On the Rheology of Shear-Thickening and Magnetorheological Fluids Under Strong Confinement
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On the rheology of shear-thickening and magnetorheological fluids under strong confinement TESIS DOCTORAL Programa de Doctorado en Física y Ciencias del Espacio Elisa María Ortigosa Moya Directores Juan de Vicente Álvarez-Manzaneda Roque Isidro Hidalgo Álvarez Grupo de Física de Fluidos y Biocoloides Departamento de Física Aplicada 2020 Editor: Universidad de Granada. Tesis Doctorales Autor: Elisa María Ortigosa Moya ISBN: 978-84-1306-706-3 URI: http://hdl.handle.net/10481/65310 A mis padres y mi hermana. A los hijos de la tierra y los peces de ciudad. Agradecimientos Llega el momento de dedicar unas líneas de agradecimiento sincero a todos aquellos que de una u otra manera han estado a mi lado en días de sol, nubes y lluvia, ofreciéndome su ayuda, apoyo y tiempo para llevar a buen término esta tesis. En primer lugar quiero comenzar por dar las gracias a mis directores de tesis. A Juan, por ofrecerme la posibilidad de trabajar junto a él, un excepcio- nal investigador con capacidad para guiar el trabajo de cada vez más gente y hacerlo bien, además. Y a Roque, un insaciable aprendiz que contagia su ilu- sión por la ciencia. Gracias por lo aprendido y por vuestra confianza, consejos y paciencia durante estos años. Gracias también a los miembros del Departamento de Física Aplicada, en especial al Grupo de Física de Fluidos y Biocoloides, por dejarme aprender de vosotros en cada seminario y ayudarme en lo que he necesitado: Ana Belén, Julia, Alberto, Arturo, Teresa, Wagner, Curro y Miguel Ángel. A María, por su disposición y su sonrisa imborrable; a Pepe, compañero en el sótano con quien habría disfrutado en clase como alumna; a Delfi por sus firmas y cariño; a Miguel Cabrerizo, por acercar la ciencia a la gente; y especialmente a María José, Fernando y Stefania, por su constante ayuda en las prácticas de Biofísica cada curso. Del mismo modo, también ha sido un placer compartir las prácti- cas de Fundamentos físicos aplicados a las estructuras con Artur, Javier, Enri- vii Agradecimientos que, Matilde, José Antonio y Jorge, que tantas veces ha bajado las escaleras para asegurarse de que todo funcionaba bien en la sala. También quiero agra- decer la labor de los administrativos Conrado, Belén y Raquel, y la de Ángel y María Jesús como coordinadores del programa de doctorado, por su amable trato y facilitarnos la burocracia. Así mismo también me acuerdo de Felisa y su preciosa Ángela, de Marisa y esa coreografía tan ensayada y de María del Mar, que no dejó de repartir abrazos, alegría y sororidad. Este tiempo habría sido muy distinto de no ser por mis compañeros de la sala 휋푓, gracias a todos ellos por compartir tantos momentos juntos. A aque- llos que estuvieron poco tiempo al principio pero que sembraron un ambiente estupendo: Juan Pablo, Azahara, Germán y Diego. A José Antonio, por su sim- patía e inestimable ayuda en mis innumerables tropiezos con las simulacio- nes. Al hijo adoptivo de Nerja, Keshvad, por enseñarme tribología y encontrar los dulces más ricos en cada aeropuerto. A José Rafael, un ejemplo de eficien- cia que ha superado cada rasguño del rugby. Al fascinante y aventurero Guille, que nos llevó en chanclas hasta el techo peninsular y no dejó de alentarnos por aquellos preciosos parajes. A Tamara, por traer orden al laboratorio y una nueva sonrisa a la sala. A los que estuvieron de paso menos tiempo, como Ma- ría Laura con sus palabras de ánimo, antiguas y recientes, para “meterle pila” a la tesis; la encantadora Camila, Ester, Mónica, Ángel, Blanca, Alan, Jianjian, Martin y Dorota. Gracias también a Pablo Ibáñez, Yan, Alicia, Matthew, Pablo Graván y Sara por reavivar la sala, espero que sigáis cuidando de ella. Quiero dar las gracias a Paloma, Pablo y Samuel por luchar por todos, y a Milagros por su cercanía y apoyo. A Jose y Santiago, por solucionar problemi- llas en los clusters Proteus y Alhambra y su disposición a ayudarme cuando lo he necesitado. A los compis de la peña, con los que recargué las pilas cada miércoles. A Aurora, por su fiel compañía carrera tras carrera y hacerse un hueco entre nosotros. A Matt y David, por acompañarnos siempre que han podido. Y también a Maxwell, del que cada vez me asusto menos aunque salte más, y a Pablo Pamplona, Oviedo, Zamora…, por las divertidas confusiones. Recorrer el largo y pedregoso camino que emprendí ha sido mucho más fácil dentro de una burbuja rebosante de calidad humana, comprensión, com- pañía, entretenimiento, comida (mucha) y, en definitiva, amistad. Gracias por dejarme crecer y aprender a vuestro lado. A la divertida y organizada Irene, que tanto me ha hecho reír y enseñado sobre la idiosincrasia granaína. Es im- posible no echarla de menos a mi espalda, en el fútbol o bailando con lenguaje de signos. Menos mal que aun sin estar sigue estando y deleitándonos con sus viii Agradecimientos peripecias y virtuosismo eligiendo GIFs. A la pizpireta Aixa, por esas recetas tan ricas que nos ha preparado durante este tiempo y contagiarnos su alegría. A Luis, por estar pendiente de mí en los momentos delicados, ser un buen senpai y entretenernos con sus aventuras. Gracias Leo, por ser el pegamento más antiguo y duradero del grupo, cuidar de todos nosotros y enseñarnos a compartir. A Migue, que casi no tuvo cascarón y de quien tanto se puede aprender. A Pablo con su desparpajo malagueño y su faceta actoral, porque todo es más divertido si está cerca. A Nico, por su energía desbordante y su memoria infinita para el quesito rosa, lleno de ideas para hacer regalos de tesis y sobre dónde ir a comer, y por presentarme a los dragones. A Ana, que no puede ser más “apañá”, por los ratos de recetas, costura, deporte y los cur- sillos exprés de sevillanas. A Javi con sus apuestas siempre ganadoras, por enseñarme algo de fonética y por qué el 28 es un número perfecto, aunque nunca viéramos su tesis. A su particular Zipi, Alvaro, por sus acertadas reco- mendaciones tecnológicas. El brillante Adri consiguió que muchos nos leyé- ramos su tesis para encontrar dónde estaba la gracia, al mismo tiempo que nos recordaba que somos una ohana en la que nadie se deja atrás. Gracias al polifacético José Alberto, por aguantarme estos años y cuidar de mí, por ense- ñarnos a protegernos para ser un poquito más libres, por las clases de armo- nía y mostrarme unos anillos muy lejanos, por tantas risas y complicidad. Soy muy consciente de que difícilmente volveré a toparme con tanta gente tan capaz, divertida y cariñosa como vosotros. Sois especiales. También quiero dar las gracias a mis ingenieros repartidos por el mundo, por su memoria, con la que completamos nuestros puzles de anécdotas pasa- das para acabar llorando de risa: Nuria, Susana, Blanco, Juanjo, Antonio, Abraham, Candela y mis queridos tomatitos. También quiero agradecer su continuo interés y apoyo a Amabel, Lorena, Dani y Alfonso. A Pedro, que me peina el alma y me la enreda, y cuyo aliento y sustento no me dejan caer. Gracias por seguir estando a mi lado por lejos que me en- cuentre, por hacerme reír y mimarme, por quererme. A mi familia, que siem- pre está ahí aunque todo cambie, y a la dulce Rocío. A mi hermana, Jose y sus dos tesoros, que consiguen sacarme una sonrisa a la mínima. Y, finalmente, gracias a mis padres, los cimientos firmes que siempre me ofrecen su ejemplo de lucha, unión y amor, y que me enseñaron que ante un gran salto como este hay que coger un gran impulso. Os quiero. ix Financiación La investigación que ha conducido a la realización de esta tesis doctoral ha sido financiada por el Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO), mediante los proyectos MAT 2013-44429-R y MAT 2016- 78778-R, el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) y por la Jun- ta de Andalucía mediante el proyecto P11-FQM-7074. La doctoranda agradece la ayuda predoctoral para la formación de doctores FPI 2014/069341. xi Contents Abstract xvii Resumen xxi Part I: Introduction 1 1. Background 3 1.1. Complex fluids 3 1.1.1. Colloids 4 1.1.2. Field-responsive materials 7 1.1.3. Concentrated suspensions 11 1.1.4. Shear thickening 12 1.2. Basis on magnetism 14 1.2.1. Types of magnetic materials 16 1.3. Rheology 17 1.3.1. Types of materials and their rheological response 18 1.3.2. Constitutive equations and material functions 20 1.3.3. Effect of volume fraction in viscosity 24 1.4. Tribology 26 1.4.1. Generalities 26 1.4.2. Reynolds equation 31 1.4.3. Film thickness 32 1.5. Simulation methods for colloidal suspensions 35 1.6. References 36 xiii Contents 2. Justification 41 2.1. Objectives 43 2.2. Outline of the thesis 44 2.2.1. Rheology in dense suspensions 44 2.2.2. Tribology in inelastic non-Newtonian fluids 45 2.2.3. Rheology of diluted MR fluids under squeeze flow 46 3. Methodology 47 3.1. Materials 47 3.1.1. Starch 47 3.1.2. Fumed silica 50 3.1.3. Carbonyl iron 50 3.1.4. Sample preparation 52 3.2. Experimental methods 56 3.2.1. Rheometry 56 3.2.2. Tribometry 67 3.2.3. Microscopic characterization 68 3.2.4. Analysis of particle size distribution 73 3.2.5. Colloidal stability 75 3.2.6. Contact angle measurement 80 3.2.7. Calibration of the magnetic field applied by a solenoid 81 3.3. Simulation methods 82 3.3.1.