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The influence of substrate's elasticity and thermal properties on drop evaporation

Camarinha Lopes, Marcus :
The influence of substrate's elasticity and thermal properties on drop evaporation.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: The influence of substrate's elasticity and thermal properties on drop evaporation
Language: English
Abstract:

This work contributes to expand the scientific knowledge on sessile drop evaporation by presenting experimental investigations on the influence of substrate’s elasticity, thermal conductivity, thermal diffusivity and wettability on the evaporation of a sessile drop.

Performed experimental investigations show that soft substrates (Young’s modulus below 10 MPa) are able to directly influence the dynamics of the triple-phase-contact-line (TPCL) of a sessile drop by influencing its receding contact angle. A model to predict the change of the receding contact angle in dependence of the Young’s modulus and maximal deformation height of the substrate was developed and reproduced experimental values very well. The influence on the receding contact angle has consequences for the evaporation mode of the drop. Softer substrates delay the transition from constant contact radius (CCR) to constant contact angle (CCA) evaporation mode. Because evaporation rate of a drop during the CCR mode is higher than during CCA mode, evaporation is faster on softer substrates. By finetuning the Young’s modulus of a polydimethylsiloxane elastomer (PDMS), the control of evaporation mode and, consequently, evaporation time was demonstrated.

In this work, investigation on particle deposition during the evaporation of water-silica suspension drops showed that the TPCL velocity increases with decreasing Young’s modulus of the substrate. A model for the contact line velocity considering capillary forces, viscoelastic dissipation, and contact line friction was developed and reinforced experimental findings. With increasing TPCL velocity, the thickness of the liquid film (Landau-Levich film) trailing behind the drop rim increases. Particles smaller than this film were more likely to be deposited. Particles larger than the thickness of the film moved together with the contact line and were accumulated until the contact line was pinned. Particle accumulation at the TPCL is thus a result not only of the evaporation driven flow, like described in previous work, but also of the movement of the TPCL. Fine-tuning of Young’s modulus of PDMS substrates allowed the control of particle deposition without having to necessarily modify the used suspension

Thermal conductivity controlled the evaporation rate by affecting the temperature underneath the drop. Substrates with higher thermal conductivity have higher temperatures underneath the drop because enough heat could be transported to the cooling drop. For substrates with low thermal diffusivity the temperature decreases steadily during the course of evaporation. Consequently, differently than mostly assumed, thermal properties need to be considered for a precise prediction of evaporation rate and time.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Tropfenverdunstung ist ein natürlicher Prozess und zugleich von großem Interesse für viele technische Anwendungen. Erste wissenschaftliche Studien über die Tropfenverdunstung datieren vom Anfang des 20. Jahrhunderts. Seitdem hat sich diese Forschungsrichtung stark entwickelt und verschiedene technische Anwendungen basieren auf der Verdunstung von Tropfen oder hängen von dieser ab. Beispiele hierfür sind „crop spraying“, Spraykühlung, Kraftstoffverbrennung oder Inkjet-Drucken. Die Verdunstung von reinen Flüssigkeitstropfen auf harten und inerten Oberflächen ist in der Vergangenheit gründlich untersucht und seit der Arbeit von Picknett und Bexon auch ausführlich ergründet worden. Trotz der verzeichneten wissenschaftlichen Fortschritte im Laufe des letzten Jahrhunderts ist weitere Grundlagenforschung über den Einfluss der Eigenschaften des Substrats – wie beispielsweise die Elastizität, die thermischen Eigenschaften sowie die Benetzbarkeit – auf die Verdunstung notwendig. Die vorliegende Dissertation trägt dazu bei, diese wissenschaftliche Lücke zu schließen. Darüber hinaus präsentiert diese Dissertation Untersuchungen über den Einfluss von Substrat-Elastizitätsmodulen auf das Ablagerungs-Muster, welches bei der Verdunstung von Tropfen aus Wasser-Silica Suspensionen generiert wird. Die durchgeführten Experimente der Tropfenverdunstung (Kapitel 4) auf Oberflächen mit kontrolliertem Elastizitätsmodul zeigen, dass Tropfen schneller auf weichen Polydimethylsiloxanen (PDMS)-Substraten (Elastizitätsmodul von ~0.02 MPa) verdunsten als auf harten PDMS-Substraten (Elastizitätsmodul von ~1.5 MPa). Die schnellere Verdunstung auf weicheren Oberflächen ist durch die unterschiedliche dynamische Entwicklung des „receding“-Kontaktwinkels der Tropfen zu erklären, was eine direkte Konsequenz der Verformung des Substrats in der Nähe der Kontaktlinie („triple-phase-contact-line“) infolge der Oberflächenspannung des Tropfens ist. Es wird auch gezeigt, wie der Verdunstungsmodus von Tropfen mithilfe des Substrats mit einstellbarem Elastizitätsmodul kontrolliert werden kann. Hierfür ist ein vereinfachtes Modell zur Beschreibung des „receding“-Kontaktwinkels in Abhängigkeit des Elastizitätsmoduls und der maximalen Verformungshöhe des Substrats entwickelt worden, welches die experimentellen Werte gut abbildet. Die Untersuchung der Ablagerung von Partikeln bei der Verdunstung von Tropfen aus Wasser-Silica-Suspensionen auf PDMS-Substraten zeigt (Kapitel 5), dass die Geschwindigkeit der Kontaktlinie während der Verdunstung vom Elastizitätsmodul des Substrats abhängig ist. Da die Ablagerung von Partikeln durch diese Geschwindigkeit kontrolliert wird, wird die Ablagerung während der Verdunstung bei konstantem Kontaktwinkel vom elastischen Substrat beeinflusst. Die Ablagerung der Partikel ist daher auch kontrollierbar, ohne zwangsläufig die Eigenschaften der Flüssigkeit oder der Partikel ändern zu müssen. Das Verhältnis zwischen Höhe der Ablagerung am Rand und im Zentrum – ein wichtiger Parameter für die Charakterisierung der Homogenität der Ablagerung – sinkt mit sinkendem Elastizitätsmodul. Ich habe ein Modell entwickelt, um die Geschwindigkeit der Kontaktlinie unter Berücksichtigung von Kapillarkräften, der viskoelastischen Dissipation im sowie der Reibung der Kontaktlinie auf dem Substrat zu beschreiben. Die experimentell beobachteten Werte werden sehr gut wiedergegeben. Die Untersuchung der thermischen Eigenschaften (Wärme- und Temperaturleitfähigkeit) sowie der Benetzbarkeit des Substrats auf die Tropfenverdunstung (Kapitel 6) zeigt, dass Tropfen auf höher wärmeleitenden Substraten (Silizium) schneller verdunsten als auf weniger wärmeleitenden Substraten (Glas). Mithilfe eines von meinem Kooperationspartner (TTD, TU Darmstadt) entwickelten numerischen Modells habe ich nachgewiesen, dass die Temperatur unterhalb des Tropfens ursächlich für die unterschiedliche Verdunstungszeit ist. Des Weiteren zeigt sich, dass die Benetzbarkeit des Substrats oder die Zugabe von Tensiden die Benetzungsmenge (Menge der Flüssigkeit, die auf dem Substrat haften bleibt) einer besprühten Probe beeinflussen. Sowohl bei steigender Hydrophilie als auch bei Zugabe von Tensiden, sinkt die Benetzungsmenge auf dem Substrat. Dementsprechend wird die vollständige Trocknung der Substrate durch Verdunstung schneller. Abschließend ist festzuhalten, dass die in der vorliegenden Dissertation vorgestellten Ergebnisse einen konkreten Fortschritt in der Grundlagenforschung über Tropfenverdunstung darstellen. Ich habe gezeigt, dass die Elastizität des Substrats in der Lage ist, die Dynamik der Kontaktlinie direkt zu beeinflussen. Dadurch ist es auch möglich die Verdunstung des Tropfens sowie die Ablagerung der Partikel zu kontrollieren. Je kleiner der Elastizitätsmodul eines Substrats ist, umso schneller verdunstet der Tropfen und umso höher sind die Geschwindigkeiten der Kontaktlinie bei konstantem Kontaktwinkel-Verdunstungsmodus. Mit steigenden Kontaktliniengeschwindigkeiten steigt auch die Menge von abgelagerten Partikeln. Die Wärmeleitfähigkeit des Substrats beeinflusst die Verdunstungsrate des Tropfens. Je höher die Wärmeleitfähigkeit des Substrats, umso höher ist die Temperatur unterhalb des Tropfens und umso schneller erfolgt die Verdunstung. German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Drop evaporation, evaporation, drop, droplet, evaporation control, soft substrate
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Tropfenverdunstung, Verdunstung, Tropfen, Verdunstungskontrolle, weiche OberflächenGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
Exzellenzinitiative > Clusters of Excellence > Center of Smart Interfaces (CSI)
Date Deposited: 05 Dec 2013 13:48
Last Modified: 05 Dec 2013 13:48
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-37015
Referees: Tropea, Dr.-Ing Cameron and Bonaccurso, Dr. Elmar
Refereed: 19 November 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3701
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