streszczenie

Nanostructure and Stability of Thin Liquid Layers
Dominik Kosior
Supervisor: Professor Kazimierz Małysa
Associate Supervisor: Doctor Jan Zawała
Praca doktorska jest poświęcona określeniu roli nanostruktur warstw adsorpcyjnych i
hydrofobowych powierzchni ciał stałych w stabilności cienkich filmów ciekłych (TLF),
powstających w warunkach dynamicznych na granicach międzyfazowych: ciecz/gaz
i ciecz/ciało stałe. Zjawiska zachodzące w czasach milisekundowych w trakcie kolizji
pęcherzyków powietrza z powierzchniami międzyfazowymi ciecz/gaz i ciecz/ciało stałe
monitorowano przy użyciu szybkiej kamery o częstotliwości 1040 Hz. Pomiary stabilności i
równowagowych grubości cienkich filmów ciekłych o różnych średnicach wykonano przy
użyciu mikrointerferometrycznej metody badania TLF (Scheludko-Exerowa cell). Ponad to,
wpływ elektrolitów (NaCl) na czasy koalescencji (tc) cienkich filmów pianowych była badana
z użyciem aparatu SINTERFACE DBMM.
Badano wpływ stężenia substancji powierzchniowo aktywnych (SAS) oraz
architektury dynamicznej warstwy adsorpcyjnej (DAL) na prędkość kolizji, czas i amplitudę
odbić pęcherzyka, czasy koalescencji pęcherzyków na powierzchni swobodnej, kinetykę i
mechanizm powstawania kontaktu trójfazowego (TPC) na hydrofobowych powierzchniach
ciał stałych. Powierzchnie międzyfazowe były umieszczane w dwóch różnych odległościach
od miejsca tworzenia pęcherzyka (kapilary), tj. w odległości: i) L= 3 mm („blisko”), ii)
L= 250 mm („daleko”). Różnice w odległości pomiędzy kapilarą a próbką miały na celu
sprawdzenie wpływu indukowanej ruchem dynamicznej struktury warstwy adsorpcyjnej na
powierzchni pęcherzyka na kinetykę wyciekania cienkich filmów ciekłych. W celu zbadania
wpływu DAL na prędkość wyciekania cienkiego filmu ciekłego Pęcherzyk zderzający się z
powierzchnia międzyfazową umieszczoną „daleko” posiada już uformowaną architekturę,
natomiast dla pęcherzyka zderzającego się z powierzchnią umieszczoną „blisko” DAL jest w
fazie formowania się.
Szorstkość powierzchniowa jest czynnikiem o kluczowym znaczeniu w kinetyce
powstawania kontaktu trójfazowego na hydrofobowych powierzchniach. Figura 1 przedstawia
czasy powstawania kontaktu trójfazowego (tTPC) i czasy wyciekania filmu ciekłego (tD) dla
płytek Teflonowych o różnych szorstkościach powierzchniowych. Zaobserwowano, że,
wzrost szorstkości z 1 do 80 μm spowodował znaczny spadek wartości tTPC z 105 do kilku
milisekund. Zaobserwowany efekt może być związany z dwoma czynnikami: (i) zmianą
promienia wyciekającego filmu na nieregularnościach powierzchniowych (ii) obecnością
powietrza w postaci submikroskopowych pęcherzyków. Hydrofobowe powierzchnie
wykazują wysokie powinowactwo do powietrza i dlatego przy zanurzaniu do fazy wodnej
może na nich pozostać powietrze, a ilość tego powietrza powinna być zależna od szorstkość
powierzchniowej.
120
Time of Drainage
Time of TPC Formation
110
100
90
Time [ms]
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1-5
10-20
40-60
80-100
Roughness [m]
Fig. 1. Czas powstawania kontaktu trójfazowegoi czas wyciekania ciekłego filmu ciekłego na powierzchni
Teflonu o róznej szorstkości powierzchniowej, L= 250 mm.
40
180
Ub
160
tTPC
tD
140
30
120
25
100
20
80
Time [ms]
Bubble impact velocity [cm/s]
35
15
60
10
40
5
20
0
0
water 1e-6
1e-5
1e-4
1e-3
Cn-octanol [mole/L]
Fig. 2. Prędkośc kolizji pęcherzyka (kółka), czas formowania TPC (trójkąty) i cza wyciekania filmu (kwadraty)
na powierzchni T2500 w funkcji stężenia n-oktanolu, L= 250 mm.
Obecność powietrza w postaci submikroskopowych pęcherzyków może istotnie
wpływać na kinetykę powstawania kontaktu trójfazowego W przypadku powierzchni bez
„uwięzionego” powietrza koniecznym dla powstania TPC jest przerwanie filmu zwilżającego
(gaz-ciecz-ciało stałe), natomiast przy obecności powietrza kontakt trójfazowy może
powstawać lokalnie z obecnymi tam np. nano-pęcherzykami, czyli po przerwaniu filmu
pianowego (gaz-ciecz-gaz). Mechanizm ten został potwierdzony w dalszych doświadczeniach
z użyciem roztworów substancji powierzchniowo czynnych.
Wykazano, że w roztworach o małych stężeniach SAS czas powstawania kontaktu
trójfazowego uległ skróceniu w porównaniu do wartości zmierzonych w czystej wodzie w
wyniku zmniejszania czasu i amplitudy odbić pęcherzyków. Jednakże, przy wysokich
stężeniach badanych SAS następowało wydłużenie czasu powstawania kontaktu trójfazowego
– znaczne wydłużenie czasu wyciekania filmu ciekłego pomiędzy pęcherzykiem a
hydrofobowym ciałem stałym (Fig.2.). Wyniki te potwierdzają tezę o wiodącej roli powietrza
w mechanizmie powstawania kontaktu trójfazowego.
Fig. 3. Sekwencja zdjęć pęcherzyka zderzającego się z powierzchnią miedzyfazową powietrze/ciecz dla wody i
różnych stężeń n-oktanolu, L= 250 mm.
W bardzo niskich stężeniach roztworów SAS, czasy koalescencji pęcherzyków (tc)
ulegały skróceniu w wyniku zmniejszania czasu i amplitudy odbić pęcherzyków. Przy
wyższych stężeniach, powyżej pewnej „granicznej” wartości (cn-oktanolu= 5·10-6 M),
następowało znaczne wydłużenie czasu koalescencji spowodowane zwiększeniem stabilności
cienkiego filmu powstającego pomiędzy pęcherzykiem a powierzchnią międzyfazową
roztwór/powietrze.
Generalnie, czas koalescencji pęcherzyka może być rozpatrywany, jako suma czasów
odbić (tbouncing) i wyciekania filmu (tfilm) utworzonego przez pęcherzyk na powierzchni
ciecz/powietrze. Grubości filmów ciekłych w momencie ich pękania w warunkach
dynamicznych były wyznaczane w oparciu o eksperymentalne wartości czasów życia
pęcherzyka (tfilm). Figura 4 prezentuje zależność grubości filmów momencie pękania od
stężenia n-oktanolu, obliczone dla dwóch granicznych przypadków: symetrycznego i
niesymetrycznego filmu pianowego. Obliczenia wskazują, że dla stężenia c< 5·10-6 M
grubośc pękania była rzędu 5-7 μm tj. znacznie wyższe niż zmierzone metodą
mikrointerferometryczną grubości filmów powstających w warunkach statycznych. Jednakże,
dla wysokich stężeń SAS (c= 5·10-6 M) grubości filmów w momencie rozrywania były
podobne w warunkach dynamicznych i statycznych – poniżej 400 nm.
9
A
surface= bubble= equilibrium
surface= equilibrium ; bubble=0
8
7
Thickness [m]
6
0,5
B
5
0,4
4
0,3
3
0,2
2
0,1
1
0,0
1e-5
1e-4
0
1e-6
1e-5
1e-4
Cn-octanol [mole/L]
Fig. 4. Grubość filmów pianowych w momencie koalescencji pęcherzyka obliczone z modelu RDI.