TU Darmstadt / ULB / TUprints

Wetting States of Droplets on Patterned Surfaces and in an Electric Field

Hartmann, Maximilian Roland (2021):
Wetting States of Droplets on Patterned Surfaces and in an Electric Field. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017420,
[Ph.D. Thesis]

[img]
Preview
Text (Akzeptierte Dissertation Maximilian Hartmann)
dissertation_MHartmann_final_CC-BY.pdf
Available under CC BY 4.0 International - Creative Commons, Attribution.

Download (18MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Wetting States of Droplets on Patterned Surfaces and in an Electric Field
Language: English
Abstract:

In nature, wetting of patterned surfaces by droplets is omnipresent. For example, it is used by the Stenocara desert beetle in the Namibian desert to collect moisture from the air. However, it also plays a vital role in engineering applications such as water harvesting or inkjet printing. Furthermore, the transport of droplets over substrates is possible by chemically modifying its surface to create a wetting pattern. The movement of sessile droplets can also be achieved by the application of an electrostatic field. In this case, fluid structures can occur, which are relevant, for instance, in electrospinning.

In a first instance, the stability of water droplets on chemically patterned surfaces consisting of alternating hydrophilic and hydrophobic stripes is studied experimentally, numerically, and based on a scaling model. The boundary between the contact angle contrasts, leaving the droplets intact (stable) and those leading to droplet breakup (unstable), is computed numerically with the Surface Evolver, which is a numerical tool that minimizes the surface energy. The existence of a stable and unstable regime found with numerics is confirmed experimentally. In the unstable regime, when approaching droplet breakup, an H-shaped configuration with two liquid fingers on the hydrophilic stripes connected by a capillary bridge spanning the hydrophobic stripe is found. For decreasing volumes, the width of this capillary bridge decreases until a critical value is reached at which the droplet breaks up. A simple scaling model is presented, which predicts the critical bridge width. According to the model, the droplet becomes unstable when the increasing Laplace pressure inside the bridge can no longer be balanced by the pressure inside the liquid fingers on the hydrophilic stripes. The model is verified by the experiments and the Surface Evolver simulations.

The breakup dynamics of the capillary bridge observed on the hydrophobic stripe in the unstable regime is studied experimentally and numerically. By considering the breakup speed as a function of the minimum capillary bridge width, the breakup dynamics can be evaluated without the uncertainty in determining the precise breakup time. The simulations are based on the Volume-of-Fluid (VOF) method. In order to construct physically realistic initial data for the VOF-simulation, Surface Evolver is employed to calculate an initial configuration consistent with experiments. It is found that the breakup of the capillary bridge cannot be characterized by a unique scaling relation. Instead, different scaling exponents are found at different stages of the breakup process, accompanied by qualitative changes in the shape of the bridge. In the final stage of the breakup, the capillary bridge forms a liquid thread that breaks up consistently with the Rayleigh-Plateau instability.

Surface Taylor Cones (STCs) on hydrophilic substrates with low contact angle hysteresis are reported and investigated experimentally. STCs are structures analogous to the classical Taylor-Cones developing when a region of a liquid surface gets exposed to a strong electric field. In the present case, this region is located at the three-phase contact line, and the resulting force originating from the electric field is directed parallel to the surface. Initially, due to the Maxwell tension, only the contact angle is reduced compared to the drop without the electric field, while the drop shape itself appears to be not influenced. Subsequently, a liquid tongue is formed, which develops into a conical structure with an increasingly prominent tip, while the contact angle progressively decreases during this process. Finally, the liquid surface breaks down, and a jet emerges from the liquid cone tip that is in contact with the substrate and directed towards the electrode. It is found that the STCs can only develop on hydrophilic, low contact angle hysteresis substrates. The STC is characterized and compared to the original Taylor-Cone and a similar shape that can be observed at the receding side of droplets sliding down an inclined surface.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Benetzung gemusterter Oberflächen durch Tropfen ist in der Natur allgegenwärtig. Beispielsweise wird sie vom Stenocara Wüstenkäfer in der Namib Wüste genutzt, um Feuchtigkeit aus der Luft zu sammeln. Aber auch in Ingenieuranwendungen wie der Wassergewinnung, oder dem Tintenstrahldruck spielt sie eine wichtige Rolle. Des Weiteren ist der Transport von Tropfen über Substrate durch das Aufbringen von Benetzungsmustern möglich. Dieser kann auch mittels elektrostatischer Felder realisiert werden. Hierbei können Fluidstrukturen auftreten, die beispielsweise beim Elektrospinnen relevant sind.

In der vorliegenden Arbeit wird zunächst die Stabilität von Wassertropfen auf chemisch strukturierten Oberflächen, die aus abwechselnden hydrophilen und hydrophoben Streifen bestehen, experimentell, numerisch und basierend auf einem Skalierungsmodell untersucht. Die Grenze zwischen den Kontaktwinkelkontrasten, also der Differenz der Kontaktwinkel zwischen den hydrophilen und den hydrophoben Streifen, bei denen die Tropfen intakt (stabil) bleiben, und denen, die zum Aufbrechen der Tropfen führen (instabil), wird mit Surface Evolver, einem numerischen Tool zur Minimierung der Oberflächenenergie, berechnet. Die so ermittelte Stabilitätsgrenze zwischen instabilem und stabilem Regime wird experimentell bestätigt. Innerhalb des instabilen Regimes wird eine Tropfenform identifiziert, bei der eine Kapillarbrücke auf dem hydrophoben Streifen zwei auf den angrenzenden hydrophilen Streifen befindlichen Flüssigkeitsfinger verbindet. Bei durch Verdunstung abnehmendem Volumen nimmt die Breite dieser Kapillarbrücke ab, bis sie einen kritischen Wert erreicht, bei dem die Brücke instabil wird. Es wird ein einfaches Skalierungsmodell präsentiert, mit dem die kritische Breite vorhergesagt werden kann. Gemäß dem Modell wird ein Tropfen instabil, wenn der zunehmende Laplace-Druck innerhalb der Brücke nicht mehr durch den Druck innerhalb der Flüssigkeitsfinger auf den hydrophilen Streifen ausgeglichen werden kann. Dies wird durch einen Vergleich mit Experimenten und numerischen Berechnungen verifiziert.

Die Dynamik des im instabilen Bereich auf dem hydrophoben Streifen beobachteten Aufbruchs der Kapillarbrücke wird experimentell und numerisch untersucht. Durch Betrachten der Aufbruchgeschwindigkeit über der zugehörigen minimalen Kapillarbrückenbreite kann die Unsicherheit durch die Wahl des exakten Aufbruchzeitpunktes eliminiert werden. Die Simulation basiert auf der Volume-of-Fluid (VOF) Methode. Eine physikalisch realistische Anfangsbedingung für die VOF-Simulation wird mit Surface Evolver berechnet. Es zeigt sich, dass der Aufbruch der Kapillarbrücke nicht durch ein eindeutiges Skalierungsgesetz charakterisiert werden kann. Die Form der Brücke unterliegt qualitativen Änderungen und in verschiedenen Phasen des Aufbruchprozesses finden sich unterschiedliche Skalierungsexponenten. In der letzten Phase des Aufbruchs bildet die Kapillarbrücke einen flüssigen Faden, dessen Aufbruch mit der Rayleigh-Plateau Instabilität konsistent ist.

Experimentelle Untersuchungen zu Surface Taylor Cones (STCs) auf hydrophilen Substraten mit niedriger Kontaktwinkelhysterese werden präsentiert. STCs sind Strukturen analog zu klassischen Taylor-Cones, die sich entwickeln, wenn ein Bereich einer Flüssigkeitsoberfläche einem starken elektrischen Feld ausgesetzt wird. Im vorliegenden Fall befindet sich dieser an der Dreiphasenkontaktlinie. Die durch das elektrische Feld resultierende Kraft ist parallel zur Oberfläche gerichtet. Im Vergleich zum Tropfen ohne elektischem Feld ist der Kontaktwinkel aufgrund der Maxwell Spannung zu Beginn des Experiments verringert, während die Tropfenform an sich unberührt erscheint. Im weiteren Verlauf bildet sich unter fortschreitender Abnahme des Kontaktwinkels eine Flüssigkeitszunge, die sich zu einer kegelförmigen Struktur mit zunehmend ausgeprägter Spitze entwickelt. Schließlich bricht die Flüssigkeitsoberfläche zusammen und es tritt von der Spitze des Kegels ein Jet aus, der auf die Elektrode gerichtet ist. Dieser Vorgang findet nur auf hydrophilen Substraten mit geringer Kontaktwinkelhysterese statt. Der STC wird charakterisiert und mit dem Taylor-Cone, sowie einer dem STC ähnlichen Tropfenform verglichen, die auf der entnetzenden Seite gleitender Tropfen auf einer schiefen Ebene beobachtet werden kann.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xx, 105 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Nano- and Microfluidics (NMF)
TU-Projects: DFG|SFB1194|TP A02 Hardt
Date Deposited: 03 Mar 2021 11:46
Last Modified: 03 Mar 2021 11:46
DOI: 10.26083/tuprints-00017420
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-174209
Referees: Hardt, Prof. Dr. Steffen and Gambaryan-Roisman, Prof. Dr. Tatiana
Refereed: 8 December 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17420
Export:
Actions (login required)
View Item View Item