Authors:	Fell, Daniela
Title:	Dynamic wetting of complex liquids
Online publication date:	11-Apr-2013
Year of first publication:	2013
Language:	english
Abstract:	A simple dependency between contact angle θ and velocity or surface tension has been predicted for the wetting and dewetting behavior of simple liquids. According to the hydrodynamic theory, this dependency was described by Cox and Voinov as θ ∼ Ca^(1/3) (Ca: Capillary number). For more complex liquids like surfactant solutions, this prediction is not directly given.rnHere I present a rotating drum setup for studying wetting/dewetting processes of surfactant solutions on the basis of velocity-dependent contact angle measurements. With this new setup I showed that surfactant solutions do not follow the predicted Cox-Voinov relation, but showed a stronger contact angle dependency on surface tension. All surfactants independent of their charge showed this difference from the prediction so that electrostatic interactions as a reason could be excluded. Instead, I propose the formation of a surface tension gradient close to the three-phase contact line as the main reason for the strong contact angle decrease with increasing surfactant concentration. Surface tension gradients are not only formed locally close to the three-phase contact line, but also globally along the air-liquid interface due to the continuous creation/destruction of the interface by the drum moving out of/into the liquid. By systematically hindering the equilibration routes of the global gradient along the interface and/or through the bulk, I was able to show that the setup geometry is also important for the wetting/dewetting of surfactant solutions. Further, surface properties like roughness or chemical homogeneity of the wetted/dewetted substrate influence the wetting/dewetting behavior of the liquid, i. e. the three-phase contact line is differently pinned on rough/smooth or homogeneous/inhomogeneous surfaces. Altogether I showed that the wetting/dewetting of surfactant solutions did not depend on the surfactant type (anionic, cationic, or non-ionic) but on the surfactant concentration and strength, the setup geometry, and the surface properties.rnSurfactants do not only influence the wetting/dewetting behavior of liquids, but also the impact behavior of drops on free-standing films or solutions. In a further part of this work, I dealt with the stability of the air cushion between drop and film/solution. To allow coalescence between drop and substrate, the air cushion has to vanish. In the presence of surfactants, the vanishing of the air is slowed down due to a change in the boundary condition from slip to no-slip, i. e. coalescence is suppressed or slowed down in the presence of surfactant. Für das Be- und Entnetzungsverhalten einfacher Flüssigkeiten wurde eine einfache Abhängigkeit des Kontaktwinkels θ von der Geschwindigkeit und der Oberflächenspannung vorhergesagt. Diese Abhängigkeit wurde von Cov und Voinov aufgrund der hydrodynamischen Theorie als θ ∼ Ca^(1/3) (Ca: Kapillarzahl) beschrieben. Für komplexere Flüssigkeiten wie Tensidlösungen ist diese einfache Vorhersage allerdings nicht unmittelbar gegeben.rnIn der vorliegenden Arbeit präsentiere ich einen rotierenden Zylinderaufbau zur Untersuchung von Be- und Entnetzungsprozessen von Tensidlösungen anhand von geschwindigkeitsabhängigen Kontaktwinkelmessungen. Mit Hilfe dieses neuen Aufbaus konnte ich zeigen, dass das Be- und Entnetzungsverhalten von Tensidlösungen nicht der Cox-Voinov-Beziehung folgt, sondern eine stärkere Abhängigkeit von der Oberflächenspannung aufweist. Alle Tenside, unabhängig ihrer Ladung, wiesen diese Abhängigkeit auf, so dass ich elektrostatische Wechselwirkungen als Ursache hierfür ausschließen konnte. Vielmehr schlage ich die Ausbildung eines Oberflächenspannungsgradienten nahe der Dreiphasenkontaktlinie als Hauptursache für den starken Kontaktwinkelabfall mit steigender Tensidkonzentration vor. Oberflächenspannungsgradienten bilden sich nicht nur lokal nahe der Dreiphasenkontaktlinie, sondern auch global entlang der Luft-Wasser Grenzfläche aufgrund der kontinuierlichen Entstehung/Vernichtung der Grenzfläche durch das Auf-/Eintauchen des Zylinders in die Flüssigkeit. Durch systematisches Blockieren der Equilibrierungswege des globalen Gradienten entlang der Grenzfläche und/oder durch die Lösung habe ich die Bedeutung der Aufbaugeometrie für das Be-/Entnetzungsverhalten von Tensidlösungen genauer untersucht. Desweiteren hat die Oberflächenbeschaffenheit, wie beispielsweise die Rauigkeit oder chemische Homogenität, des zu be-/entnetzenden Substrats einen großen Einfluss auf das Verhalten der Flüssigkeit, d. h. die Dreiphasenkontaktlinie zeigt unterschiedliches Haftungsverhalten auf rauen/glatten oder homogenen/inhomogenen Oberflächen. Alles in allem habe ich gezeigt, dass das Be-/Entnetzungsverhalten von Tensidlösungen nicht von der Art des verwendeten Tensids (anionisch, kationisch, nichtionisch), sondern vielmehr von der Tensidkonzentration und -stärke, der Aufbaugeometrie und der Beschaffenheit der zu be-/entnetzenden Oberfläche abhängt.rnTensid hat nicht nur Einfluss auf das Be-/Entnetzungsverhalten von Lösungen, sondern auch auf das Aufprallverhalten von Tropfen auf freistehenden Filmen bzw. Lösungen. In einem weiteren Teil der vorliegenden Arbeit habe ich mich mit der Stabilität des Luftpolsters zwischen Tropfen und Film/Lösung beschäftigt. Damit der Tropfen mit dem Substrat verschmelzen kann, muss das Luftpolster zwischen Tropfen und Film/Lösung herausströmen und somit einen Kontakt zwischen den beiden Flüssigkeiten ermöglichen. Dabei wird das Herausströmen der Luft in Anwesenheit von Tensid aufgrund einer Änderung der Grenzbedingung von "slip" zu "no-slip" verlangsamt, d. h. das Verschmelzen von Tropfen und Substrat wird unterdrückt bzw. verlangsamt.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2692
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-34079
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	141 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen