Still, Martin (2017)
Temperaturmessungen und Analyse von Wärme- und Stofftransportvorgängen bei verdunstenden Tropfen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Der typische Kaffeefleck ist ungewollt, dunkel umrandet und hat ein helles Inneres. Beschrieben wird seine Entstehung durch den Kaffeefleckeneffekt, ein Phänomen, das nicht nur beim Kaffee zu finden ist, sondern auch bei zahlreichen technischen Flüssigkeiten, durch deren Verdunstung Unkrautbekämpfungsmitteln aufgebracht, Krankheiten diagnostiziert und Elektroniken gedruckt werden. Zu letztgenannten zählen auch Dünnschichttransistoren, bei denen die typischen Fleckenmuster unbedingt vermieden werden müssen, wenn die volle Funktionalität gewährleistet werden soll. In der herstellenden Industrie wird dieses Problem empirisch behoben, beispielsweise durch die Zugabe von Tensiden. Die Forschung hat sich indessen zur Aufgabe gemacht, den Fleck nicht a priori verhindern zu wollen, sondern seine Entstehungsmechanismen zu verstehen und zu kontrollieren.

Theoretische Modelle, die diese Lücke zwischen Anwendung und Grundlagen schließen möchten, gibt es bereits. Belastbare experimentelle Daten fehlen aber. Die größten Hindernisse bis dato sind, dass die Tropfen eine gekrümmte Oberfläche haben und typischerweise kleiner als die kapillare Länge sind, was sie messtechnisch nur schwer zugänglich macht. Die vorliegende Arbeit widmet sich eben dieser Hindernisse und deren Bewältigung. Gegenstand der Untersuchungen sind auf ein unbeheiztes Substrat aufgesetzte reine Wassertropfen. Die Temperaturentwicklung ist während der Verdunstung an den Grenzflächen gemessen worden. Um die benötigte hohe örtliche und thermometrische Auflösung zu garantieren, sind zwei Messtechniken kombiniert worden, die die simultane Temperaturmessung an der Tropfenkappe, der Dreiphasenkontaktlinie und dem Tropfenfußzentrum ermöglichen. Mit einerInfrarotkamera wird von unten durch das Substrat hindurch die Flüssigkeit/Substrat-Grenzfläche vermessen. Gleichzeitig wird ein Mikrothermoelement von oben in die Tropfenkappe getaucht. Das Mikrothermoelement benötigt den Kontakt mit dem Tropfen. Dadurch, dass es in Eigenbau hergestellt wurde, konnte die Messspitze dünner als bei jedem konventionellen Thermoelement gestaltet werden. Der verfälschenden Einfluss der Messtechnik auf die Verdunstungsdynamik eines Tropfens wird so auf ein Minimum reduziert. Ein weiterer Vorteil des Eigenbaus ist, dass die Position der Messstelle genau bekannt ist. Komplett optische Messtechniken, die auch die berührungslose Untersuchung der Flüssigkeit/Gas-Grenzfläche erlauben, sind ebenfalls entwickelt worden. Erste Vorversuche bestätigen das Potential und die prinzipielle Machbarkeit.

Die Einflüsse der Luftfeuchte sowie der Wärmetransporteigenschaften des Substrats sind bestimmt worden. Die Verdunstungsrate ist für Tropfen in trockenerer Luft höher. Für Tropfen auf dem Substrat mit den geringeren Wärmetransporteigenschaften ist sie niedriger. In beiden Fällen ist die Abkühlung der Tropfen verglichen mit ihren jeweiligen Pendants aber höher. Der Diffusionswiderstand ist demnach der dominierende Widerstand im System. Aus den lokal gemessenen Temperaturen werden zusätzlich die Strömungsgeschwindigkeiten im Tropfeninnern abgeschätzt. Es sind keine partikelbeladene Tropfen oder Kaffeefleckenmuster untersucht worden, nur Reinstoffe. Aus den berechneten Geschwindigkeiten kann abgeleitet werden, dass die nach außen gerichteten hydrodynamischen Kräfte auf die Partikel bei langsamerer Verdunstung niedriger sind. Daher wird sich ein weniger stark ausgeprägter Ring bilden. Luftfeuchte und Wärmetransporteigenschaften im hier untersuchten Rahmen können einen ringförmigen Fleck zwar quantitativ verändern, aber nicht qualitativ.

Ob Marangoni-Strömungen in Wasser auftreten, ist ein kontrovers diskutiertes Thema in der Literatur, bis heute ohne Konsens. Marangoni-Strömungen können entweder als solutokapillare oder thermokapillare Strömungen auftreten. In reinem Wasser sind nur thermokapillare Strömungen möglich, in Mischungen treten zusätzlich solutokapillare auf. Der Vergleich der Temperaturfelder in binären Mischungen mit denen in Wasser lässt darauf schließen, dass in Wasser keine thermokapillaren Strömungen auftreten und die in der Literatur beobachteten Strömungen durch Partikel im Tropfen induziert werden.

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