TU Darmstadt / ULB / TUprints

Dynamic Wetting by Viscous Liquids: Effects of Softness, Wettability and Curvature of the Substrate and Influence of External Electric Fields

Chen, Longquan :
Dynamic Wetting by Viscous Liquids: Effects of Softness, Wettability and Curvature of the Substrate and Influence of External Electric Fields.
tuprints, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

[img]
Preview
Text
Thesis-submission.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives, 2.5.

Download (4MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Dynamic Wetting by Viscous Liquids: Effects of Softness, Wettability and Curvature of the Substrate and Influence of External Electric Fields
Language: English
Abstract:

The wetting of solid surfaces by liquids is commonly observed in nature, and it is also a key to a number of industrial applications and biological processes. In the past two centuries, most studies about wetting were devoted mainly to equilibrium situations and thus to static measurements. However, in most cases the dynamic wetting is more relevant and it has received less attension. The goal of this thesis is to study the effects of softness, wettability and curvature of the substrate and influence of external electric fields on dynamic wetting of viscous liquids. The thesis contains two main parts. The first part focuses on the early dynamic wetting of simple liquids on two types of surfaces that show different complexity: flat viscoelastic substrates and highly curved solid microparticles. On the viscoelastic substrates, a novel wetting stage dominated by inertia was found. The dynamics in this stage is characterized by the wetting radius, r=K't^α, following a power law similarly as on rigid surfaces, with the exponent α only depending on surface wettability. After the inertial wetting stage, spreading slows down and enters another stage dominated by the viscoelasticity of the substrate. The transition between inertial and viscoelastic stage is controlled by the surface “softness”. A simple theory was developed with Prof. Martin E.R. Shanahan to explain these findings. An early inertial wetting stage was also observed during the snap-in process, i.e. the wetting, of single colloidal particles into large water drops. The snap-in time is dependent on the capillary force and on inertia, but is independent on surface wettability. In contrast, the snap-in force is larger for hydrophilic and smaller for hydrophobic particles. A scaling model was proposed to describe the snap-in or early wetting of individual colloids. The second part of the thesis is devoted to study the dynamic wetting of rigid flat surfaces by simple and viscous liquids. First, the early spreading of drops of aqueous electrolyte solutions on various wettable surfaces driven by electrostatic forces, which was termed “electrospreading”, was investigated. It was found that early electrospreading is only dominated by inertia and electrostatics. The wetting dynamics is not only dependent on surface wettability and applied electric potential, but also on the concentration of the electrolyte solutions. The electrostatic energy stored in the electric double layer near the solid-liquid interface served as an additional energy for driving drop spreading. Based on molecular dynamics simulation done by Dr. Chunli Li, a simple scaling model was presented to describe the wetting dynamics. Finally, a systematic study of dynamic wetting of various wettable surfaces by viscous liquids was carried out. Both surface wettability and liquid viscosity influence the inertial stage of wetting as well as the viscous stage. During the inertial wetting stage, the effective mass of the spreading drop is affected by surface wettability and liquid viscosity. This results in a slower spreading speed on hydrophobic surfaces, or of highly viscous liquids. Viscous wetting did not take place on all substrates, but only on those surfaces with equilibrium contact angles smaller than a critical value, which depended again on liquid viscosity. A scaling law was proposed to explain these experimental observations.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Benetzung fester Oberflächen durch Flüssigkeiten ist nicht nur in der Natur weit verbreitet sondern auch ein Schlüsselprozess in zahlreichen industriellen Anwendungen und biologischen Vorgängen. In den letzten zwei Jahrhunderten wurde in erster Linie die Benetzung im Gleichgewichtszustand untersucht und zu diesem Zweck statische Messverfahren eingesetzt. In vielen Fällen ist jedoch die Dynamik der Benetzung von Bedeutung, die bisher weniger untersucht wurde. Ziel meiner Arbeit ist die Untersuchung Einflusses von Weichheit, Benetzbarkeit und Wölbung des Substrats und der Einfluss eines externen elektrischen Feldes auf die dynamische Benetzung mit viskosen Flüssigkeiten. Die Dissertation besteht aus zwei Hauptteilen. Der erste Teil beschäftigt sich mit der anfänglichen dynamischen Ausbreitung einfacher Flüssigkeiten auf zwei verschiedenen komplexen Oberflächen: Glatte, viskoelastische Oberflächen und feste Mikropartikel mit hoher Krümmung. Auf den viskoelastischen Oberflächen wurde ein neuer Benetzungsbereich gefunden, in dem das Benetzungsverhalten durch Trägheit bestimmt wird. Die Dynamik in diesem Bereich wird über den Benetzungsradius, r=K't^α, charakterisiert, der einem ähnlichen Potenzgesetz wie auf festen Oberflächen folgt. Der Exponent α hängt hier nur von der Benetzbarkeit der Oberfläche ab. Nach dem Trägheits-dominierten Benetzungsbereich wird die Ausbreitung langsamer und erreicht einen neuen Bereich, in dem sie durch die Viskoelastizität des Substrates kontrolliert wird. Der Übergang zwischen Trägheits- und Viskoelastizitäts-kontrolliertem Bereich wird durch die „Weichheit“ der Oberfläche bestimmt. Zusammen mit Prof. M.E.R. Shanahan wurde eine einfache Theorie zur Erklärung dieser experimentellen Ergebnisse entwickelt. Ein anfänglicher, Trägheits-kontrollierter Bereich wurde auch während des Einschnappvorgangs, d.h. der Benetzung von einzelnen Kolloidpartikeln durch große Wassertropfen, beobachtet. Die Zeit für das Einschnappen hängt von der Kapillarkraft und der Trägheit ab, ist aber unabhängig von der Benetzbarkeit der Oberfläche. Andererseits ist Einschnappkraft für hydrophile Partikel größer als für hydrophobe. Ein Skalenmodell für die Beschreibung des Einschnappes und der anfänglichen Phasen der Benetzung einzelner Partikel wurde entwickelt. Im zweiten Teil der Dissertation wird die dynamische Benetzung glatter, fester Oberflächen mit einfachen und viskosen Flüssigkeiten behandelt. Zuerst wurde die anfängliche Ausbreitung von Tropfen einer wässrigen Elektrolytlösung auf verschiedenen benetzbaren Oberflächen, die durch elektrostatische Kräfte getrieben wurde untersucht, ein Prozess der hier mit „Elektroausbreitung“ bezeichnet wird. Es konnte gezeigt werden, dass die anfängliche Elektroausbreitung nur durch Trägheit und Elektrostatik kontrolliert wird. Die Benetzungsdynamik hängt nicht nur von der Oberflächenbenetzbarkeit und dem angelegten elektrischen Potential, sondern auch von der Elektrolytkonzentration ab. Die gespeicherte elektrostatische Energie in der elektrischen Doppelschicht nahe der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Feststoff dient als zusätzliche Energiequelle für das Ausbreiten der Tropfen. Basierend auf molekular-dynamischen Simulationen von Dr. Chunli Li wurde ein Skalenmodell zur Beschreibung der Benetzungsdynamik vorgestellt. Abschließend wurde eine systematische Untersuchung der dynamischen Benetzung vieler verschieden benetzbarer Oberflächen mit hochviskosen Flüssigkeiten durchgeführt. Es zeigte sich, dass sowohl die Oberflächenbenetzbarkeit als auch die Viskosität der Flüssigkeit sowohl den Trägheits-kontrollierten als auch den viskosen Bereich beeinflussen. Im Trägheits-kontrollierten Benetzungsbereich wird die effektive Masse des sich ausbreitenden Tropfens von der Benetzbarkeit der Oberfläche und der Viskosität der Flüssigkeit bestimmt. Dies führt zu einer geringeren Ausbreitungsgeschwindigkeit auf hydrophoben Oberflächen oder von hochviskosen Flüssigkeiten. Viskose Benetzung trat nicht auf allen Substraten, sondern nur auf solchen auf, die Gleichgewichts-Kontaktwinkel unterhalb eines kritischen Wertes hatten. Dieser kritische Wert hängt wiederum von der Viskosität der Flüssigkeit ab. Auch hier wurde ein Skalengesetz zur Erklärung der experimentellen Daten vorgeschlagen.German
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: tuprints
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Exzellenzinitiative > Clusters of Excellence > Center of Smart Interfaces (CSI)
Date Deposited: 12 Dec 2013 11:35
Last Modified: 20 Jul 2016 12:49
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-37109
Referees: Tropea , Prof. Cameron and Bonaccurso , PD Elmar and Butt , Prof. Hans-Jürgen
Refereed: 1 December 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3710
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year