Particle assisted wetting [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Ailin Ding

Zhongjie

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• Publié par: technische_universitat_chemnitz
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 37
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

Particle Assisted Wetting


von der Fakultät für Naturwissenschaften der Technischen Universität Chemnitz
genehmigte Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades



doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)


vorgelegt von
MSc. Ailin Ding
geboren am 27.05.1975 in HuBei, China
eingereicht am 06 Feb. 2007





Gutschter: Prof. Dr. Werner A. Goedel
Prof. Dr. Stefan Spange
Prof. Dr. Bernie P. Binks



Tag der Verteidigung: 10 September 2007
Online link: http://archiv.tu-chemnitz.de/pub/2007
Bibliographische Beschreibung und Referat

Bibliographische Beschreibung und Referat

Partikel-assistierte Benetzung
Ailin Ding

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 vorlie-
genden Doktorarbeit wurde diese Theorie im Experiment sowohl qualitativ als auch quan-
titativ 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 Hydro-
philie Linsen aus reinem Öl bilden, während die Partikel in die Wasserphase abtauchen.
Die Partikel mit größter Hydrophobie hingegen bewirken die Ausbildung von kleinen Be-
reichen, 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 Benet-
zungsverhalten 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 Silani-
sierungsmittel modifiziert. Anschließend wurde ein Vergleich der experimentellen Ergeb-
nisse mit dem entsprechenden theoretischen Phasendiagramm durchgeführt. Die Untersu-
chungen zeigten, dass die theoretischen Vorhersagen zum Großteil mit den experimentel-
len 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.
iiiAbstract t
Abstract
Particle Assisted Wetting
Ailin Ding
Chemnitz University of Technology, Faculty of Natural Science

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 qualita-
tively 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 wet-
ting 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 experimen-
tal 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 par-
ticles have similar affinities to air/oil and oil/water interfaces, the experimentally ob-
served 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 obser-
vations into accounts.
iv Table of Contents

Table of Contents

Bibliographische Beschreibung und Referat....................................................................iii

Abstract................................................................................................................................iv

List of Abbreviations .........................................................................................................vii

Chapter 1 Introduction .......................................................................................................1
1.1 Wetting a liquid surface ........................................................................................1
1.1.1 Wetting behavior ..........................................................................................2
1.1.2 Wetting transition.........................................................................................5
1.2 Particle assisted wetting7
1.3 Application of particle assisted wetting .............................................................10
1.3.1 Porous membranes.....................................................................................10
1.3.2 Templates for nanostructure fabrication ..................................................15

Chapter 2 Theory of Particle Assisted Wetting ..............................................................17
2.1 A single particle at interfaces..............................................................................17
2.2 A simple theory ....................................................................................................20
2.3 Aim of the thesis...................................................................................................24

Chapter 3 Qualitative Test using Irregular Particles.....................................................26
3.1 Introduction..........................................................................................................26
3.2 Experimental part................................................................................................27
3.2.1 Oil ...............................................................................................................27
3.2.2 Irregular particles with different hydrophobicity .....................................29
3.2.3 Method........................................................................................................30
3.3 Results and discussion .........................................................................................31
3.4 Conclusions...........................................................................................................39

Chapter 4 Quantitative Test using Spherical Particles ..................................................41
4.1 Introduction..........................................................................................................41
4.2 Experimental part................................................................................................42
v
4.2.1 Synthesis and surface modification of spherical particles .......................42
4.2.2 Method ........................................................................................................46
4.3 Results and discussion .........................................................................................47
4.4 Conclusion..............................................