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Dewetting of surfactant solutions close to receding three-phase contact lines

Straub, Benedikt Benjamin (2021):
Dewetting of surfactant solutions close to receding three-phase contact lines. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00018617,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Dewetting of surfactant solutions close to receding three-phase contact lines
Language: English
Abstract:

The wetting and dewetting behaviour of aqueous surfactant solutions is important for many natural processes and industrial applications like printing and coating processes. In order to control and optimize these processes, in-depth knowledge of the topic is required. Preliminary studies showed a significant influence of surfactants on the wetting and dewetting behaviour of aqueous solutions. This influence is also present for concentrations below the critical micelle concentration and increases with higher surfactant concentration. One hypothesis proposes that Marangoni effects close to the receding three-phase contact line of aqueous surfactant solutions are the cause for the altered dewetting behaviour. As of yet, this hypothesis could not be tested, since the dynamics and hence the flow field of aqueous surfactant solutions close to receding three-phase contact lines were not measured.

Therefore, in this work, the dynamic dewetting behaviour of aqueous surfactant solutions close to receding three-phase contact lines depending on the surfactant concentration was studied and the aforementioned hypothesis tested. For this purpose, two complementary experimental setups were developed making it possible to measure flow fields on the 10 µm scale close to receding three-phase contact lines. For one thing, a fast laser scanning confocal microscope was developed and built. It utilizes two instead of the usual one scan unit. Two-dimensional images can be recorded with a frame rate up to 1 kHz in the horizontal direction and up to 200 Hz in the vertical direction. Thus, it is significantly faster than comparable commercially available state-of-the-art microscopes. Additionally, astigmatism particle tracking velocimetry was used by modifying a commercial microscope. Since this method, in contrast to the confocal microscope, enables the direct measurement of three-dimensional flow fields, it was used to test the hypothesis.

This way, flow fields close to the receding three-phase contact line of drops consisting of aqueous surfactant solutions were measured with varying concentrations below the critical micelle concentration. The resulting flow fields were compared to an existing hydrodynamic theory for water. I discovered that especially close to the liquid/air interface of the drop at a distance of up to 112 µm from the three-phase contact line the flow fields of surfactant solutions differed from the expected flow field of water. The measured flow fields can only be explained if the free surface is not considered to be stress-free. This stress along the free surface corresponds to a Marangoni stress caused by a spatially differently distributed surfactant concentration. Thus, the initially presented hypothesis is verified. The Marangoni stress, as well as the gradient of surface tension along the free surface, were calculated based on the measured flow fields. Both parameters increase with increasing surfactant concentration. Even though the surface surfactant concentration close to the contact line only differs by 0.01 % from the equilibrium value, the observed influence on the flow fields is substantial. The measured effects occur even for absolute surfactant concentrations below 1 ppm. This indicates that even small impurities, which are in practice often unavoidable, have a significant influence on the dynamic dewetting behaviour of liquids.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Das Be- und Entnetzungsverhalten von Tensidlösungen spielt eine wichtige Rolle in vielen natürlichen Prozessen und industriellen Anwendungen, wie z.B. industriellen Druck- und Beschichtungsprozesse. Ein genaues Verständnis des Be- und Entnetzungsverhaltens von Tensidlösungen ist wichtig, um diese Prozesse zu kontrollieren und zu optimieren. Vorangegangene Arbeiten zeigten einen großen Einfluss von Tensiden auf das Be- und Entnetzungsverhalten wässriger Lösungen. Dieser Einfluss ist ebenfalls für geringe Tensidkonzentrationen unterhalb der kritischen Mizellenkonzentration vorhanden und nimmt mit steigender Konzentration zu. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass Marangoni Kräfte nahe der bewegten Dreiphasenkontaktlinien für die Veränderung des Benetzungsverhaltens von wässrigen Tensidlösungen verantwortlich sind. Diese Hypothese konnte bisher nicht experimentell überprüft werden, da die Dynamik bzw. das Strömungsfeld von wässrigen Tensidlösungen nahe zurückschreitender Dreiphasenkontaktlinien bisher nicht gemessen wurde.

Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit das dynamische Entnetzungsverhalten von wässrigen Tensidlösungen nahe zurückschreitender Dreiphasenkontaktlinien in Abhängigkeit von der Tensidkonzentration untersucht und die bestehende Hypothese getestet. Dazu wurden zwei komplementäre experimentelle Aufbauten erstellt, die es ermöglichen, Strömungsfelder auf der 10 µm Skala nahe der sich bewegenden Dreiphasenkontaktlinie zu messen. Ein schnelles konfokales Laser-Scanning-Mikroskop wurde entwickelt und gebaut. Es basiert auf zwei anstatt der üblichen einen Rastereinheiten und kann zweidimensionale Bilder mit bis zu 1 kHz in horizontale und 200 Hz in vertikale Richtung aufnehmen. Damit ist es deutlich schneller als vergleichbare kommerzielle Mikroskope. Zusätzlich wurde die Methode der astigmatischen Partikelverfolgung angewendet, indem ein bestehendes kommerzielles Mikroskop modifiziert wurde. Da diese Methode im Vergleich zum gebauten konfokalen Mikroskop die direkte Messung von dreidimensionalen Strömungsfeldern ermöglicht, wurde diese zum Testen der Hypothese verwendet.

Die Messung der Strömungsfelder erfolgte nahe der zurückweichenden Dreiphasenkontaktlinie von Tropfen bestehend aus wässrigen Tensidlösungen mit variierenden Konzentrationen unterhalb der kritischen Mizellenkonzentration. Die Strömungsfelder wurden mit einer bestehenden hydrodynamischen Theorie für Wasser verglichen. Ich habe herausgefunden, dass insbesondere nahe der Luft/Wasser Grenzfläche des Tropfens im Bereich bis zu 112 µm entfernt von der bewegten Dreiphasenkontaktlinien die Strömungsfelder der Tensidlösungen von der zu erwarteten Strömung für reines Wasser abweichen. Die gemessenen Strömungsfelder lassen sich nur erklären, wenn die freie Oberfläche nicht als spannungsfrei angenommen wird. Die gemessene Spannung entlang der freien Oberfläche entspricht einer Marangoni Spannung, die durch eine räumlich variable Tensidkonzentration hervorgerufen wird. Diese Beobachtung entspricht der eingangs formulierten Hypothese, welche somit grundsätzlich verifiziert ist. Aus den Strömungsfeldern konnte die Marangoni Spannung und der Gradient der Oberflächenspannung entlang der freien Oberfläche berechnet werden. Beide Parameter nehmen mit steigender Tensidkonzentration zu. Obwohl die ermittelte Oberflächenkonzentration des Tensids nahe der Kontaktlinie weniger als 0.01 % von der Gleichgewichtskonzentration abweicht, hatte dies erkennbaren Einfluss auf die Strömungsfelder. Die gemessenen Effekte treten ebenfalls für absolute Tensidkonzentrationen kleiner als 1 ppm auf. Dies impliziert, dass selbst kleinste Verunreinigungen, welche häufig unvermeidbar sind, einen entscheidenden Einfluss auf das dynamische Entnetzungsverhalten von Flüssigkeiten haben.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xxviii, 143 Seiten
Classification DDC: 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+A06 MPI Mainz
Date Deposited: 08 Jun 2021 09:54
Last Modified: 08 Jun 2021 09:54
DOI: 10.26083/tuprints-00018617
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-186174
Referees: Hardt, Prof. Dr. Steffen ; Butt, Prof. Dr. Hans-Jürgen
Refereed: 12 January 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/18617
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