Fundamental Investigation of Forced Wetting on Structured Surfaces

Anwendungen in der Druck-, Beschichtungs-, Kühlungstechnik etc. zu verstehen. Entionisiertes Wasser, Glycerin-Wasser (85%-15% vol.) Mischung sowie verschiedene Arten von PDMS (Polydimethylsiloxan) wurden zur Untersuchung der Benetzbarkeit von pyramidenförmigen Feldern und konzentrischen dreieckigen Kreisen, die im Grössenbereich von Millimeter liegen, verwendet. In den Versuchen wurde die Benetzbarkeit der Substrate in zwei verschiedenen Ausrichtungen untersucht. In vertikaler Richtung, durch Eintauchen und Herausziehen des Substrats in/aus einen Flüssigkeitsbad; in horizontaler Richtung durch Pumpen der Flüssigkeit durch die Mitte des Substrats. Der scheinbare Kontaktwinkel auf dem jeweiligen Substrat wurde gemessen und die Korrelation zwischen Kapillarzahl, Strukturgrösse und Kontaktwinkel untersucht. Die bestehenden Modelle und Auswertungsverfahren zur Bestimmung des Kontaktwinkels, sowie neue Ansätze, wurden angewendet und ausführlich diskutiert. Numerische Simulationen der Benetzung auf horizontal angeordneten Substraten wurden unter Verwendung eines C++ basierten, CFD Software-Paket, OpenFOAM ausgeführt. Die dynamische Benetzungsgleichung von Kistler wurde auf Basis dieser Software implementiert. Mit den experimnetellen Ergebnissen vergleichbare Resultate wurden in den Simulationen erzielt. Abschliessend wurde dargestellt, dass es weder universelle noch substratspezifische Randbedingungen für den Kontaktwinkel bzw. die Kontaktlinie gibt, die die Übertragbarkeit des Kontaktwinkels erlaubten. Somit gibt es keine Zusammenhang zwischen den Benetzungsverhalten von chemisch heterogenen Oberflächen und den verwendeten Oberflächen.

The present work is an attempt to understand wetting on very rough surfaces for printing, coating, cooling etc. applications. Various kinds of PDMS (polydimethylsiloxane), deionized water, and glycerin-water (85%-15% vol.) mixture were used to wet the pyramidal arrays and concentric triangular circles, which have scales in millimeters. Wetting of the test substrates were done both in vertical and horizontal orientation, by dipping the substrate in a liquid bath and pumping the liquid through the center of the substrate, respectively. The apparent contact angle on each substrate was measured and a correlation between capillary number, contact angle, and feature size was sought. Existing models and contact angle evaluation methods, together with additional new approaches, have been applied and were discussed extensively. Numerical simulations for wetting on horizontally placed substrates were performed by using a C++ based, open source CFD software package, OpenFOAM (Open Source Field Operation and Manipulation). Kistler's dynamic wetting equation was implemented into the software. Simulation results compatible with experiments were achieved. In conclusion, it is shown that there is not a unique boundary condition on the contact angle/line, even for one test surface, which spoils the transferability of contact angle. Moreover, roughness on these scales bears significant differences with chemical heterogeneity.

Anwendungen in der Druck-, Beschichtungs-, Kühlungstechnik etc. zu verstehen. Entionisiertes Wasser, Glycerin-Wasser (85%-15% vol.) Mischung sowie verschiedene Arten von PDMS (Polydimethylsiloxan) wurden zur Untersuchung der Benetzbarkeit von pyramidenförmigen Feldern und konzentrischen dreieckigen Kreisen, die im Grössenbereich von Millimeter liegen, verwendet. In den Versuchen wurde die Benetzbarkeit der Substrate in zwei verschiedenen Ausrichtungen untersucht. In vertikaler Richtung, durch Eintauchen und Herausziehen des Substrats in/aus einen Flüssigkeitsbad; in horizontaler Richtung durch Pumpen der Flüssigkeit durch die Mitte des Substrats. Der scheinbare Kontaktwinkel auf dem jeweiligen Substrat wurde gemessen und die Korrelation zwischen Kapillarzahl, Strukturgrösse und Kontaktwinkel untersucht. Die bestehenden Modelle und Auswertungsverfahren zur Bestimmung des Kontaktwinkels, sowie neue Ansätze, wurden angewendet und ausführlich diskutiert. Numerische Simulationen der Benetzung auf horizontal angeordneten Substraten wurden unter Verwendung eines C++ basierten, CFD Software-Paket, OpenFOAM ausgeführt. Die dynamische Benetzungsgleichung von Kistler wurde auf Basis dieser Software implementiert. Mit den experimnetellen Ergebnissen vergleichbare Resultate wurden in den Simulationen erzielt. Abschliessend wurde dargestellt, dass es weder universelle noch substratspezifische Randbedingungen für den Kontaktwinkel bzw. die Kontaktlinie gibt, die die Übertragbarkeit des Kontaktwinkels erlaubten. Somit gibt es keine Zusammenhang zwischen den Benetzungsverhalten von chemisch heterogenen Oberflächen und den verwendeten Oberflächen.