Impact of Colloidal Fluid Drops on Solid Surfaces

Understanding the behaviour of colloidal fluids during high-speed drop impact is crucial for diverse applications, ranging from industrial processes like spray coating and inkjet printing to medical sprays and fuel injection. This dissertation explores the complex dynamics of high-speed drop impact across three distinct types of colloidal fluids: simple colloidal nanosuspensions, fumed nanoparticle suspensions, and microemulsions. The research aims to elucidate the critical role of high-shear rheology in governing impact outcomes, particularly droplet spreading and splashing. Fundamentally, this study seeks to predict the outcome of drop impact (deposition or splashing) and propose strategies to control it using colloidal additives.

The experimental approach involved generating uniform droplets of colloidal fluids using a syringe pump. These droplets were released to fall freely towards a solid surface at controlled heights, and consequently, velocities, reaching up to 5 meters per second. High-speed cameras, operating at over 10,000 frames per second and up to 150,000 frames per second, captured the impact process, facilitating a detailed analysis of droplet deformation, lamella formation, and splashing.

Initially, a comprehensive experimental and analytical investigation was conducted on Newtonian liquids of both non-axisymmetric and axisymmetric drop impact on a solid sphere. The drop profile was visualised using a high-speed video system throughout the impact to measure the thickness of the lamella and the spreading diameter for different liquid viscosities, ratios of the target to drop diameters, offsets, and various other impact parameters. Subsequently, a theoretical model was developed for drop spreading on a solid spherical particle, based on the formulation of a remote asymptotic solution for the inviscid flows generated by non-axisymmetric drop impact. Furthermore, viscous effects in a thin viscous boundary layer were considered, enabling the formulation of an expression for the residual lamella thickness and maximum spreading. The theoretically predicted evolution of the lamella thickness, the residual film thickness, and the maximum spreading angle agree with the experimental data presented in this work and existing literature.

Colloidal fluids exhibit complicated rheological behaviour at the high shear rates experienced during impact. Traditional rheological measurement methods are insufficient to fully capture the complexities. To overcome this limitation, Drop Impact Viscometry (DIV) is introduced as a novel technique for probing the high-shear rheology of colloidal fluids. DIV determines the apparent viscosity of a liquid by analysing the residual lamella thickness after impact with a spherical target. The measured high-shear rate viscosities were then employed to interpret specific drop impact outcomes.

Simple colloidal fluids, consisting of suspensions of 150 nm silica synthesised using the Stöber method in water or ethanol, behaved similarly to rigid, non-interacting spheres. These nanoparticles did not affect the spreading, dynamic contact angle, or splashing threshold. These findings demonstrate that in the absence of additives and complex nanoscopic interactions, nanoparticles do not influence the dynamics and outcomes of drop impact experiments.

Fumed nanoparticle suspensions, containing nanoparticles of sizes 10-20 nm aggregated into 70-200 nm clusters, exhibited a more pronounced effect. Maximum spreading was reduced, and splashing was suppressed in some of the fumed nanoparticle suspension impacts. The measured apparent DIV viscosity of these liquids revealed significant apparent thickening, which could explain the reduced spreading and splash suppression. Notably, even weight fractions as low as 0.1% were found to suppress the splashing of viscous liquids' drop impacts at high velocities.

Water-in-oil microemulsions, despite their second phase being liquid nanodroplets, behaved similarly to the fumed nanoparticle suspensions. Maximum spreading was reduced, lamella thickness increased, and splashing was suppressed at higher impact velocities. DIV measurements revealed up to a 12-fold apparent thickening, elucidating these observations. Splash suppression was observed in all samples regardless of water concentration, highlighting the significant role that water nanodroplets can play in splashing.

Das Verständnis des Verhaltens kolloidaler Fluide beim Hochgeschwindigkeits-Tropfeneinschlag ist entscheidend für diverse Anwendungen, die von industriellen Prozessen wie Sprühbeschichtung und Tintenstrahldruck bis hin zu medizinischen Sprays und Kraftstoffeinspritzung reichen. Diese Arbeit untersucht die komplexe Dynamik des Hochgeschwindigkeits-Tropfeneinschlags für drei verschiedene Arten kolloidaler Fluide: einfache kolloidale Nanosuspensionen, pyrogene Nanopartikel-Suspensionen und Mikroemulsionen. Die Forschung zielt darauf ab, die entscheidende Rolle der Rheologie bei hohen Schergeschwindigkeiten für die Bestimmung der Auswirkungen des Einschlags zu beleuchten, insbesondere die Ausbreitung und das Spritzen von Tropfen. Grundsätzlich soll diese Studie das Ergebnis des Tropfeneinschlags (Ablagerung oder Spritzen) vorhersagen und Strategien vorschlagen, um es mithilfe von kolloidalen Additiven zu kontrollieren.

Der experimentelle Ansatz umfasste die Erzeugung einheitlicher Tropfen kolloidaler Fluide mithilfe einer Spritzenpumpe. Diese Tropfen wurden so freigesetzt, dass sie aus kontrollierten Höhen und folglich Geschwindigkeiten von bis zu 5 Metern pro Sekunde frei auf eine feste Oberfläche fallen. Hochgeschwindigkeitskameras, die mit über 10.000 Bildern pro Sekunde und bis zu 150.000 Bildern pro Sekunde arbeiten, erfassten den Aufprallprozess und ermöglichten eine detaillierte Analyse der Tropfenverformung, der Lamellenbildung und des Spritzens.

Zunächst wurde eine umfassende experimentelle und analytische Untersuchung des sowohl nicht-achsensymmetrischen als auch achsensymmetrischen Tropfeneinschlags Newtonscher Flüssigkeiten auf eine feste Kugel durchgeführt. Das Tropfenprofil wurde während des gesamten Aufpralls mithilfe eines Hochgeschwindigkeits-Videosystems visualisiert, um die Dicke der Lamelle und den Ausbreitungsdurchmesser für verschiedene Flüssigkeitsviskositäten, Verhältnisse von Ziel- zu Tropfendurchmessern, Offsets und verschiedene andere Aufprallparameter zu messen. Anschließend wurde ein theoretisches Modell für die Tropfenausbreitung auf einem festen kugelförmigen Partikel entwickelt, das auf der Formulierung einer asymptotischen Fernlösung für die durch nicht-achsensymmetrischen Tropfeneinschlag erzeugten reibungsfreien Strömungen basiert. Darüber hinaus wurden viskose Effekte in einer dünnen viskosen Grenzschicht berücksichtigt, was die Formulierung eines Ausdrucks für die verbleibende Lamellendicke und die maximale Ausbreitung ermöglichte. Die theoretisch vorhergesagte Entwicklung der Lamellendicke, der Dicke des Restfilms und des maximalen Ausbreitungswinkels stimmt mit den in dieser Arbeit und in der Literatur vorhandenen experimentellen Daten überein.

Kolloidale Fluide zeigen bei den hohen Schergeschwindigkeiten, die während des Aufpralls auftreten, ein kompliziertes rheologisches Verhalten. Herkömmliche rheologische Messmethoden reichen nicht aus, um die Komplexität vollständig zu erfassen. Um diese Einschränkung zu überwinden, wird die Drop Impact Viscometry (DIV) als neuartige Technik zur Untersuchung der Rheologie kolloidaler Fluide bei hohen Schergeschwindigkeiten eingeführt. DIV bestimmt die scheinbare Viskosität einer Flüssigkeit durch Analyse der verbleibenden Lamellendicke nach dem Aufprall auf ein kugelförmiges Ziel. Die gemessenen Viskositäten bei hohen Schergeschwindigkeiten wurden dann verwendet, um spezifische Ergebnisse des Tropfeneinschlags zu interpretieren.

Einfache kolloidale Fluide, die aus Suspensionen von 150 nm Siliziumdioxid bestehen, das nach dem Stöber-Verfahren in Wasser oder Ethanol synthetisiert wurde, verhielten sich ähnlich wie starre, nicht wechselwirkende Kugeln. Diese Nanopartikel hatten keinen Einfluss auf die Ausbreitung, den dynamischen Kontaktwinkel oder die Spritzschwelle. Diese Ergebnisse zeigen, dass Nanopartikel in Abwesenheit von Additiven und komplexen nanoskopischen Wechselwirkungen die Dynamik und die Ergebnisse von Tropfeneinschlagsexperimenten nicht beeinflussen.

Pyrogene Nanopartikel-Suspensionen, die Nanopartikel mit Größen von 10-20 nm enthalten, die zu 70-200 nm großen Aggregaten zusammengefügt sind, zeigten einen stärkeren Effekt. Die maximale Ausbreitung wurde reduziert und das Spritzen wurde bei einigen der pyrogenen Nanopartikel-Suspensionen unterdrückt. Die gemessene scheinbare DIV-Viskosität dieser Flüssigkeiten zeigte eine signifikante scheinbare Verdickung, was die reduzierte Ausbreitung und die Unterdrückung des Spritzens erklären könnte. Bemerkenswerterweise wurde festgestellt, dass selbst Gewichtsanteile von nur 0,1 % das Spritzen von Tropfen viskoser Flüssigkeiten bei hohen Geschwindigkeiten unterdrücken.

Wasser-in-Öl-Mikroemulsionen verhielten sich trotz ihrer zweiten Phase, die aus flüssigen Nanotropfen besteht, ähnlich wie die pyrogenen Nanopartikel-Suspensionen. Die maximale Ausbreitung wurde reduziert, die Lamellendicke erhöht und das Spritzen bei höheren Aufprallgeschwindigkeiten unterdrückt. DIV-Messungen zeigten eine bis zu 12-fache scheinbare Verdickung, was diese Beobachtungen erklärt. Die Unterdrückung des Spritzens wurde in allen Proben unabhängig von der Wasserkonzentration beobachtet, was die bedeutende Rolle hervorhebt, die Wasser-Nanotropfen beim Spritzen spielen können.