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Model for the dynamics of liquid penetration into porous structures and its detection with the help of changes in ultrasonic attenuation

Daun, Matias :
Model for the dynamics of liquid penetration into porous structures and its detection with the help of changes in ultrasonic attenuation.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Model for the dynamics of liquid penetration into porous structures and its detection with the help of changes in ultrasonic attenuation
Language: English
Abstract:

The dynamics of liquid penetration into porous networks is important for many processes during the production and printing of paper. One commercially available device to measure liquid penetration indirectly uses the change of ultrasonic attenuation when a specimen is brought into contact with liquid. In order to interpret results obtained by this device the generation and detection of ultra-sound are modelled as functions of the Sender and the Receiver, their material properties, their diameters and the geometry of the measurement chamber. In addition, the use of a sample-holder and of a special steel insert for measurements are covered. The efforts are mainly focussed on the spread, attenuation, reflection and scattering of ultra-sound. Further a model for the ultrasonic attenuation of pores partly filled with liquid and partly filled with gas is derived. The penetration dynamics into pores is then developed as a function of their size and shape, the material, and the solid-liquid interaction. Both aspects are combined to describe the time-dependent change in ultrasonic attenuation when liquid penetration takes place. Results predicted by the model are validated by several measurements, including the validation of the measurement chamber with different solutions of manganese-sulfate, the sample-holder with different plastics, and the steel-insert using ethanol-water blends. A nucleopore membrane, characterized by fairly cylindrical pores of well defined sizes, is used to validate the penetration dynamics. The measurements with liquids show a good correlation of measurements with the values predicted by the model. The correlation of the concentration of manganese-sulfate and its ultrasonic attenuation is confirmed by the model. The physical properties of ethanol-water blends vary largely with the concentration. This can also be seen in the measurement results. The results with the sample-holder fit well and indicate a considerable influence of the sample-holder’s thickness on the results. In the measurements with the membranes it becomes obvious that the capillary suction, as described by the Lucas-Washburn- or Bosanquet-equation, is important for the initial penetration into the pores. However this process is too fast to be measured directly, as the device can record values only after an initial delay of 8 ms. As a consequence of the capillary suction and due to the fact that the pores are sealed at one side, the pressure in the pores increases, which leads to an imbalance between the gas-pressure and the concentration of the gas dissolved in the liquid. Consequently, gas is transferred from the gas-phase into the liquid, and the gas volume is reduced. Hence the pores are filled with liquid. Additional measurements with paper show that they can be interpreted on the basis of the model. But for a quantitative description there is still a lack of precise information about the paper structure, the distribution of convex and concave surfaces, and the local distribution of the wettability.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Dynamik des Eindringverhaltens von Flüssigkeiten in poröse Strukturen ist für viele industrielle Prozesse von Bedeutung, so z. B. auch bei der Herstellung und beim Verdrucken von Papier. Eine Möglichkeit, das Eindringverhalten zu erfassen, besteht darin, die Ultraschallabschwächung zu messen, wenn eine Probe in Kontakt mit einer Flüssigkeit gebracht wird. Um die Ergebnisse der Messungen interpretieren zu können, werden Erzeugung und Aufzeichnung des Ultraschalls als eine Funktion von Ultraschallsender und -empfänger, von deren Durchmessern und Materialeigenschaften und von der Geometrie der Meßzelle modelliert. Zusätzlich wird die Verwendung eines Probenhalters und einer speziellen Stahlküvette in die Betrachtung einbezogen. Hauptaugenmerk wird dabei auf Ausbreitung, Reflektion und Streuung des Ultraschalls gelegt. Danach wird ein Modell für die Abschwächung des Ultraschalls für den Fall hergeleitet, daß dieser auf Poren trifft, die teils mit Gas und teils mit Flüssigkeit gefüllt sind. Die Penetration von Flüssigkeit in Poren wird als Funktion von deren geometrischer Form und von deren Materialeigenschaften beschrieben. Dies erlaubt die Berechnung der zeitabhängigen Änderung der Ultraschallabschwächung, wenn Flüssigkeiten in Poren eindringen. Die Überprüfung der Brauchbarkeit des Modells geschieht dadurch, daß die Ultraschallabschwächung für die mit Mangansulfatlösungen gefüllte Meßzelle ermittelt wird, daß anstelle des Probenhalters verschiedene Plastikproben verwendet werden, daß die mit Mischungen aus Ethanol und Wasser gefüllte Stahlküvette zum Einsatz kommt und daß Nucleopore-Membranen, durch zylindrische Poren gleichen Durchmessers gekennzeichnet, verwendet werden. Die Messungen mit den Flüssigkeiten zeigen eine gute Übereinstimmung mit dem Modell. Auch der Zusammenhang zwischen Ultraschallabschwächung und Steigerung der Mangansulfatkonzentration wird vom Modell bestätigt. Ebenso spiegelt sich der Zusammenhang zwischen den Stoffeigenschaften der Ethanol-Wasser-Mischungen und deren Konzentrationen in den Meßergebnissen wider. Die Messungen mit den Probehaltern liefern gute Ergebnisse, die überdies die starke Abhängigkeit von der Dicke des Probenhalters herausstellen. Bei den Messungen mit den Membranen wird deutlich, daß durch kapillares Saugen gemäß den Gleichungen von Lucas-Washburn oder Bosanquet das anfängliche Eindringverhalten beschrieben werden kann. Dieser Prozeß ist jedoch zu schnell, um vom Meßgerät bei einer gerätebedingten Totzeit von 8 ms erfaßt zu werden. Aufgrund des kapillaren Saugens sowie der Tatsache, daß die Poren der Membranen auf einer Seite dicht sind, erhöht sich der Druck in den Kapillaren, so daß das Gleichgewicht, das sich zwischen dem Gasdruck und dem in der Flüssigkeit gelösten Gas gemäß dem Gesetz von Henry einstellt, gestört wird und dadurch Gas aus der Gasphase in die Flüssigkeit transportiert und die Pore mit Flüssigkeit gefüllt wird. Zusätzliche Messungen mit Papier zeigen, daß die Ergebnisse auf der Basis des Modells qualitativ interpretiert werden können. Für eine quantitative Beschreibung benötigt man jedoch genauere Untersuchungen, um Informationen über die Zusammensetzung, die Struktur und die Verteilung der gekrümmten Oberflächen und der lokalen Benetzbarkeit zu erhalten und zu verarbeiten.German
Uncontrolled Keywords: Ultraschallabschwächung, Bosanquet, Lucas-Washburn
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Ultraschallabschwächung, Bosanquet, Lucas-WashburnGerman
ultra-sound, ultrasonic attenuation, scattering-cross-section, capillary, diffusion, membrane, paper, liquid penetration, sound-field, , Bosanquet, Lucas-WashburnEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:52
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000760
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-7604
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Schabel, Prof. Dr.- Samuel
Advisors: Hampe, Prof. Dr.- Manfred
Refereed: 10 January 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/760
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