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A geometry-based model for spreading drops applied to drops on a silicon wafer and a swellable polymer brush film

Fricke, Mathis ; Fickel, Beatrice ; Hartmann, Maximilian ; Gründing, Dirk ; Biesalski, Markus ; Bothe, Dieter (2020)
A geometry-based model for spreading drops applied to drops on a silicon wafer and a swellable polymer brush film.
doi: 10.48550/arXiv.2003.04914
Report, Bibliographie

Kurzbeschreibung (Abstract)

We investigate the dynamics of spreading in a regime where the shape of the drop is close to a spherical cap. The latter simplification is applicable in the late (viscous) stage of spreading for highly viscous drops with a diameter below the capillary length. Moreover, it applies to the spreading of a drop on a swellable polymer brush, where the complex interaction with the substrate leads to a very slow spreading dynamics. The spherical cap geometry allows to derive a closed ordinary differential equation (ODE) for the spreading if the capillary number is a function of the contact angle as it is the case for empirical contact angle models. The latter approach has been introduced by de Gennes (Reviews of Modern Physics, 1985) for small contact angles. In the present work, we generalize the method to arbitrary contact angles. The method is applied to experimental data of spreading water-glycerol drops on a silicon wafer and spreading water drops on a PNIPAm coated silicon wafer. It is found that the ODE-model is able to describe the spreading kinetics in the case of partial wetting. Moreover, the model can predict the spreading dynamics of spherical cap-shaped droplets if the relationship between the contact angle and the capillary number is universal.

Typ des Eintrags: Report
Erschienen: 2020
Autor(en): Fricke, Mathis ; Fickel, Beatrice ; Hartmann, Maximilian ; Gründing, Dirk ; Biesalski, Markus ; Bothe, Dieter
Art des Eintrags: Bibliographie
Titel: A geometry-based model for spreading drops applied to drops on a silicon wafer and a swellable polymer brush film
Sprache: Englisch
Publikationsjahr: 2020
DOI: 10.48550/arXiv.2003.04914
URL / URN: https://arxiv.org/abs/2003.04914
Kurzbeschreibung (Abstract):

We investigate the dynamics of spreading in a regime where the shape of the drop is close to a spherical cap. The latter simplification is applicable in the late (viscous) stage of spreading for highly viscous drops with a diameter below the capillary length. Moreover, it applies to the spreading of a drop on a swellable polymer brush, where the complex interaction with the substrate leads to a very slow spreading dynamics. The spherical cap geometry allows to derive a closed ordinary differential equation (ODE) for the spreading if the capillary number is a function of the contact angle as it is the case for empirical contact angle models. The latter approach has been introduced by de Gennes (Reviews of Modern Physics, 1985) for small contact angles. In the present work, we generalize the method to arbitrary contact angles. The method is applied to experimental data of spreading water-glycerol drops on a silicon wafer and spreading water drops on a PNIPAm coated silicon wafer. It is found that the ODE-model is able to describe the spreading kinetics in the case of partial wetting. Moreover, the model can predict the spreading dynamics of spherical cap-shaped droplets if the relationship between the contact angle and the capillary number is universal.

Zusätzliche Informationen:

Preprint

Fachbereich(e)/-gebiet(e): DFG-Sonderforschungsbereiche (inkl. Transregio)
DFG-Sonderforschungsbereiche (inkl. Transregio) > Sonderforschungsbereiche
DFG-Sonderforschungsbereiche (inkl. Transregio) > Sonderforschungsbereiche > SFB 1194: Wechselseitige Beeinflussung von Transport- und Benetzungsvorgängen
DFG-Sonderforschungsbereiche (inkl. Transregio) > Sonderforschungsbereiche > SFB 1194: Wechselseitige Beeinflussung von Transport- und Benetzungsvorgängen > Projektbereich A: Generische Experimente
DFG-Sonderforschungsbereiche (inkl. Transregio) > Sonderforschungsbereiche > SFB 1194: Wechselseitige Beeinflussung von Transport- und Benetzungsvorgängen > Projektbereich A: Generische Experimente > A02: Experimentelle Untersuchungen zur Koaleszenz und zum Aufriss von Tropfen auf festen Oberflächen - Leitkonfiguration Tropfen
DFG-Sonderforschungsbereiche (inkl. Transregio) > Sonderforschungsbereiche > SFB 1194: Wechselseitige Beeinflussung von Transport- und Benetzungsvorgängen > Projektbereich A: Generische Experimente > A05: Benetzung und Transport auf quellbaren, oberflächen-immobilisierten Polymerbürsten und Polymernetzwerken
DFG-Sonderforschungsbereiche (inkl. Transregio) > Sonderforschungsbereiche > SFB 1194: Wechselseitige Beeinflussung von Transport- und Benetzungsvorgängen > Projektbereich B: Modellierung und Simulation
DFG-Sonderforschungsbereiche (inkl. Transregio) > Sonderforschungsbereiche > SFB 1194: Wechselseitige Beeinflussung von Transport- und Benetzungsvorgängen > Projektbereich B: Modellierung und Simulation > B01: Modellierung und VOF-basierte Simulation der Multiphysik irreversibler thermodynamischer Transferprozesse an dynamischen Kontaktlinien
DFG-Sonderforschungsbereiche (inkl. Transregio) > Sonderforschungsbereiche > SFB 1194: Wechselseitige Beeinflussung von Transport- und Benetzungsvorgängen > Projektbereich B: Modellierung und Simulation > B02: Direkte Numerische Simulation lokal gekoppelter Grenzflächentransportprozesse an Kontaktlinien bei dynamischen Benetzungsprozessen
Hinterlegungsdatum: 07 Dez 2023 14:19
Letzte Änderung: 07 Dez 2023 14:19
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