει την πιθανότητα το σημείο s κατά μήκος του περιγράμματος του πρωτογενούς δρόμου των αλυσίδων να παραμένει στον αρχικό σωλήνα μετά από χρόνο t. Επεκτείναμε τη θεωρία Rouse και για συστήματα πολυμερικών αλυσίδων δίχως άκρα, όπως αυτά των πολυμερικών δακτυλίων. Παρότι στίγματα της θεωρίας είχαν παρουσιαστεί και σε προηγούμενες εργασίες από άλλους ερευνητές, στην παρούσα διατριβή αναπτύξαμε τη θεωρία στην ολότητά της.