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Dynamic Wetting of Aqueous Surfactant Solutions on Hydrophobic Solids and Water Subphases

Wang, Xiang :
Dynamic Wetting of Aqueous Surfactant Solutions on Hydrophobic Solids and Water Subphases.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Dynamic Wetting of Aqueous Surfactant Solutions on Hydrophobic Solids and Water Subphases
Language: English
Abstract:

Wetting is the ability of liquids to maintain contact with solids or other liquids. It is a commonly observed phenomenon in numerous natural and technological processes. Efficient wetting of liquids is crucial to painting, coating, printing, and drug delivery applications. Surface active agents (surfactants) are amphiphilic compounds which can lower the surface tension of liquid solvents. Adding surfactants to liquids is one common method to enhance wetting. Since the 1960s organomodified trisiloxane surfactants have been recognized as effective wetting agents for aqueous pesticide formulations because they fasten foliar uptake and wet larger leaf surface areas. Trisiloxane surfactants that possess the ability to promote rapid and extensive spreading of water on hydrophobic solids are known as superspreaders, and their wetting phenomenon is referred to as superspreading.

Numerous studies have been performed to reveal the peculiar properties of superspreaders and the underlying mechanisms of superspreading. The wetting area of superspreader solutions was found to increase linearly with time within the first several seconds. The highest wetting velocity was observed at a critical surfactant concentration. In the course of the years, the superspreading ability of trisiloxane surfactants was attributed to their molecular structure and to the way they aggregate in solutions. It was proposed that the driving force for superspreading is surface tension gradient over the spreading drop, which can be maintained for longer time by superspreaders than by non-superspreaders. Most of previous experiments were performed with video camera at low speeds (e.g., 500 frames per second or less). However, the investigation of early wetting with time scale of milliseconds is crucial to understand rapid adhesion phenomena. It also allows us to know when surfactants start to become effective in the wetting systems, which helps to understand the wetting mechanisms behind. The goal of this experimental thesis is to shed light on the early wetting stage of aqueous surfactant solutions on hydrophobic solids and water subphases. Different surfactants and solids are used for comparative investigations. The superspreading stage of surfactant solutions is systematically studied by changing the factors that are assumed to influence the surface tension gradient, such as surfactant concentration and relative humidity.

The experiments within this thesis are performed using high-speed video imaging with temporal resolution up to 0.02 milliseconds. The results show that the wetting processes of hydrophobic solids by surfactant-laden drops can be described by one, two, or three stages, depending on physicochemical properties of the surfactants and the solids used. Surfactants do not play a role in the early wetting stage, which is mainly dominated by inertia. After a characteristic time, inertial wetting goes over in viscous wetting. This stage has also a characteristic duration and is influenced by surfactants. Afterwards a superspreading stage is observed for superspreading drops only. The driving force in this stage is the surface tension gradient, which is influenced by the dynamic surface tension of the spreading drop. The superspreading dynamics depends strongly on the surfactant concentration, on the relative humidity, as well as on the substrate wettabilities. It is found that superspreader solutions only superspread on substrates whose wettability falls within a narrow range. Conversely, on water subphases superspreader and non-superspreader solutions behave similarly.

The work in this Ph. D. project completes one gap - early wetting dynamics of surfactant solutions – in prior work. The findings reveal different wetting stages with different characteristic duration. The action times of surfactants during the wetting process have been assessed. Moreover, this study provides more evidence for the surface tension gradient as a driving force in the superspreading stage. Therefore, the findings represent a significant step forward for surfactant-enhanced wetting and superspreading. They can also offer guidance on practical applications, e.g., crop spraying. By using superspreaders under proper conditions, the wetting performance can be maximized and a cost reduction can be achieved.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Mit Benetzung wird das Verhalten von Flüssigkeiten bezeichnet mit Festkörperoberflächen oder anderen Flüssigkeiten in Kontakt zu treten. Es ist ein vielfältig beobachtbares Phänomen in natürlichen wie auch in technischen Prozessen. Effiziente Benetzung ist entscheidend für Prozesse wie beispielsweise dem Lackieren, Beschichten, Drucken oder auch der Arzneimittelapplikation. Tenside (von lat. tensus gespannt) sind amphiphile Substanzen, die die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten herabsetzen können. Die Zugabe von Tensiden ist eine gängige Methode um die Benetzungseigenschaften von Flüssigkeiten zu verbessern. In den sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts wurde die Bedeutung spezieller Trisiloxane für die Formulierung wasserlöslicher Pestizide erkannt, da sie die Benetzungseigenschaften auf Pflanzenblättern verbesserten. Solche Tenside, die die Benetzung beschleunigen und intensivieren sind unter dem Begriff Superspreader bekannt und das Phänomen dieser verbesserten Benetzung als Superspreading. Vielfältige Untersuchungen wurden durchgeführt, um die besonderen Eigenschaften und die zugrundeliegenden Mechanismen dieser Tenside zu entschlüsseln. Es wurde erkannt, daß die Fläche, die diese Tenside benetzten, in den ersten Sekunden linear zunimmt. Die höchste Geschwindigkeit wurde dabei bei einer bestimmten Konzentration gefunden. Im Laufe der Zeit wurde die molekulare Struktur sowie das Aggregationsverhalten der Trisiloxane in Lösung für dieses Verhalten verantwortlich gemacht. Als treibende Kraft wurde der Gradient der Oberflächenspannung über der sich ausbreitenden Tropfenoberfläche angeführt, der bei diesen Tensiden einen längeren Bestand hat als bei anderen Tensiden, die diese Eigenschaft nicht ausweisen. Die meisten der bisherigen Untersuchungen wurden mit Filmaufnahmen mit relativ geringer zeitlicher Auflösung (ca. 500 Bilder pro Sekunde oder geringer) durchgeführt, wobei gerade die erste Phase der Benetzung mit einer Zeitauflösung im Millisekunden-Bereich für das Verständnis des Verhaltens wesentlich ist. Es erlaubt zu erkennen, wann Tenside beginnen eine Rolle zu spielen und welche grundlegenden Prozesse im Hintergrund ablaufen. Vornehmliches Ziel diese experimentelle Arbeit ist es, Licht in die erste Phase der Benetzung von hydrophoben Festkörpern und wäßrigen Grenzschichten zu bringen. Zu diesem Zweck wurden Untersuchungen mit unterschiedlichen Tensiden und Oberflächen durchgeführt. Das besondere Verhalten der Superspreader wurde dabei systematisch untersucht, wobei die den Gradienten der Oberflächenspannung beeinflussenden Parameter, wie Tensidkonzentration und relative Feuchtigkeit variiert wurden. Die Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit wurden mit einer Videokamera durchgeführt, die eine zeitliche Auflösung von bis zu 0.02 Millisekunden ermöglicht. Es zeigte sich, daß die Benetzung von tensidhaltigen Tropfen auf hydrophoben Oberflächen mit einer, zwei oder drei Phasen beschrieben werden kann, abhängig von den physikalischen und chemischen Eigenschaften der verwendeten Tenside und Oberflächen. Tenside beeinflussen nicht die allererste Phase der Benetzung; diese ist im wesentlichen trägheitsdominiert. Nach einer charakteristischen Zeitpanne erfolgt ein Übergang von trägheitsdominiert zu viskosedominiert. Diese Phase wird durch die Tenside beeinflußt, auch sie hat eine charakteristische Dauer. Im Falle von Superspreading wird eine weitere, dritte Phase beobachtet. Federführend in dieser Phase ist der Gradient der Oberflächenspannung, welcher durch die Dynamik der Oberflächenspannung des sich ausbreitenden Tropfens beeinflußt wird. Diese Dynamik ist abhängig von der Tensidkonzentration, der relativen Luftfeuchtigkeit sowie der Benetzbarkeit der Oberfläche. Es zeigte sich, daß das Phänomen des Superspreading nur auftritt, wenn die Benetzbarkeit der Oberfläche in einem bestimmten Bereich liegt. Auf wäßrigen Oberflächen verhalten sich Superspreader und Nicht-Superspreader vergleichbar. Diese Arbeit füllt eine Lücke bisheriger Untersuchungen – die frühe Phase der Benetzungsdynamik von Tensidlösungen. Es wurden unterschiedliche Phasen der Benetzung gefunden, die unterschiedliche charakteristische Zeiten aufweisen. Der Zeitpunkt, ab wann Tenside im Benetzungprozeß eine Rolle spielen, konnte bestimmt werden. Diese Arbeit untermauert die These, daß der Gradient der Oberflächenspannung die treibende Kraft in der Phase der Benetzung ist, die mit Superspreading beschrieben wird. Die Ergebnisse bieten eine solide Grundlagen für ein besseres Verständnis des durch Tenside verbesserten Benetztens und sogenanntes Superspreading. Sie können als Grundlage dienen, praktische Anwendungen zu generieren, wie beispielsweise bei der Schädlingsbekämpfung in der Argrarwirtschaft. Durch den Einsatz von entsprechenden Tensiden unter entsprechenden Randbedingungen könnte das Benetzungsverhalten verbessert und somit der Aufwand gemindert werden. German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Date Deposited: 29 Dec 2014 09:18
Last Modified: 29 Dec 2014 09:18
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-43060
Referees: Tropea , Prof. Cameron and Garoff, Prof. Stephen and Butt, Prof. Hans-Jürgen
Refereed: 9 December 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4306
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