Untersuchung der Lösungsmittelatmosphäre von verdunstenden, gedruckten Fluidfilmen mittels digitaler, holographischer Interferometrie

Um die qualitative und quantitative Verteilung des Lösungsmitteldampfs in der Umgebung von gedruckten Fluidfilmen zu bestimmen, werden eine Inkjet-Einheit und ein Laser-Michelson-Interferometer in die Roboterzelle eines Sechs-Achs-Roboters integriert. Die Inkjet-Druckeinheit und der Roboter werden genutzt, um linienförmige Fluidfilme eines binären Druckfluids aus Ethylenglykol und Ethanol mit unterschiedlichen Längen und Breiten zu drucken und diese automatisiert in den Messarm des Interferometers zu bewegen. Um den Einfluss der natürlichen Konvektion auf die Lösungsmittelkonzentration in der Umgebung der gedruckten Fluidfilme zu untersuchen, wird das Substrat sowohl horizontal als auch vertikal in dem Messarm platziert. Die Interferogramme des Interferometers werden mithilfe einer Kamera aufgenommen und die durch den Lösungsmitteldampf hervorgerufene Phasenverschiebung zwischen dem Messarm und Referenzarm des Interferometers mithilfe der Windowed-Fourier-Transform Methode bestimmt. Nachdem die Phasensprünge durch das Phase Unwrapping entfernt wurden, lässt sich der Gangunterschied berechnen, der durch den Lösungsmitteldampf verursacht wird. Bei dem Gangunterschied handelt es sich um eine in Lichtausbreitungsrichtung integrierte Größe, das heißt die dreidimensionale Konzentrationsverteilung des Lösungsmitteldampfs wird auf die Ebene des Kamerasensors projiziert. Indem die Gangunterschiede mehrerer linienförmiger Fluidfilme unterschiedlicher Länge kombiniert werden, kann eine zweidimensionale Konzentrationsverteilung des Lösungsmitteldampfs entlang eines Querschnitts durch den mittleren Bereich des linienförmigen Fluidfilms bestimmt werden. Die maximal ermittelten Stoffmengenkonzentrationen werden dabei an der Phasenkontaktfläche zwischen flüssiger und gasförmiger Phase erreicht. Die Temperatur, der Luftdruck und die Luftfeuchtigkeit werden während der Messungen aufgezeichnet, sodass die bestimmten Konzentrationswerte mit den theoretischen Sättigungsdampfkonzentrationen bei den jeweiligen Bedingungen verglichen werden können. Es zeigt sich für die linienförmigen Fluidfilme, dass der Einfluss der natürlichen Konvektion auf die Lösungsmitteldampfverteilung über den verdunstenden Fluidfilmen mit zunehmender Breite des Fluidfilms steigt. Das Messverfahren eignet sich, um die Randüberhohung der Verdunstungsrate zu identifizieren und zu quantifizieren. Während die horizontalen Substratpositionen eine symmetrische Randüberhöhung der Verdunstungsrate aufweisen, wird in der vertikalen Substratposition eine starke Asymmetrie deutlich. Um die Reproduzierbarkeit der bestimmten Gangunterschiede zu erhöhen und damit die Genauigkeit der bestimmten Konzentrationsverteilungen weiter zu verbessern, könnte die passive Überwachung der Luftparameter mit einer Überwachung der Substrattemperatur und einer aktiven Steuerung der Umgebungsparameter ergänzt werden.

In order to determine the qualitative and quantitative distribution of solvent vapor in the vicinity of a printed liquid film, the present study combines an inkjet printing unit, a Michelson interferometer with a laser light source and a six-axis robot in a robot cell. The inkjet printing unit and the robot are used to print linear liquid films of different widths and lengths. The printing fluid is a binary mixture of ethylene glycol and ethanol. After printing, the robot places the printed substrates in the measurement arm of the interferometer, both horizontally and vertically. The different substrate orientations are used to determine the influence of natural convection on the distribution of the solvent vapor in the vicinity of the liquid film. The interferograms of the interferometer are acquired using a camera. They are used to compute the vapor induced phase shift between the measurement and reference arm of the interferometer by using the Windowed-Fourier-Transform method. After removing possible phase shifts, the vapor induced change in optical path length can be calculated. It corresponds to an integrated quantity along the direction of light propagation, that is the three-dimensional solvent vapor distribution is projected onto the plane of the camera sensor. By combining the change in optical path length of linear liquid films of different lengths, a two-dimensional solvent vapor distribution along a cross-section going through the middle of the linear liquid film may be deduced. The highest values for the solvent vapor concentration prevail along the gas-liquid interface. The temperature of the ambient air, the air pressure and the relative humidity have been monitored throughout the measurement process in order to compare the experimental concentration values to theoretical predictions of the saturated vapor at the respective ambient conditions. It is shown that for linear liquid films, the influence of natural convection on the distribution of solvent vapor increases with increasing width of the printed film. The measurement method allows for the identification and quantification of an enhanced evaporation rate at the edges of the liquid film. Whereas the evaporation rates are similar for both edges for horizontal substrates, they strongly differ for vertical substrates. To enhance the reproducibility of the determined changes in optical path length of consecutive measurements and hence to improve the accuracy of the determined solvent vapor distribution, it would be beneficial to monitor the substrate temperature and actively control the ambient conditions.