Experiments on the spreading of droplets on rotating plates and their stability
Coating and Surface Technology
Mechanical Process Engineering
Final Report Abstract
Die Experimente haben das Ziel, für die isotherme Ausbreitung von Flüssigkeitstropfen auf rotierenden Substraten fundierte Daten für perfekt und partiell benetzenden Stoffsysteme bereitzustellen. Diese Daten sollen einerseits das Verständnis dieses Benetzungsund Ausbreitungsprozesses wesentlich verbessern, und andererseits das theoretische Modell dieses Prozesses überprüfen und gegebenenfalls verbessern. Hierzu wird zunächst der (mittlere) Tropfenradius als Funktion der Zeit erfasst, ergänzt durch zeitabhängige Informationen zur Form und Größe der benetzten Substratfläche. Solche Informationen sind bisher in ausreichender Qualität nur für ruhende (nicht rotierende) Substrate in der Literatur verfügbar. Die Erweiterung auf ein rotierendes Substrat beleuchtet deshalb einen neuen Parameterbereich, der insbesondere auch für die Anwendung im „spin-coating“-Prozess von höchstem Interesse ist. In diesem Parameterbereich können etwa dünne Tropfen entstehen, die sich am äußeren Umfang aufsteilen und im Zentrum aufreißen; weiterhin können verschiedene Instabilitäten am Tropfenumfang auftreten. Es wird deshalb deutlich, dass es aufgrund der Topologie der Tropfen zusätzlich notwendig ist, die radialen Tropfenkonturen längs einer Gerade durch das Tropfenzentrum zu vermessen. Sind während der Ausbreitung zu definierten Zeiten die Tropfenkonturen bekannt, so kann daraus der aktuelle (makroskopische) Kontaktwinkel abgeleitet werden. Ein weiteres wichtiges Anliegen ist die detaillierte Analyse der instabilen Tropfenformen bzgl. der beteiligten (instabilen) Moden. Diese Messungen, in Form von Tropfenkontur und Kontaktwinkel in der Zeit, sowie der instabilen Tropfenformen, gehen in ihrer Qualität deutlich über die meisten in der Literatur (auch für ruhendes Substrat) verfügbaren Messungen hinaus. So kann, zusammenfassend, eine umfassende Validierung des theoretischen Modells erfolgen, wobei durchaus auch noch Korrekturen auf Basis der experimentellen Befunde einfließen können. Letztlich werden so mithilfe des validierten Modells zuverlässige und praxisrelevante Aussagen zum industriellen „spin-coating“-Prozess möglich. Diese sollen, nach Abschluss dieses eher grundlagenorientierten Projekts, in Zusammenarbeit mit Herstellern solcher Beschichtungsanlagen in die Anwendung eingebracht werden.
Publications
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(2012): Ausbreitung und Stabilität dünner Tropfen auf einer rotierenden temperierten Platte, Chemie Ingenieur Technik 84, 138-144
Boettcher, K.E.R; Ehrhard, P.
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(2012): Modellierung und lineare Stabilitätsanalyse der dynamischen Benetzung einer Flüssigkeit auf einer horizontalen rotierenden Platte, Dissertation TU Dortmund, Shaker Verlag (D290)
Boettcher, K.E.R.
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(2013): Contact-line instability of liquids spreading on top of rotating substrates, Europ. J. Mech. B/Fluids 43, 33-44
Boettcher, K.E.R.; Ehrhard, P.
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(2013): Experimentelle Untersuchung zur Ausbreitung von Tropfen auf horizontalen rotierenden Platten, Proc. Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik (GALA), 03.-05.09.2013, München
Blank, M.; Reinders, F.; Ehrhard, P.
