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Experimental investigation on the dynamic wetting of deformable substrates: Influence of the rheology of substrate and wetting liquid and external body force

Alam, Md Ehsanul (2021):
Experimental investigation on the dynamic wetting of deformable substrates: Influence of the rheology of substrate and wetting liquid and external body force. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00018499,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Experimental investigation on the dynamic wetting of deformable substrates: Influence of the rheology of substrate and wetting liquid and external body force
Language: English
Abstract:

Wetting of surfaces by liquids is observed in many natural and technical processes. Efficient wetting of surfaces can lead to technological advancement in the field of aeronautics, medical and forensic science, cosmetics etc. In all these applications complex liquids wet complex surfaces. Wetting investigation of textured and soft surfaces has gained popularity due to its relative importance in the aforementioned fields. Soft surfaces provide a unique feature through their capacity to deform when subjected to external forces. The unbalanced surface tension force arising from the normal component of the surface tension force, results in pulling the surface upwards at the triple phase contact line. Combining this deformation at the contact line, with the deformation due to the Laplace pressure at the contact area results in a crater like shape. This deformation at the contact area shortens evaporation time, influences particle deposition pattern and drop spreading kinetics. The effects arising from the elasticity and the surface tension of the soft substrates have been combined together what is being known as Elastocapillary effects. The knowledge of the effect not only helped in getting a new perspective on the behavior of soft substrates but also gave an explanation to the many observed phenomena that were previously unexplained. The goal of this thesis is to study the effects of softness, viscoelasticity and external body force on the dynamic wetting of soft substrate and non-Newtonian liquids. The experimental investigations in this thesis span over two main areas. Firstly, the influence of the substrate and liquid viscoelasticity on initial stages of spreading and drop impact outcomes is investigated. Secondly, the influence of the external body force on the spreading and sliding of viscous drops on soft surfaces is studied. Performed spreading experiments with Newtonian and non-Newtonian liquids showed that the early drop dynamics can be described by a power law r = Ct^n. However, on hard surfaces the power law exists during the entire duration of the spreading process whereas on soft surfaces there is a transition to a slower spreading rate which is dominated by the viscoelastic dissipation at the contact line. The transition time is dependent on the softness of the substrate. Spontaneous wetting experiments with non-Newtonian drops showed faster contact line velocity as compared to the Newtonian drops. In the case of drop impact, several new outcomes were observed for non-Newtonian liquids impacting hydrophobic soft surfaces. Fingering-splashing was observed for non-Newtonian drop splashing on soft surfaces. This phenomenon was prominent for polymer solutions with high polymer molecular weight. A regime map related the outcome of the experiments with the viscoelasticity of the substrate. Investigation on the influence of the external body force on the spreading and sliding of drops of Newtonian liquids with different viscosities rest on soft surfaces was carried out. A custom built device called Kerberos (Division of Chemical Technology, Aristotle University of Thessaloniki) facilitated the experiments. A rotating arm helped to impart the rotational force on the drop. The drop underwent increasing tangential force while maintaining the normal force components zero. The drop spread under the tangential force and started to slide after a critical rotational speed was reached. The monitoring of the drop during the spreading and sliding revealed that on hard surfaces the drop spreads and slides keeping its semi-spherical shape intact. On soft surfaces the drop was severely deformed. It was also observed that the viscous drops started to spread and slide at a lower rotational speed than low viscosity liquids. A relationship between the equilibrium shear modulus of the substrate and the aspect ratio of the deformed drop was established.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Benetzung von Oberflächen durch Flüssigkeiten wird bei vielen natürlichen und technischen Prozessen beobachtet. Eine effiziente Benetzung von Oberflächen kann zu technologischen Fortschritten in der Luftfahrt, der Medizin, der Forensik, der Kosmetik , usw., führen. Bei all diesen Anwendungen benetzen komplexe Flüssigkeiten komplexe Oberflächen. Die Untersuchung der Benetzung von strukturierten und weichen Oberflächen hat aufgrund ihrer besonderen Bedeutung in den oben genannten Bereichen an Popularität gewonnen. Weiche Oberflächen können unter Einfluss externer Kräfte deformiert werden. Diese einzigartige Eigenschaft weicher Oberflächen führt dazu, dass im Vergleich zu unelastischen, glatten Oberflächen die Verdampfungszeit nach dem Aufprall eines Tropfens verkürzt wird, ein charakteristisches Partikelablagerungsmuster entsteht und die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Tropfens reduziert wird. Kürzlich wurden die Effekte miteinander kombiniert, die sich aus der Elastizität und der Oberflächenspannung der weichen Substrate ergeben, was als Elastokapillareffekte bezeichnet wird. Ziel dieser Arbeit ist es, die Auswirkungen von der Weichheit, Viskoelastizität und externen Volumenkräften auf die dynamische Benetzung von weichen Substraten und nicht-Newtonschen Flüssigkeiten zu untersuchen. Die experimentellen Untersuchungen in dieser Arbeit erstrecken sich über zwei Hauptbereiche. Zum einen wird der Einfluss der Viskoelastizität des Substrates und der Flüssigkeit auf das Anfangsstadium der Ausbreitung und das Ergebnis des Tropfenaufpralls untersucht. Zum anderen wird der Einfluss äußerer Volumenkräfte auf die Ausbreitung und das Gleiten viskoser Tropfen auf weichen Oberflächen untersucht. Durchgeführte Ausbreitungsexperimente mit Newtonschen und nicht-Newtonschen Flüssigkeiten zeigten, dass die Dynamik der Tropfen kurz nach dem Aufprall durch ein Potenzgesetz r = Ct^n beschrieben werden kann. Während der gesamten Dauer der Ausbreitungsphänomene auf harten Oberflächen folgt die Tropfendynamik dem Potenzgesetz. Auf weichen Oberflächen findet ein Übergang zur viskoelastischen Ausbreitung statt. Die Übergangszeit bei weichen Oberflächen hängt von der Substratweichheit ab. Die Ausbreitung nicht-Newtonscher Tropfen zeigte im Vergleich zu den newtonschen Tropfen eine schnellere Kontaktliniengeschwindigkeit. Im Falle des Tropfenaufpralls von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten auf hydrophobe, weiche Oberflächen, konnten mehrere neue Ergebnisse beobachtet werden. Für nicht-newtonschen Tropfen, die auf weiche Oberflächen aufprallten, wurde "Fingering-splashing" beobachtet. Dieses Phänomen trat vor allem bei Polymerlösungen mit höherem Molekulargewicht auf. Eine Regime-Map bezog das Ergebnis der Experimente auf die Viskoelastizität des Substrats. Untersucht wurde der Einfluss äußerer Volumenkräfte auf die Ausbreitung und das Gleiten von Tropfen mit verschiedenen newtonschen Viskositäten auf weichen Oberflächen. Die Experimente wurden mit einem speziell angefertigten Versuchsaufbau namens Kerberos durchgeführt. Der Tropfen breitete sich unter der Tangentialkraft aus und begann zu gleiten, nachdem eine kritische Rotationsgeschwindigkeit erreicht war. Es wurde festgestellt, dass die Tropfenlänge bei konstanter Rotationsgeschwindigkeit weiter zunahm, was auf den sich verschiebenden Tropfenschwerpunkt und den zunehmenden Abstand zwischen Schwerpunkt und Rotationszentrum zurückzuführen war. Die Überwachung des Tropfens während des Ausbreitens und Gleitens ergab, dass sich der Tropfen auf harten Oberflächen ausbreitete und glitt, wobei er seine Kugelhaube Form behält. Auf weichen Oberflächen wurde der Tropfen hingegen stark deformiert. Es wurde zudem beobachtet, dass sich die viskosen Tropfen früher auszubreiten und zu gleiten begannen als Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität. Es wurde eine Beziehung zwischen dem Gleichgewichtsschermodul des Substrats und dem Seitenverhältnis des verformten Tropfens hergestellt.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XII, 160 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD) > Interfacial Transport & Complex Wetting
Date Deposited: 05 May 2021 12:07
Last Modified: 05 May 2021 12:07
DOI: 10.26083/tuprints-00018499
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-184996
Referees: Gambaryan-Roisman, Apl. Prof. Tatiana and Stephan, Prof. Dr. Peter and Butt, Prof. Dr. Hans-Jürgen
Refereed: 9 December 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/18499
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