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Particle Assisted Wetting

By Ailin Ding

Abstract

Die Benetzbarkeit und Nichtbenetzbarkeit von Oberflächen durch eine Flüssigkeit sind faszinierende und wichtige Phänomene in Wissenschaft und Technologie. Jüngst wurde entdeckt, dass Partikel die Benetzung einer Wasseroberfläche durch ein Öl unterstützen können. Es wurde eine Theorie entwickelt, das Prinzip der zu beschreiben. In der vorliegenden Doktorarbeit wurde diese Theorie im Experiment sowohl qualitativ als auch quantitativ untersucht, wobei zwei Arten von Kieselgelpartikeln Verwendung fanden. Mit Hilfe einer Reihe unregelmäßig geformter Partikel mit variierender Hydrophobie wurde der Einfluss der Oberflächenhydrophobie der Partikel auf die partikel-assistierte Benetzung untersucht. Es wurde herausgefunden, dass die Partikel mit höchster Hydrophilie Linsen aus reinem Öl bilden, während die Partikel in die Wasserphase abtauchen. Die Partikel mit größter Hydrophobie hingegen bewirken die Ausbildung von kleinen Bereichen, in denen Öl und Partikel eine stabile homogene Schicht formen. Für Partikel mit mittlerer Hydrophobie wurden beide Phänomene beobachtet. Diese drei verschiedenen Beobachtungen bestätigen, dass die Oberflächenhydrophobie der Partikel das Benetzungsverhalten des Öls auf der Wasseroberfläche bestimmen. Für die unregelmäßig geformten Partikel war aufgrund des unbekannten Kontaktwinkels ein direkter Vergleich zur Theorie nicht möglich. Um die Theorie quantitativ zu prüfen, wurden sphärische Partikel synthetisiert und ihre Oberflächen mit Hilfe von zehn Silanisierungsmittel modifiziert. Anschließend wurde ein Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit dem entsprechenden theoretischen Phasendiagramm durchgeführt. Die Untersuchungen zeigten, dass die theoretischen Vorhersagen zum Großteil mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. Es wurden alle Fälle der Benetzung beobachtet, die auch in der theoretischen Beschreibung berücksichtigt wurden. Darüber hinaus wurden auch Abweichungen von der Theorie festgestellt. Haben die Partikel ähnliche Affinitäten zur Luft/Öl- und Öl/Wasser-Grenzfläche, hängt die Beschaffenheit der Benetzungsfilme zusätzlich vom Oberflächendruck ab. Deshalb könnte es notwendig sein, die einfache Theorie zu erweitern um den beschriebenen Beobachtungen Rechnung zu tragen.Wetting and de-wetting of surfaces by a liquid are fascinating and important phenomena in science and technology. Recently, it was discovered that particles can assist the wetting of a water surface by an oil, and a theory describing the principle behind particle assisted wetting was developed. In this thesis, the theory was experimentally investigated qualitatively and quantitatively by using two series of silica particles. The influence of the surface hydrophobicity of the particles on particle assisted wetting was investigated by a series of irregular shaped particles with varying hydrophobicity. By applying mixtures of particles and oil to a water surface, it was found that for the most hydrophilic particles, only lenses of pure oil formed, with the particles being submerged into the aqueous phase. The most hydrophobic particles helped to form patches of stable homogenous mixed layers composed of oil and particles. For particles with intermediate hydrophobicity, lenses and patches of mixed layers were observed. These three different observations verified that the hydrophobicity of the particle surface determines the wetting behaviour of the oil at the water surface. For the irregular shaped particles with unknown contact angles with liquid interfaces, no direct comparison to the theory was possible. To test the theory quantitatively, a series of spherical particles was synthesized and their surfaces were modified by ten kinds of silane coupling agents; then the experimental results were compared with the corresponding theoretical phase diagram. It indicated that the theory agrees at large with the experimental results. All scenarios of wetting layers taken into account in the theoretical description were observed. In the fine print, deviations from the theory were also observed. If the particles have similar affinities to air/oil and oil/water interfaces, the experimentally observed morphology of the wetting layers depends in addition on the surface pressure. It might therefore be necessary to extend the simple theoretical picture to take these observations into accounts

Topics: Wetting, colloid, surface, surface energy, wetting transition, ddc:540, Kolloid, Oberflächenspannung
Publisher: Universitätsbibliothek Chemnitz
Year: 2007
OAI identifier: oai:qucosa.de:bsz:ch1-200701494

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