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Experimental investigation of the motion of droplets on surfaces with a gradient in wettability

التفاصيل البيبلوغرافية
العنوان: Experimental investigation of the motion of droplets on surfaces with a gradient in wettability
المؤلفون: Zielke, Paul Christian
سنة النشر: 2008
مصطلحات موضوعية: Tropfen, Experiment, Benetzung, Bewegung, Randwinkel, ddc:500, Gradient, Festkörperoberfläche, Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation
الوصف: Die vorliegende Dissertation beschreibt die Bewegung von Flüssigkeitstropfen auf Oberflächen mit einem linearen Gradienten der Benetzbarkeit, sogenannten Gradientenoberflächen. Tropfen, die auf eine derartige Oberfläche platziert werden, erfahren aufgrund der sich entlang der Tropfenperipherie ändernden Benetzbarkeit eine Antriebskraft und bewegen sich infolgedessen in Richtung zunehmender Benetzbarkeit. Insgesamt wurden vier verschiedene Flüssigkeiten untersucht: Diiodmethan, Pyridazin, 3-Pyridylcarbinol und 1,5-Pentandiol. Die Anwendungsmöglichkeiten dieses Phänomens sind vielfältig, da dieser Effekt eine neuartige Alternative des Flüssigkeitstransportes darstellt. Insbesondere bei räumlich kleinen Strukturen, zu finden z.B. in der Mikrosystemtechnik, lassen sich mechanische Pumpsysteme aufgrund der Dominanz der Kapillarkräfte nicht ohne weiteres einsetzen. Im Rahmen der Arbeit erfolgte eine detaillierte Beschreibung der Tropfenbewegung mit dem Schwerpunkt auf dem Geschwindigkeitsverlauf, dem dynamischen Kontaktwinkel, der Differenz zwischen hinterem und vorderem Kontaktwinkel und der Deformation der Tropfenbasis. Die Versuche ergaben, dass jede Flüssigkeit einen charakteristischen Geschwindigkeitsverlauf aufweist; darüber hinaus zeigte sich, dass die in der Literatur anzutreffende Annahme symmetrischer Tropfen mit der Form einer Kugelkappe selbst für kleine Tropfen (0,5 mm r < 0,8 mm) nur eingeschränkt gilt. Auf Grundlage der Wanderungsgeschwindigkeit wurde versucht, den Verlauf des kritischen Radius zu ermitteln, was lediglich bei 1,5-Pentandiol möglich war. Der damit bestimmte theoretische Geschwindigkeitsverlauf entsprach dem experimentell ermittelten. Weiterhin wurden Messungen der Kontaktwinkelhysterese auf unterschiedlich aber homogen benetzbaren Oberflächen durchgeführt. Vergleiche zwischen dem theoretischen Geschwindigkeitsverlauf auf Grundlage der gemessenen Kontaktwinkelhysterese und dem experimentell bestimmten ergaben bei allen untersuchten Flüssigkeiten keine Übereinstimmung. Darüber hinaus wird in der Arbeit ein Verfahren zur einfachen und schnellen Herstellung von Gradientenoberflächen vorgestellt. The present dissertation describes the movement of liquid droplets on solid surfaces with a linear gradient in wettability. Droplets placed on such a gradient surface experience a driving force due to the changing wettability along the droplet periphery and move in direction of increasing wettability. Four different liquids were studied: diiodmethane, pyridazine, 3-pyridylcarbinol and 1,5-pentanediol. The possible applications of this phenomenon are manifold as it poses an novel mechanism of fluid transport, particularly at sub millimetre scales, e.g. in microelectromechanical systems, where mechanical pumping mechanisms cannot be applied easily due to the dominance of capillary forces. The droplet motion is described in detail in terms of evolution of velocity, dynamic contact angle, difference of rear and front contact angles and droplet planform deformation. The experiments showed that for each liquid exists a characteristic velocity course. Furthermore deviations from the assumed spherical cap shape were observed despite the small size of droplets (0,5 mm < R < 0,8 mm). On the basis of the measured droplet velocity an attempt was made to calculate the critical radius along the surfaces which only succeeded with 1,5-pentanediol. Comparison of theoretical velocity course calculated on the basis of the critical radius and experiment showed good agreement. Measurements of contact angle hysteresis on surfaces of homogeneous but varying wettability were carried out. Comparison of the theoretical velocity course, calculated on the basis of measured contact angle hysteresis, with the experimentally observed showed no satisfying agreement with all studied liquids. Furthermore a novel method for easy und fast fabrication of gradient surfaces is presented.
وصف الملف: application/pdf
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