Qualitative analysis of the capillary flow stability of spurting materials by using transmitted light intensity measurements

B.M. Marín Santibañez, F. Rodríguez González, J. Pérez-González, L.A. Vega Acosta M. and E. Moreno García

Laboratorio de Reología, Departamento de Física, Escuela Superior de Física y Matemáticas, Instituto Politécnico Nacional, Apartado Postal 118-209, C.P. 07051, México D.F., México.

Recibido el 24 de febrero de 2003. ]]> Aceptado el 19 de mayo de 2004.

Abstract

The stability in the capillary flow of spurting materials was analyzed by following the temporal variation of their average birefringence. Two different fluids were analyzed, a high-density polyethylene melt, and an aqueous micellar solution of Cetylpyridinium Chloride and Sodium Salicylate. Birefringence changes were detected through measurements of the transmitted light intensity and video images of the flow channel. Transmitted light intensity measurements were more sensitive and provided better information about the flow stability than pressure ones. An unstable flow region was present in the micellar solution before the onset of spurt. Also, there were periodic changes in the optical properties of both fluids, in the spurt region and at higher shear rates, which indicate that the flow is also unstable in the high shear rate branch, in contrast to the generalized assumption of the stable flow in such regime. Several frequency components of the transmitted light intensity were observed, coincident with different spurts, in the unstable flow regimes for both fluids. Finally, an outstanding decrease in the transmitted light intensity was observed in both fluids under flow conditions where slip was present.

Keywords: Flow instabilities; slip; birefringence; high-density polyethylene; micellar solutions.

Resumen

La estabilidad en el flujo de Poiseuille de materiales que exhiben flujo repentino, fue analizada siguiendo la variación temporal de su birrefringencia promedio. Dos fluidos diferentes fueron analizados, un polietileno de alta densidad fundido y una solución micelar acuosa de cloruro de cetilpiridinio y salicilato de sodio. Los cambios de birrefringencia fueron detectados a través de mediciones de la intensidad de luz transmitida e imagenes de video del sistema de flujo. Las mediciones de intensidad de luz transmitida fueron más sensibles y proporcionaron mejor información acerca de la estabilidad del flujo que las de presión. Se presentó una región de flujo inestable en la solución micelar antes del inicio del flujo repentino. También, hubo cambios periódicos en las propiedades ópticas de ambos fluidos en las regiones de flujo repentino y de alta rapidez de deformación, lo cual indica que el flujo también es inestable en la rama de alto corte, en contraste con la suposición generalizada de flujo estable en ese régimen. Se observaron varias componentes de frecuencia de la intensidad de la luz transmitida, coincidentes con diferentes cambios repentinos en el flujo, en los regímenes inestables para ambos fluidos. Finalmente, se observó una notable disminución en la intensidad de la luz transmitida bajo condiciones de flujo en las que el deslizamiento estuvo presente.

Descriptores: Inestabilidades de flujo; deslizamiento; birrefringencia; polietileno de alta densidad; soluciones micelares.

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Acknowledgements

This research was supported by CGPI-IPN (20010565) and CONACYT (34971-U). B.M. M-S and F.R-G had PIFI and CONACYT scholarships. J. P-G, L. de V and E. M-G are COFFA-EDI-EDD fellows. We acknowledge the reviewers for very useful comments.

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