Experimentelle Untersuchungen zum Benetzungsverhalten fester und elastischer linearer Grabenstrukturen

Abstract

Es wurden Benetzungsstudien durchgeführt, um das Wachstumsverhalten von Tropfen auf festen linearen Mikrostrukturen verschiedener Querschnitte zu verstehen. Ziel war neben der Aufklärung des grundsätzlichen Spreitverhaltens auch die Etablierung einer vereinheitlichten theoretischen Beschreibung von topographisch und chemisch strukturierten Substraten. Die grundlegenden Mechanismen und Benetzungsregime wurden zunächst am Beispiel V-förmiger Gräben eingehend untersucht. Beim Spreiten zeigte sich eine anisotrope Tropfenform, die mit dem Wenzel oder Cassie-Gesetz nicht zu erklären ist. Für Materialkontaktwinkel unterhalb einer kritischen Schwelle benetzten Tropfen lineare Mikrostrukturen in Form von Filamenten, deren Größe lediglich in Grabenrichtung zunahm. Für höhere Materialkontaktwinkel oberhalb dieses Schwellwertes wurde ein Übergang zu einem skaleninvarianten Wachstumsmodus beobachtet. Die experimentellen Resultate wurden anschließend im Rahmen einer Parameterstudie bezüglich Geometrie und Benetzbarkeit mit einer expliziten numerischen Simulation verglichen. Es zeigte sich eine sehr genaue Übereinstimmung zwischen Experimenten und Simulation. Die Ergebnisse konnten übereinstimmend auf das Benetzungsverhalten von chemisch strukturierten Oberflächen abgebildet werden und damit beide Beschreibungen vereinheitlicht werden. Weiterhin wurde das Benetzungsverhalten in viskoelastischen Gräben mit rechteckigem Grabenquerschnitt untersucht. Bei der Benetzung solcher elastischer Strukturen findet eine beiderseitige Wechselwirkung zwischen dem benetzenden Fluid und dem Substrat statt, was sich in einer homogenen, wellenförmigen Deformation des Substrats und einer Benetzung in Form isolierter „Tropfenketten“ äußert. Es wurden Methoden entwickelt, um die auftretende Ordnung zu charakterisieren und der Mechanismus untersucht, der für die Ausbildung dieser Ordnung verantwortlich ist.

To study growth mechanisms on linear micro-structured surfaces with various cross sections, wettability studies were performed. The aim was to establish a unified theoretical description of topographically as well as chemically structured substrates and to understand the basic spreading behavior. Initially, basic mechanisms and spreading behavior were exemplarily investigated on v-grooved structures. Spreading showed anisotropic droplet shapes that could not be explained by Wenzel’s or Cassie’s law. For material contact angles below a critical threshold, liquid is wetting linear microstructures as elongated filaments that only grow along the groove direction. For higher material contact angles a crossover to a scale invariant growth regime was found. A parameter study considering geometry and wettability was used to compare both, experimental results and an explicit numerical simulation. A very good agreement between experiment and simulation was found. Results could be mapped on the wetting behavior of chemically structured surfaces, so both models could be unified. Additionally, wetting studies in linear viscoelastic grooves with a rectangular cross section were performed. Wetting of a viscoelastic structure leads to a mutual interaction between a wetting fluid and an elastic substrate, which leads to a homogenous, wave-like deformation of the substrate and a linear chain of droplets sitting at widened locations of the grooves. Methods were established to characterize the apparent droplet order and mechanisms leading to the regular substrate deformation and the ordering were explored.