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Dynamic dewetting of surfactant solutions

Henrich, Franziska Monika :
Dynamic dewetting of surfactant solutions.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Dynamic dewetting of surfactant solutions
Language: English
Abstract:

Wetting and dewetting play a significant role in many natural processes as well as in many technical applications like in printing or cleaning procedures. To optimize these kind of processes the understanding of the dewetting behaviour of surfactant solutions is important. Previous investigations showed, that an addition of surfactant to a solution changes the dewetting behaviour. Those studies revealed, that the dewetting behaviour is depending on the surfactant concentration, even if the concentration is below the critical micelle concentration (CMC). Nevertheless the effects due to the presence of surfactants are not well understood. Therefore, I investigated in this work, how surfactants influence the dewetting behaviour on smooth and structured surfaces. The dewetting behaviour of various surfactant solutions (non-ionic, cationic and anionic) on a smooth polystyrene surface were compared at different concentrations well below the CMC. All surfactants show the same tendency, independent of their charge: the higher the surfactant concentration, the lower the receding contact angle as well as the film formation velocity. Scaling with the CMC leads almost to a master curve. The change in contact angle can be interpreted by local surface gradients, e.g. Marangoni stresses. At velocities > 10 mm/s the experimental results can be described by the hydrodynamic theory. Additionally to the wetting behaviour on smooth surfaces, the influence of a structured surface in the presence of surfactant was studied. A custom made printing plate with different structured areas was used as model surface. The dewetting behaviour is comparable to dewetting on smooth surfaces, the higher the surfactant concentration the lower the contact angle as well as the critical film formation velocity. The influence of the structured surface decreases with increasing concentration. The decreasing influence of the structured surface is due to the fact, that with increasing concentration the Marangoni stress towards the three phase contact line increases. These Marangoni stresses dominate the stress due to pinning on the structured surface. Since a direct measurement of the Marangoni stresses is not easily possible, I measured instead the flow profile on a microscopic lenght scale close to the contact line. A newly developed setup is able to image of a moving contact line over a long time period. The measurement of the flow profile showed that at a distance smaller than 30 μm the flow from surfactant solution differs from the one of pure water. This is in agreement with the model of the Marangoni force towards the contact line, which results in the decrease of the contact angle macroscopically.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Be- und Entnetzung spielt in vielen natürlichen Prozessen, aber auch in vielen technischen Anwendungen eine signifikante Rolle. Beispiele sind die industriellen Reinigung, aber auch die Druckindustrie. Um diese Prozesse zu optimieren, ist ein Verständnis des Entnetzungsverhaltens von Tensidlösungen wichtig. Frühere Untersuchungen zeigen einen Einfluss von Tensiden auf das Entnetzungsverhalten, welcher mit steigender Tensidkonzentration zunimmt. Dies ist schon für Konzentrationen weit unterhalb der kritischen Mizellenkonzentration (CMC) der Fall. Der genaue Einfluss von Tensiden auf das Entnetzungsverhalten ist noch nicht bekannt, daher untersuchte ich in dieser Arbeit den Einfluss verschiedener Tenside auf das Entnetzungsverhalten auf glatten und strukturierten Oberflächen. Dafür wurde der Einfluss von verschiedenen Tensiden (nichtionisch, kationisch, anionisch) auf das Entnetzungsverhalten auf einer glatten Polystyrol Oberfläche untersucht. Die Konzentration der Tenside wurde dabei unterhalb der CMC variiert. Mit steigender Tensidkonzentration sinkt sowohl der Kontaktwinkel als auch die Filmbildungsgeschwindigkeit, unabhängig von der Ladung der Tenside. Durch die Skalierung mit der CMC wird nahezu eine Masterkurve erreicht. Die Änderung des Kontaktwinkels kann durch einen Gradienten in der Oberflächenspannung erklärt werden. Für Geschwindigkeiten >10 mm/s stimmen die experimentellen Daten mit der hydrodynamischen Theorie überein. Zusätzlich wurde der Einfluss von strukturierten Oberflächen auf das Entnetzungsverhalten untersucht. Dafür wurde eine neue Druckplatte mit unterschiedlich strukturierten Bereichen verwendet. Vergleichbar zu glatten Oberflächen sinkt der Kontaktwinkel sowie die Filmbildungsgeschwindigkeit mit steigender Konzentration. Ebenso sinkt der Einfluss der strukturierten Oberfläche. Dies kann durch einen steigenden Gradienten in der Oberflächenspannung, zum Beispiel Marangoni Kräfte, mit steigender Konzentration erklärt werden. Diese Marangoni Kräfte dominieren die Kräfte, die aufgrund der Strukturierung das Entnetzungsverhalten beeinflussen. Da eine direkte Messung der Marangoni Kräfte nahe der Kontaktlinie nicht möglich ist, wurde stattdessen das Flussprofil nahe der Kontaktlinie auf mikroskopischer Längenskala vermessen. Der neu enwickelte Aufbau erlaubt das Aufnehmen der Kontaktline über einen langen Zeitraum. Die Messergebnisse zeigen eine Änderung des Strömungsprofils innerhalb der letzten 30 μm. Diese Änderung des Strömungsprofils nahe der Kontaktline kann als Indiz für die Marangoni Kräfte angesehen 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
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Nano- and Microfluidics (NMF)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Nano- and Microfluidics (NMF) > Wetting Phenomena
Date Deposited: 08 May 2018 11:55
Last Modified: 08 May 2018 11:55
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-68943
Referees: Hardt, Prof. Dr. Steffen and Butt, Prof. Dr. Hans-Jürgen
Refereed: 27 June 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6894
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