Computational Spinning Model to Study Different Expressions Proposed in the Literature for the Elongational Viscosity Evaluation from Spinning Experimental Data

The relation between isothermal elongational flow and other flow kinematics, like shear flow, was of interest since the early stages of rheometry. The main seeking purpose was precisely to achieve the evaluation of the elongational viscosity as a function of elongational rate through other simpler kinematics attained easily in experimental programs and commercial rheometers. At present, it is known that this target is not possible. It is also clear that experimental data of the steady elongational viscosity of viscoelastic melts at different temperatures are quite difficult to obtain. In this sense, various techniques for determining the elongational properties of these materials were developed; the apparatuses involved are considered expensive, difficult to operate and unsuitable for most types of materials, especially for those having a low viscosity. A technique widely used at present dealing with a variety of polymer melts is the isothermal fiber spinning process in its well-known version designated Rheotens. This apparatus presents a challenging problem, which consists in translating measurements of the spinning flow kinematics and filament forces into those variables pertaining to pure elongation flow within the rheometric framework. According to what has been reported in the literature, different research groups have studied this difficult problem and proposed approximate solutions for this purpose. In the present work we use a computational model of isothermal melt spinning to study the different accuracies obtained with expressions suggested in previous works to evaluate the elongational viscosity from spinning experimental data. Some physical aspects concerning the requirements to attain appropriate experimental conditions are provided, mainly those concerning the description of different zones present in the spinning kinematics.Fil: Ottone, Mariel Lorena. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Peirotti, Marta Beatriz. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Deiber, Julio Alcides. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin

Modeling Melt Spinning with Stress Induced Crystallization at High Take Up Velocities: Numerical Results for the PET Melt

The purpose of this work is to present a 2-D thermo-rheological model for high take up velocities that can predict numerically in the filament domain, the axial velocity profile together with the radial and axial resolutions of stresses, temperature and degree of crystallization. The rheology of the filament is described through a constitutive equation that results from the combination of the Phan-Thien and Tanner viscoelastic model for the amorphous phase and the kinetic model of the rigid dumbbell for the crystalline phase immersed in the melt. The model is thus able to predict the thermal and mechanical coupling between both phases through the degree of transformation (relative degree of crystallization) when the balances of mass, momentum and energy are invoked. The effects of stress induced crystallization, viscoelasticity, friction of cooling air, filament inertia, gravity and surface tension are all considered together with the temperature dependency of polymer and cooling air thermo-physical properties. The rate of crystallization is evaluated through the nonisothermal Avrami-Nakamura equation. Also, the relaxation times of both phases are function of temperature and degree of transformation. Numerical predictions of the model compare well with experimental data reported in the literature for a PET melt at a take up velocity of 5490 m/min. Also, consistently with experimental observations reported in the literature, the “skin-core” structure is predicted. It is relevant to indicate that the model analyzed here can be evaluated from low to high take up velocities, and when the degree of crystallization becomes negligible, the one-phase model is recovered continuously.Fil: Ottone, Mariel Lorena. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Peirotti, Marta Beatriz. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Deiber, Julio Alcides. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin

Modeling the Melt Spinning of Polyethylene Terephthalate

A model is formulated to describe quantitatively the melt spinning of a polyethylene terephthalate (PET) within the low range of take up velocities. The rheology of the polymer melt is described with the Phan-Thien and Tanner constitutive equation for the stress tensor by considering both the instantaneous and retarded elastic responses. This theological model gives appropriate predictions of the velocity and temperature profiles of the filament, within the framework of the spinning model proposed in this work. This conclusion arises when numerical results of this model are compared with experimental data as well as other calculations available in the literature.Fil: Ottone, Mariel Lorena. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Deiber, Julio Alcides. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin

A Numerical method for the Viscoelastic Melt Spinning Model with Radial resolutions of Temperature and Stress Fields

A numerical method to compute the viscoelastic melt-spinning model with radial resolutions of temperature and stress fields is formulated and applied to the low speed range. The starting framework is the reduction of the complete continuous model into both the perturbed two-dimensional model and the perturbed average model obtained from a first-order regular perturbation analysis available in the literature. The polymer rheology is described with the nonisothermal Phan-Thien and Tanner and Giesekus constitutive equations. By using the implicit tridiagonal scheme of finite differences coupled to the fourth-order Runge−Kutta method, an iterative numerical algorithm is proposed for the computation of the coupled balance equations. The temperature and stress fields in the filament as functions of axial and radial positions are obtained for a well-refined mesh and with high numerical precision. The numerical algorithm considers the appropriate interplay between axial and radial varying temperature and stress fields and the rigorous averaged balances of momentum and energy and averaged constitutive equation. The development of a skin-core structure is predicted with the two rheological models.Fil: Ottone, Mariel Lorena. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Deiber, Julio Alcides. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin

Efecto de la Temperatura en la Degradación Hidrolítica de Hidrogeles Compuestos de Gelatina y Alcohol Polivinílico

Los hidrogeles de gelatina son aptos para la liberación controlada de drogas debido a sus propiedades de biodegradabilidad y biocompatibilidad sin generación de productos tóxicos. En este trabajo se usa el alcohol polivinílico (PVA) como agente de unión covalente de una gelatina de cuero de cerdo (PSG) para formar un hidrogel polianfolítico con una red heteropolimérica. En este sentido se formula aquí un hidrogel PSG-PVA con una relación de masas entre PVA y gelatina igual a 2. Se genera así una red polimérica con carga neta positiva alta, favoreciendo la fijación parcial de drogas cargadas negativamente mediante acomplejamiento iónico (Deiber et al., 2009; Porcaro et al., 2013). Durante el proceso de liberación de drogas desde estos hidrogeles ocurren degradaciones hidrolítica y enzimática in vivo de los enlaces ésteres y amidas inter- e intracadenas de la red, respectivamente. La degradación hidrolítica regenera los grupos hidroxilos del PVA y carboxilos de los residuos de aminoácidos en la cadena de gelatina y la degradación enzimática produce la ruptura de la cadena de gelatina en los enlaces amidas. Este trabajo estudia en particular las pérdidas de masas total y de especies del hidrogel y el cambio del número promedio de uniones covalentes por cadena de gelatina en la red, durante la degradación hidrolítica in vitro a diferentes temperaturas. Para ello se realizan ensayos de espectrofotometría, gravimetría y FTIR del hidrogel sumergido en PBS. El efecto de la temperatura en la degradación del hidrogel se cuantifica y discute en el contexto práctico de los procesos de carga y liberación de drogas.Fil: Ottone, Mariel Lorena. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Deiber, Julio Alcides. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin

Caracterización Reocinética de Soluciones Precursoras de Gelatina y Glutaraldehído para la Formación de Hidrogeles

Las cadenas polianfolíticas de gelatina en solución sepueden unir covalentemente con glutaraldehído (GTA) para formar matrices deuniones covalentes capaces de hidratarse en presencia de soluciones acuosas,formando lo que usualmente se denominan hidrogeles de gelatina. La uniónquímica entre cadenas se basa en la reacción de GTA con grupos aminos libres delos aminoácidos lisina o hidroxilisina presentes en las cadenas polipeptídicas.Para obtener estos hidrogeles adecuadamente formulados, en relación a laspropiedades mecánicas finales, se requiere primero la caracterizaciónreométrica-reológica de la solución precursora de GTA y gelatina a través de lafunción reométrica denominada viscosidad de corte mediante diferentes historiasmecánicas. La transición sol-gel en condiciones de reposo se puede describir através de un parámetro estructural básico que evoluciona al valor depercolación. En este contexto, dos respuestas asintóticas están bienidentificadas para el proceso de gelificación de soluciones macromoleculares (Ottoneet al., 2009). Una es la viscosidad inicial de la solución asociada a unparámetro estructural nulo (no está formada la miscroestructura). La otra es laviscosidad de percolación a velocidad de corte cero (suponiendo un valorinfinito cuando alcanza el punto de gelificación) y corresponde al valor máximodel parámetro estructural. En condiciones de flujo, es posible convertirdirectamente los datos experimentales de viscosidad de corte en función deltiempo para una velocidad de corte prefijada, en la evolución del parámetroestructural. En este trabajo se realizan ensayos reométricos a velocidades decorte constantes en una celda cono-plato y se evalúa la viscosidad de corte enfunción del tiempo de maduración de la solución precursora. Luego se aplica unmodelo reocinético que involucra el parámetro estructural formulado en laliteratura para soluciones concentradas de gelatina y suspensiones departículas colagénicas (Ottone et al., 2009, Deiber et al., 2011). Este modelocontempla la formación de microestructuras por enlaces químicos e interaccionesfísicas, y la destrucción mecánica de la misma.Fil: Ottone, Mariel Lorena. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Deiber, Julio Alcides. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin

Microstructure characterization through mechanical, electrokinetic and spectroscopic methods of polyampholyte gelatin hydrogels crosslinked with poly(vinyl alcohol)

The microstructure of polyampholyte gelatin hydrogels crosslinked covalently with fully hydrolyzed poly(vinyl alcohol) is characterized. The experimental methodology involves simple mechanical extension, spectroscopic and thermal methods (FTIR, XRD, DSC, TGA) and equilibrium swelling test to quantify relevant microstructural parameters and electrokinetic properties of this polyampholyte-polypeptide hydrogel, for a well defined range of crosslinker to gelatin mass ratios. These polyampholyte crosslinked matrices having different positive effective electrical charge are studied within an experimental and theoretical framework of their elastic and swelling properties. Estimations of average mesh size and toughness of the swollen hydrogels are provided. The feasibility of polyion complexation between positive crosslinked gelatin chains and negative bioactive macromolecules to be delivered through hydrogel biodegradation is analyzed. Several additional hydrogel properties are estimated like shear modulus, average molecular mass of network strands, swelling ratio, FloryeHuggins interaction parameter, hydrogel electrostatic zeta-potential and average effective charge number per chain before and after the crosslinking process to quantify gelatin chain cationization.Fil: Porcaro, Andrea. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química (i); ArgentinaFil: Ottone, Mariel Lorena. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química (i); ArgentinaFil: Deiber, Julio Alcides. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química (i); Argentin

Rheokinetic Model to Characterize the Maturation Process of Gelatin Solutions under Shear Flow

The characterization of maturing gelatin solutions in shear flow is required for an appropriate formulation of food products. Under static conditions, the maturation process of gelatin solutions may be described through a basic structural parameter evolving to the percolation value (gel point). Within the rheological framework, two asymptotic viscosities are well identified for the maturing process of gelatin solutions at the limit zero shear rate. One involves the initial solution viscosity that may be associated with the null structural parameter (the microstructure is not formed yet). The other is the percolation zero shear rate viscosity (assuming an infinite value when approaching the gel time) and corresponds to the maximum value of the structural parameter. Under flow, thixotropic theories combined with the knowledge of suspension rheology allow one to convert directly experimental data obtained as shear stress versus time for a given shear rate into the time evolution of the structural parameter. Consequently rheometric experimental data available places the search for a rheokinetic model of the structural parameter. Here, different expressions for this model are investigated, mainly those involving both the rates of structure breakdown and buildup, where the average cluster size is affected by the shear rate. The rate equation thus obtained may be then applied to arbitrary shear rate histories. Numerical results of the rheokinetic model proposed in this work fit well experimental rheometric data obtained in shear flow for the maturing of different gelatin solutions. Experimental data acquired in this work are presented and discussed in relation to those reported previously in the literature.Fil: Ottone, Mariel Lorena. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Peirotti, Marta Beatriz. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Deiber, Julio Alcides. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin

Computational Model for Non-Isothermal Melt Spinning Flows: The Low Take Up Velocity Range

This work shows the interrelation between non-isothermal melt spinning flows and the isothermal extensional flow described through rheometry. This analysis uses the iterative numerical algorithm presented by Ottone and Deiber for non-isothermal melt spinning flows in the low take up velocity range. The results obtained for two take up velocities (1500 and 2500 m/min) are then shown in the extensional rheometric map composed by the lines of the steady state rheometric extensional viscosity as function of the extensional rate at different parametric temperatures. Then the search of scaling functions that allows one the formulation of master curves relating both flows is analyzed and discussed.Fil: Ottone, Mariel Lorena. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Peirotti, Marta Beatriz. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Deiber, Julio Alcides. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin

Characterization of Cross-linked Polyampholytic Gelatin Hydrogels through the Rubber Elasticity and Thermodynamic Swelling Theories

A new approach is proposed to characterize polyampholytic gelatin hydrogels, cross-linked covalently with glutaraldehyde. An experimental methodology involving simple mechanical extension and compression and equilibrium swelling tests is developed to estimate relevant microstructural parameters and electrokinetic properties of this type of hydrogel, for different cross-linker to gelatin mass ratios. The polyampholytic cross-linked matrices are studied here in the framework of the rubber elasticity and thermodynamic swelling theories. The main purposes of this work are the estimations of average mesh size and toughness of the swollen hydrogels, and the determination of the feasibility of polyion complexation between cross-linked gelatin chains and bioactive macromolecules to be delivered through hydrogel biodegradation.Fil: Deiber, Julio Alcides. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Ottone, Mariel Lorena. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Piaggio, María Virginia. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Bioquímica y Ciencias Biológicas; ArgentinaFil: Peirotti, Marta Beatriz. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin