< Terug naar vorige pagina
Project
Beheersen van de dynamica van vloeibare interfases
Het onderzoek van deze doctoraatsthesis behandelt de ontwikkeling van interfasereometers. Deze ontwikkeling focust zowel op de verbetering van de data interpretatie van bestaande instrumenten als het ontwerp en de experimentele validatie van enkele nieuwe meettechnieken. Interfasereometrie wordt onderverdeeld in verschillende subdomeinen op basis van de kinematica van de aangelegde vervorming. Deze omvatten afschuiving, extensie en dilatatie. Dit werk draagt bij aan deze drie domeinen, en bijkomendwordt ook het effect van de interfasereologische eigenschappen op de meting van oppervlakte isothermen bestudeerd. In het laatste hoofdstuk komt een nieuw ontwerp voor een microfluidic stromingscel aan bod, met als doel een zuivere afschuifstroming te genereren. Dit kan nuttig zijn om, bijvoorbeeld, de effecten van interfasereologische eigenschappen op druppelvervorming te onderzoeken.
Voor afschuifreologie aan interfases wordt gekeken naar de bepaling van afschuifviscositeiten op basis van experimentele resultaten bekomen met de Interfase Stress Reometer (ISR).Meer specifiek wordt gekeken naar het effect van bulk stroming op het stromingsveld aan de interfase en de resulterende afschuifsnelheden. Gebruik makende van een analytische oplossing gebaseerd op een punt-kracht benadering, numerieke berekeningen en experimentele visualisatie van het stromingsveld aan de interfase, worden de effecten van bulk stroming geanalyseerd en gekwantificeerd. De dimensieloze grootheid die dit effect bepaalt is het Boussinesq getal Bo. Uit de bekomen resultaten blijkt dat bulk effecten enkel verwaarloosd mogen worden indien Bo>500. In alle andere gevallen, moeten de resultaten gecorrigeerd worden door de effectieve afschuifsnelheid aan het capillair te beschouwen, die hoger is dan wanneer bulkstroming geen rol speelt.
Het volgende deel onderzoekt de meting van de mechanische eigenschappen van interfases in extensie door de Cambridge Interfacial Tensiometer (CIT). Hiervoor wordt een constitutieve vergelijking opgesteld voor een puur viskeuze interfase, gekenmerkt door een interfase afschuif-, dilatatie- en extensieviscositeit. Bijkomend worden ook gradiënten in oppervlaktespanning door concentratieverschillen van de stabilisator mee in rekening gebracht. Numerieke berekeningen laten dan toe om het stromingsveld aan de interfase te bestuderen voor verschillende waardes van de drie geïndentificeerde dimensieloze groepen. Het blijkt dat het bekomen snelheidsprofiel gemengd is en afhankelijk van de interfase eigenschappen. Zuivere dilatatie en zuivere extensie vormen hierbij de mogelijke limietgevallen voor het snelheidsveld aan de interfase. Deze resultaten impliceren dat een modelgebaseerde aanpak noodzakelijk is om de meetresultaten te interpreteren als extensionele viscositeiten. Bijkomend is experimentele input vereist van andere interfasereometers om de interfase eigenschappen in afschuiving en dilatatie te kwantificeren. De haalbare sensitiviteit met de CIT blijf beperkt vanwege het direct verband tussen interfase eigenschappen en het bekomen stromingsveld. Ook de afhankelijkheid van andere meettoestellen maakt de techniek gevoelig voor foutenpropagatie. Als een experimentele testcase worden experimentele data op DPPC aan de water-lucht interfase geanalyseerd. Er blijkt een goede overeenkomst tussen de gemeten krachten en de modelvoorspellingen gebaseerd op literatuurwaarden voor de interfase eigenschappen van DPPC. De resultaten tonen duidelijk aan dat voor de relatiefsimpele DPPC moleculen er geen specifieke extensionele verharding of verzachting plaatsvindt.
Vervolgens wordt gefocust op het design van een nieuwe geometrie die, in combinatie met een standaard rotationele reometer, gevoelig is voor de dilatationele stijfheid van interfases. Deze nieuwe geometrie is een aanpassing van de bestaande Double Wall-Ring geometrie, die ontworpen is om interfase afschuifeigenschappen op te meten. Door een sinusoïdale perturbatie toe te voegen aan de ring wordt eennieuwe geometrie verkregen, de Double Wall-Sinusoidal Ring (DWSR). Hierwordt onderzocht of deze geometrie in staat is om dilatatiereologie op te meten. Numerieke berekeningen worden uitgevoerd om het effect van de dilatationele eigenschappen op het koppel, zoals opgemeten door de reometer, te bepalen. Zoals in het CIT toestel, is het geïnduceerd stromingsveld gemengd, met in dit geval afschuiving en dilatatie de twee limieten.Toch is de DWSR gevoelig voor dilatationele eigenschappen, al is dit enkel in een beperkt bereik van interfase eigenschappen. Concreet moet de verhouding van de dilatatie- over de afschuifviscositeit tussen de 20 ende 2000 liggen om voldoende gevoeligheid te verkrijgen. Voor lagere waardes wordt het koppel vooral bepaald door de afschuifbijdrage, en voor hogere waardes gedraagt de interfase zich onsamendrukbaar en verdwijnt degewenste gevoeligheid. Om de DWSR geometrie te valideren werden experimenten uitgevoerd op hexadecanol aangebracht op de water-lucht interfase.Er is een goede overeenkomst tussen de DWSR resultaten en data van een andere dilatatiereometer, de Langmuir trog met oscillerende barriers. Ondanks de beperkte gevoeligheid, heeft de DWSR geometrie enkele voordelenten opzichte van bestaande dilatationele reometers. Ten eerste wordt deafschuifbijdrage volledig gecorrigeerd met een modelgebaseerde aanpak. Ten tweede vermijdt het gebruik van een vlakke interfase de bijdrage vanbuigelasticiteit aan de resulterende spanningen. Ten slotte is de koppelmeting door de reometer een directe spanningsmeting in het interfasevlak en worden indirecte spanningsmetingen, zoals het fitten van de Young-Laplace vergelijking door beelden van vervormde druppels of bellen, vermeden.
Vervolgens wordt gekeken naar de bijdrage van reologische effecten op de meting van oppervlakte isothermen. Deze laatste bepalen de thermodynamisch bepaalde relatie tussen oppervlaktedruk en oppervlakteconcentratie van de stabilisator. Echter, recente rapporten in de literatuur maken erop attent dat voor zeer elastische interfases, de directe relatie tussen oppervlaktedruk en oppervlakteconcentratie niet blijkt te gelden. Concreet kunnen voor dezelfde waarde van oppervlakteconcentratie toch verschillende waardes voor de oppervlaktedruk bekomen worden door verschillende trogafmetingen te gebruiken voor de compressies. Dit werk rationaliseert deze observaties door de reologische bijdrage aan de schijnbare oppervlaktedruk te onderzoeken. Hiervoor worden quasi-lineaire constitutieve vergelijkingen afgeleid door de gepaste spanningstensoren vooreindige vervormingen te beschouwen. Speciale aandacht gaat hierbij naarhet zorgvuldig scheiden van afschuif- en dilatatiecomponenten, onafhankelijk van keuze van assenstelsel. Door gebruik te maken van deze modellen, kunnen de reologische en de oppervlaktespanningsbijdrage in de isothermen van zeer elastische interfases gescheiden worden. Als gevalstudie wordt gekeken naar de isothermen van grafeenoxide aan de water-lucht interfase. De grootste bijdrage tot de isotherm blijkt in dit geval te komenvan de reologische spanningsopbouw en slechts in mindere mate door het effect van interfasespanning. Uit de resultaten blijkt dat de data het best beschreven wordt door de Hencky spanningstensor. Een nieuw meetprotocol wordt voorgesteld om meerdere isothermen te meten, verkregen door verschillende startconcentraties op hetzelfde startoppervlak te spreiden. Deze isothermen kunnen dan vergeleken worden om reologische effecten en het effect van interfasespanning uit mekaar te halen.
Vanwege hetbeperkte meetbereik van de DWSR, wordt een radiale Langmuir trog ontwikkeld met als doel zuivere dilatationele vervormingen te bekomen opeen vlakke interfase. Op die manier kunnen ingewikkelde numerieke berekeningen om de data op een correcte manier te analyseren, voorkomen worden. Door met twaalf aluminium vingers, via draad en katrolletjes verbonden met een stappenmotor, isotroop te trekken aan een elastiek, vindt een zuivere dilatatie plaats. De spanning aan de interfase wordt gemeten door een Wilhelmy staafje, gepositioneerd in het centrum van de trog. Met dit toestel kunnen zowel isothermen als oscillatorische dilatationele vervormingen opgemeten worden. Numerieke berekeningen tonen het effect van bulkstroming aan op het stromingsveld en de meetlimieten in termen van het Boussinesq getal. Experimentele metingen op een polymeer, PtBMA, aan de water-lucht interfase worden besproken. De bekomen isothermen met de nieuwe radiale trog en met een standaard rechthoekige trog met verschillende oriëntatie van de Wilhelmy plaat blijken signficant te verschillen bij voldoende hoge waardes van oppervlaktedruk. Het blijkt dat die veroorzaakt wordt door grote waardes van de afschuifelasticiteit, die afzonderlijk zijn gemeten met een DWR geometrie bij verschillende oppervlakteconcentraties. Bij de oscillatorische dilatationele metingen worden moduligevonden die consistent zijn met de helling in de isothermen voor een oppervlaktedruk beneden 18 mN/m, en er blijken geen verschillen tussen deverschillende troggeometrieën en plaatoriëntaties. Echter, bij hogere oppervlaktedrukken zijn de dilatationele moduli aanzienlijk groter dan dehelling van de isothermen, wat erop wijst dat er morfologische transities plaatsvinden. Bijkomend worden aanzienlijke verschillen waargenomen tussen de dilatationele moduli afkomstig van verschillende troggeometrieënen plaatoriëntaties, met gelijklopende trends als de isothermen, veroorzaakt door grote waardes van afschuifelasticiteit. De viskeuze bijdrage aan de dilatationele respons blijkt verwaarloosbaar in het bestudeerde frequentiebereik.
Ten slotte wordt een nieuw ontwerp voor een microfluidic stromingscel voor afschuiving geoptimaliseerd en experimenteel onderzocht. De mogelijkheid om gecontroleerde stromingstypes te genereren heeft als doel om de effecten van interfasestabilisatoren te onderzoeken op processen zoals coalescentie en opbreek gedrag. Daarom wordt een nieuwe geometrie bestudeerd die, gebruik makende van slechts twee in- en twee uitgangen, een stagnatiepunt bekomt met een zuivere afschuifstroming. Dit ontwerp is gefabriceerd door gebruik te maken van lithografietechnieken. Confocale microscopie laat toe de numerieke berekeningen van hetstromingsprofiel in de resulterende stromingscel uit PDMS te valideren.
Als conclusie kan gesteld worden dat dit werk bijdraagt tot de ontwikkeling van afschuif-, extensie- en dilatatiereometrie. Zowel numerieke berekeningen op bestaande setups als de ontwikkeling en experimentele validatie van nieuwe concepten werden uitgevoerd. Bijkomende inzichtenwerden verkregen met betrekking tot het relatieve belang van de verschillende materiaalfuncties geassocieerd met complexe interfases. De interpretatie van oppervlakte isothermen is bestudeerd, en het blijkt dat reologische eigenschappen dominant kunnen zijn in het geval van zeer elastische interfases. Ten slotte is een nieuwe geometrie voor een microfluidicstromingscel geoptimaliseerd en gevalideerd die toelaat een systematische studie van de effecten van interfasereologische eigenschappen op coalescentie en opbreekgedrag van druppels/bellen uit te voeren.
Voor afschuifreologie aan interfases wordt gekeken naar de bepaling van afschuifviscositeiten op basis van experimentele resultaten bekomen met de Interfase Stress Reometer (ISR).Meer specifiek wordt gekeken naar het effect van bulk stroming op het stromingsveld aan de interfase en de resulterende afschuifsnelheden. Gebruik makende van een analytische oplossing gebaseerd op een punt-kracht benadering, numerieke berekeningen en experimentele visualisatie van het stromingsveld aan de interfase, worden de effecten van bulk stroming geanalyseerd en gekwantificeerd. De dimensieloze grootheid die dit effect bepaalt is het Boussinesq getal Bo. Uit de bekomen resultaten blijkt dat bulk effecten enkel verwaarloosd mogen worden indien Bo>500. In alle andere gevallen, moeten de resultaten gecorrigeerd worden door de effectieve afschuifsnelheid aan het capillair te beschouwen, die hoger is dan wanneer bulkstroming geen rol speelt.
Het volgende deel onderzoekt de meting van de mechanische eigenschappen van interfases in extensie door de Cambridge Interfacial Tensiometer (CIT). Hiervoor wordt een constitutieve vergelijking opgesteld voor een puur viskeuze interfase, gekenmerkt door een interfase afschuif-, dilatatie- en extensieviscositeit. Bijkomend worden ook gradiënten in oppervlaktespanning door concentratieverschillen van de stabilisator mee in rekening gebracht. Numerieke berekeningen laten dan toe om het stromingsveld aan de interfase te bestuderen voor verschillende waardes van de drie geïndentificeerde dimensieloze groepen. Het blijkt dat het bekomen snelheidsprofiel gemengd is en afhankelijk van de interfase eigenschappen. Zuivere dilatatie en zuivere extensie vormen hierbij de mogelijke limietgevallen voor het snelheidsveld aan de interfase. Deze resultaten impliceren dat een modelgebaseerde aanpak noodzakelijk is om de meetresultaten te interpreteren als extensionele viscositeiten. Bijkomend is experimentele input vereist van andere interfasereometers om de interfase eigenschappen in afschuiving en dilatatie te kwantificeren. De haalbare sensitiviteit met de CIT blijf beperkt vanwege het direct verband tussen interfase eigenschappen en het bekomen stromingsveld. Ook de afhankelijkheid van andere meettoestellen maakt de techniek gevoelig voor foutenpropagatie. Als een experimentele testcase worden experimentele data op DPPC aan de water-lucht interfase geanalyseerd. Er blijkt een goede overeenkomst tussen de gemeten krachten en de modelvoorspellingen gebaseerd op literatuurwaarden voor de interfase eigenschappen van DPPC. De resultaten tonen duidelijk aan dat voor de relatiefsimpele DPPC moleculen er geen specifieke extensionele verharding of verzachting plaatsvindt.
Vervolgens wordt gefocust op het design van een nieuwe geometrie die, in combinatie met een standaard rotationele reometer, gevoelig is voor de dilatationele stijfheid van interfases. Deze nieuwe geometrie is een aanpassing van de bestaande Double Wall-Ring geometrie, die ontworpen is om interfase afschuifeigenschappen op te meten. Door een sinusoïdale perturbatie toe te voegen aan de ring wordt eennieuwe geometrie verkregen, de Double Wall-Sinusoidal Ring (DWSR). Hierwordt onderzocht of deze geometrie in staat is om dilatatiereologie op te meten. Numerieke berekeningen worden uitgevoerd om het effect van de dilatationele eigenschappen op het koppel, zoals opgemeten door de reometer, te bepalen. Zoals in het CIT toestel, is het geïnduceerd stromingsveld gemengd, met in dit geval afschuiving en dilatatie de twee limieten.Toch is de DWSR gevoelig voor dilatationele eigenschappen, al is dit enkel in een beperkt bereik van interfase eigenschappen. Concreet moet de verhouding van de dilatatie- over de afschuifviscositeit tussen de 20 ende 2000 liggen om voldoende gevoeligheid te verkrijgen. Voor lagere waardes wordt het koppel vooral bepaald door de afschuifbijdrage, en voor hogere waardes gedraagt de interfase zich onsamendrukbaar en verdwijnt degewenste gevoeligheid. Om de DWSR geometrie te valideren werden experimenten uitgevoerd op hexadecanol aangebracht op de water-lucht interfase.Er is een goede overeenkomst tussen de DWSR resultaten en data van een andere dilatatiereometer, de Langmuir trog met oscillerende barriers. Ondanks de beperkte gevoeligheid, heeft de DWSR geometrie enkele voordelenten opzichte van bestaande dilatationele reometers. Ten eerste wordt deafschuifbijdrage volledig gecorrigeerd met een modelgebaseerde aanpak. Ten tweede vermijdt het gebruik van een vlakke interfase de bijdrage vanbuigelasticiteit aan de resulterende spanningen. Ten slotte is de koppelmeting door de reometer een directe spanningsmeting in het interfasevlak en worden indirecte spanningsmetingen, zoals het fitten van de Young-Laplace vergelijking door beelden van vervormde druppels of bellen, vermeden.
Vervolgens wordt gekeken naar de bijdrage van reologische effecten op de meting van oppervlakte isothermen. Deze laatste bepalen de thermodynamisch bepaalde relatie tussen oppervlaktedruk en oppervlakteconcentratie van de stabilisator. Echter, recente rapporten in de literatuur maken erop attent dat voor zeer elastische interfases, de directe relatie tussen oppervlaktedruk en oppervlakteconcentratie niet blijkt te gelden. Concreet kunnen voor dezelfde waarde van oppervlakteconcentratie toch verschillende waardes voor de oppervlaktedruk bekomen worden door verschillende trogafmetingen te gebruiken voor de compressies. Dit werk rationaliseert deze observaties door de reologische bijdrage aan de schijnbare oppervlaktedruk te onderzoeken. Hiervoor worden quasi-lineaire constitutieve vergelijkingen afgeleid door de gepaste spanningstensoren vooreindige vervormingen te beschouwen. Speciale aandacht gaat hierbij naarhet zorgvuldig scheiden van afschuif- en dilatatiecomponenten, onafhankelijk van keuze van assenstelsel. Door gebruik te maken van deze modellen, kunnen de reologische en de oppervlaktespanningsbijdrage in de isothermen van zeer elastische interfases gescheiden worden. Als gevalstudie wordt gekeken naar de isothermen van grafeenoxide aan de water-lucht interfase. De grootste bijdrage tot de isotherm blijkt in dit geval te komenvan de reologische spanningsopbouw en slechts in mindere mate door het effect van interfasespanning. Uit de resultaten blijkt dat de data het best beschreven wordt door de Hencky spanningstensor. Een nieuw meetprotocol wordt voorgesteld om meerdere isothermen te meten, verkregen door verschillende startconcentraties op hetzelfde startoppervlak te spreiden. Deze isothermen kunnen dan vergeleken worden om reologische effecten en het effect van interfasespanning uit mekaar te halen.
Vanwege hetbeperkte meetbereik van de DWSR, wordt een radiale Langmuir trog ontwikkeld met als doel zuivere dilatationele vervormingen te bekomen opeen vlakke interfase. Op die manier kunnen ingewikkelde numerieke berekeningen om de data op een correcte manier te analyseren, voorkomen worden. Door met twaalf aluminium vingers, via draad en katrolletjes verbonden met een stappenmotor, isotroop te trekken aan een elastiek, vindt een zuivere dilatatie plaats. De spanning aan de interfase wordt gemeten door een Wilhelmy staafje, gepositioneerd in het centrum van de trog. Met dit toestel kunnen zowel isothermen als oscillatorische dilatationele vervormingen opgemeten worden. Numerieke berekeningen tonen het effect van bulkstroming aan op het stromingsveld en de meetlimieten in termen van het Boussinesq getal. Experimentele metingen op een polymeer, PtBMA, aan de water-lucht interfase worden besproken. De bekomen isothermen met de nieuwe radiale trog en met een standaard rechthoekige trog met verschillende oriëntatie van de Wilhelmy plaat blijken signficant te verschillen bij voldoende hoge waardes van oppervlaktedruk. Het blijkt dat die veroorzaakt wordt door grote waardes van de afschuifelasticiteit, die afzonderlijk zijn gemeten met een DWR geometrie bij verschillende oppervlakteconcentraties. Bij de oscillatorische dilatationele metingen worden moduligevonden die consistent zijn met de helling in de isothermen voor een oppervlaktedruk beneden 18 mN/m, en er blijken geen verschillen tussen deverschillende troggeometrieën en plaatoriëntaties. Echter, bij hogere oppervlaktedrukken zijn de dilatationele moduli aanzienlijk groter dan dehelling van de isothermen, wat erop wijst dat er morfologische transities plaatsvinden. Bijkomend worden aanzienlijke verschillen waargenomen tussen de dilatationele moduli afkomstig van verschillende troggeometrieënen plaatoriëntaties, met gelijklopende trends als de isothermen, veroorzaakt door grote waardes van afschuifelasticiteit. De viskeuze bijdrage aan de dilatationele respons blijkt verwaarloosbaar in het bestudeerde frequentiebereik.
Ten slotte wordt een nieuw ontwerp voor een microfluidic stromingscel voor afschuiving geoptimaliseerd en experimenteel onderzocht. De mogelijkheid om gecontroleerde stromingstypes te genereren heeft als doel om de effecten van interfasestabilisatoren te onderzoeken op processen zoals coalescentie en opbreek gedrag. Daarom wordt een nieuwe geometrie bestudeerd die, gebruik makende van slechts twee in- en twee uitgangen, een stagnatiepunt bekomt met een zuivere afschuifstroming. Dit ontwerp is gefabriceerd door gebruik te maken van lithografietechnieken. Confocale microscopie laat toe de numerieke berekeningen van hetstromingsprofiel in de resulterende stromingscel uit PDMS te valideren.
Als conclusie kan gesteld worden dat dit werk bijdraagt tot de ontwikkeling van afschuif-, extensie- en dilatatiereometrie. Zowel numerieke berekeningen op bestaande setups als de ontwikkeling en experimentele validatie van nieuwe concepten werden uitgevoerd. Bijkomende inzichtenwerden verkregen met betrekking tot het relatieve belang van de verschillende materiaalfuncties geassocieerd met complexe interfases. De interpretatie van oppervlakte isothermen is bestudeerd, en het blijkt dat reologische eigenschappen dominant kunnen zijn in het geval van zeer elastische interfases. Ten slotte is een nieuwe geometrie voor een microfluidicstromingscel geoptimaliseerd en gevalideerd die toelaat een systematische studie van de effecten van interfasereologische eigenschappen op coalescentie en opbreekgedrag van druppels/bellen uit te voeren.
Datum:25 aug 2009 → 7 okt 2013
Trefwoorden:Interfacial rheology, Coalescence, Droplet deformation, Microfluidics
Disciplines:Process engineering, Polymere materialen, Keramische en glasmaterialen, Materialenwetenschappen en -techniek, Halfgeleidermaterialen, Andere materiaaltechnologie, Fysische chemie
Project type:PhD project