Dynamics of drop coalescence

The drop coalescence and spreading behavior of various fluids is important in many natural processes and industrial applications such as inkjet printing and coating processes. Most of these processes involve complex fluids such as surfactants, polymer solutions and etc. In order to optimize these processes, in-depth knowledge of the subject is required. In the current work, I have studied the drop coalescence and spreading of these liquids using optical methods and other measurement techniques in addition to theoretical modeling.

In the chapter 4, the coalescence of two drops on a substrate was investigated. In this scenario, one droplet has a lower surface tension than the other. In this configuration, the droplet with lower surface tension will engulf the one with higher surface tension. Under certain conditions, the coalescence of the droplets can become unstable and lead to fingering instability. First place the droplet with higher surface tension, then place a second droplet with surface activity next to it. The vapor of the second drop diffuses through the gas phase and reaches the first drop (initiate a Marangoni flow). This induced flow pulls a thin film of second drop over the surface and make the drop coalescence unstable.

In the chapter 5, a new concept is introduced. The drop coalescence of two drops is studied (by saturating the two liquids, we hinder the Marangoni flow). The four-phase contact point is the contact point between two drops on a solid substrate in the gas phase. We showed that the dynamics of the four-phase contact point behaves like the Lucas-Washburn equation inside a capillary (~√t). By reducing the contact angle hysteresis (e.g. by performing the experiments on PDMS pseudo-brushes), we showed that the dynamics of the four-phase contact point changes (~ t^0.7).

In the chapter 6, we discussed the spreading and coalescence of non-Newtonian drops. We showed that the ratio between the time scale of the experiment and the internal time scale of the material (elastocapillary number, Ec) is important for both cases of drop spreading and coalescence of polymer solutions. We have shown that the spreading and coalescence exponents decrease with increasing elastocapillary number up to Ec ≈ 1. The exponent increases sharply around Ec ≈ 1 and reaches a plateau and remains constant. The results are compared to the viscous Newtonian case. The interplay between wetting (drop spreading) and rheology for granular suspensions is also studied.

Die Koaleszenz und Ausbreitung von Tropfen verschiedener Flüssigkeiten ist für viele natürliche Prozesse und industrielle Anwendungen wie Tintenstrahldruck und Beschichtungsprozesse von Bedeutung. In den meisten dieser Prozesse werden komplexe Flüssigkeiten verwendet. Um diese Prozesse optimieren zu können, ist ein umfassendes Wissen über dieses Thema notwendig. In dieser Arbeit habe ich die Tropfenkoaleszenz und -ausbreitung dieser Flüssigkeiten untersucht, wobei ich neben der theoretischen Modellierung auch optische Methoden und andere Messverfahren eingesetzt habe.

Im Kapitel 4, wurde die Koaleszenz zweier Tropfen auf einem Substrat untersucht. In diesem Szenario hat ein Tropfen eine niedrigere Oberflächenspannung als der andere. In dieser Konfiguration wird der Tropfen mit niedrigerer Oberflächenspannung den mit höherer Oberflächenspannung verschlingen. Unter bestimmten Bedingungen kann die Koaleszenz der Tropfen instabil werden und zu einer Fingerinstabilität führen. Erst Tropfen mit höherer Oberflächenspannung, dann zweiten Tropfen mit Oberflächenaktivität daneben platzieren. Der Dampf des zweiten Tropfens diffundiert durch die Gasphase und erreicht den ersten Tropfen (eine Marangoni-Strömung einleiten). Dadurch entsteht eine instabile Koaleszenz.

Im Kapitel 5, wird ein neues Konzept (Der Vierphasenkontaktpunkt) eingeführt. Der Vierphasenkontaktpunkt ist der Kontaktpunkt zwischen zwei Tropfen auf einem Substrat in der Gasphase. Wir haben gezeigt, dass sich die Dynamik des Vierphasen-Kontaktpunktes wie die Lucas-Washburn-Gleichung in einer Kapillare verhält (~√t). Durch Reduzierung der Kontaktwinkelhysterese (z.B. durch Experimente an PDMS-Pseudobürsten) konnte gezeigt werden, dass sich die Dynamik des Vierphasenkontaktpunktes ändert (~ t^0,7).

Im Kapitel 6, haben wir die Ausbreitung und Koaleszenz von nicht-newtonschen Tropfen diskutiert. Die Beziehung zwischen der Zeitskala des Experiments und der internen Zeitskala des Materials ist für die Tropfenausbreitung und Koaleszenz von Polymerlösungen wichtig. Wir haben gezeigt, dass die Ausbreitungs- und Koaleszenzexponenten mit zunehmender Elastokapillarzahl abnehmen. Bei Ec ≈ 1 steigt der Exponent stark an, erreicht ein Plateau und bleibt dann konstant. Die Ergebnisse werden mit denen des Newtonschen Falls verglichen. Die Wechselwirkung zwischen Benetzung und Rheologie für körnige Suspensionen wird ebenfalls untersucht.