Wenn Sie jemals Farbe auf eine Leinwand gespritzt oder ein Backblech mit Öl besprüht haben, haben Sie – abgesehen von einer kleinen Verschmutzung – wahrscheinlich einen Tropfenregen erzeugt, der von kleinen Klecksen bis hin zu Bleistiftspitzenflecken reicht.
Solche Tröpfchengrößen mögen zufällig erscheinen, aber jetzt können Ingenieure am MIT die Tröpfchengrößenverteilung einer Flüssigkeit vorhersagen, einschließlich der Wahrscheinlichkeit, dass sehr große und sehr kleine Tröpfchen entstehen, basierend auf einer Haupteigenschaft: der Viskoelastizität oder Klebrigkeit der Flüssigkeit. Darüber hinaus hat das Team herausgefunden, dass Flüssigkeiten ab einer bestimmten Klebrigkeit immer den gleichen relativen Bereich der Tröpfchengrößen aufweisen.
Zu wissen, wie groß oder klein die Tröpfchen eines Flüssigkeitssprays sein können, kann Forschern dabei helfen, optimale Flüssigkeiten für eine Reihe industrieller Anwendungen zu ermitteln, von der Vermeidung von Defekten bei Autolackierungen bis hin zur Düngung landwirtschaftlicher Felder durch Sprühen aus der Luft.
Die Ergebnisse der Forscher wurden im Oktober in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Der Hauptautor des Papiers ist Bavand Keshavarz, ein Doktorand im Labor von Gareth McKinley, Professor für Lehrinnovation an der School of Engineering am MIT und leitender Autor des Papiers. Zu ihren Co-Autoren gehören Eric Houze, John Moore und Michael Koerner von Axalta Coating Systems, einem in Philadelphia ansässigen Hersteller von Lacken für Nutzfahrzeuge.
Die Art und Weise, wie Flüssigkeiten fragmentieren oder in Tröpfchen zerfallen, übt seit Jahrhunderten eine Faszination aus und ist in den letzten Jahrzehnten ein aktives Forschungsgebiet. Wissenschaftler, die versuchen, die Fragmentierung von Flüssigkeiten zu charakterisieren, haben sich typischerweise auf sogenannte Newtonsche Flüssigkeiten wie Wasser und Öl konzentriert – relativ dünne, homogene Flüssigkeiten, die keine feinen Partikel oder langen Moleküle wie Polymere enthalten, die die Art und Weise beeinflussen würden Flüssigkeiten fließen.
In den frühen 2000er Jahren leiteten Wissenschaftler eine einfache Gleichung ab, um zu beschreiben, wie sich jede Newtonsche Flüssigkeit verhält, wenn sie zerstäubt oder in Tröpfchen gesprüht wird. Eingebettet in diese Gleichung war ein einzelner Parameter, „n“, der bestimmt, wie breit oder eng die Tröpfchenverteilung einer Flüssigkeit sein kann. Je höher der Wert von „n“ ist, desto enger ist die endgültige Größenverteilung.
Wenn dieser Wert jedoch relativ groß ist, kann die Gleichung die breitere Verteilung der Tröpfchengrößen, die bei viskoelastischeren, nicht-Newtonschen Flüssigkeiten wie Speichel, Blut, Farbe und Harzen beobachtet wird, nicht beschreiben. Keshavarz und McKinley vermuteten, dass die Klebrigkeit oder Viskoelastizität einer nicht-Newtonschen Flüssigkeit etwas mit der Nichtübereinstimmung zu tun haben könnte.
„Was wir zur Literatur hinzufügen wollten, war, wie Viskoelastizität diesen Parameter n verändern kann, der der wichtigste Parameter ist, weil er angibt, wie viele Tröpfchen einer bestimmten Größe eine Flüssigkeit im Vergleich zur durchschnittlichen Tröpfchengröße produzieren kann“, sagt Keshavarz. „Jetzt konnten wir das zum ersten Mal für eine Vielzahl von Flüssigkeiten quantifizieren.“
‚In der Zeit eingefroren‘
Zu diesem Zweck führten Keshavarz und McKinley mehrere Experimente durch, um die Flüssigkeitsfragmentierung sowohl in Newtonschen als auch in Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten zu beobachten. Sie verwendeten Wasser und Wasser-Glycerin-Mischungen als klassische Newtonsche Flüssigkeiten und stellten nicht-Newtonsche Proben her, indem sie eine Wasser-Glycerin-Lösung mit unterschiedlichen Mengen an Polymeren mit unterschiedlichen Molekulargewichten vermischten. Sie experimentierten auch mit verschiedenen Industriefarben und Harzen.
Die Forscher unterzogen jede Flüssigkeitsprobe drei verschiedenen Zerstäubungstests, indem sie zunächst Flüssigkeiten auf eine ebene Oberfläche tropften, sie dann durch eine Düse versprühten und schließlich durch die Kollision zweier Strahlen einen Flüssigkeitsspray bildeten. Das Team verwendete eine Stroboskoplichttechnik, die ursprünglich von Harold „Doc“ Edgerton vom MIT entwickelt wurde, um in Bruchteilen von Millisekunden Bilder jedes Experiments zu erstellen.
Das Team beobachtete fast 5.000 Tröpfchen für jede getestete Flüssigkeit. Ihre Bilder zeigten, dass dünnere Newtonsche Flüssigkeiten im Allgemeinen unabhängig von der Art des durchgeführten Experiments einen engeren Bereich an Tröpfchengrößen erzeugten, während die viskoelastischen Flüssigkeiten breitere Verteilungen aufwiesen und eine größere Anzahl sowohl großer als auch kleiner Tropfen erzeugten.
Beim Sprühen oder Tropfen bildeten die viskoelastischen Flüssigkeiten lange Bänder oder schnurartige Vorsprünge, die sich zunächst ausdehnten und schließlich in Tröpfchen auseinanderbrachen.
„Jedes Bild lässt die Bänder wie eingefroren aussehen“, sagt Keshavarz. „Im Bruchteil einer Millisekunde zerfallen sie in einen endlichen Bereich von Tröpfchengrößen.“
Ein universelles Profil
Unter Bezugnahme auf die ursprüngliche Gleichung, die die Fragmentierung von Newtonschen Flüssigkeiten beschreibt, stellte Keshavarz fest, dass der Parameter „n“, der die Verteilung der Tröpfchengrößen festlegt, auch durch die Glätte der Bänder bestimmt wird, die letztendlich in Tropfen fragmentieren. In den Bildern ihrer Experimente beobachteten die Forscher jedoch, dass die viskoelastischeren Flüssigkeiten holprigere, stärker gewellte Bänder erzeugten. Keshavarz stellte die Hypothese auf, dass je klebriger eine Flüssigkeit ist, desto mehr widersteht sie dem Glätten, da sie ein Band bildet.
Um diese Hypothese zu testen, entwickelte er ein neues Experiment, den sogenannten „Step-Strain“-Test, bei dem er eine Flüssigkeit zwischen zwei Platten drückte, die Platten dann schnell auseinanderzog, die Flüssigkeit nach oben zog und sie zu einem Band dehnte, bevor sie sich trennte in Tropfen. Bei der Hochgeschwindigkeitsbildgebung dieser Tests beobachteten die Forscher, dass die viskoelastischen Flüssigkeiten holprigere Bänder aufwiesen, die an Perlen auf einer Schnur erinnerten. Je klebriger die Flüssigkeit, desto gewellter wurde das Band. Die Forscher maßen die Wellen und stellten fest, dass der Grad der Unebenheit eines Bandes ab einer bestimmten Klebrigkeit gleich blieb.
Anhand ihrer Bilder viskoelastischer Strahlen maßen die Forscher auch die Geschwindigkeit, mit der sich jedes Band verdünnte, auch Relaxationszeit der Flüssigkeit genannt. Ebenso stellten sie fest, dass diese Geschwindigkeit für viskoelastische Flüssigkeiten nahezu konstant wird. Das Team führte einige Berechnungen durch, um die Relaxationszeitmessungen in die ursprüngliche Gleichung für die Flüssigkeitsfragmentierung einzupassen, und stellte fest, dass der Parameter „n“ bei Kenntnis aller anderen Variablen einen Minimalwert erreichte, unabhängig davon, wie klebrig die Flüssigkeit war, was einem Maximum entspricht Breite in der Verteilung der Tropfengrößen.
Mit anderen Worten: Die Forscher identifizierten die breiteste Verteilung der Tröpfchengrößen, die eine viskoelastische, nicht-Newtonsche Flüssigkeit beim Sprühen möglicherweise aufweisen kann.
„Unabhängig von der Art des Experiments, der Art des Polymers oder der Konzentration sehen wir diese universelle Verteilung und sie ist allgemein auf eine Vielzahl von Flüssigkeiten anwendbar“, sagt McKinley.
Letztendlich sagt er, dass dieses neue Verständnis der Flüssigkeitsfragmentierung in einer Reihe von Bereichen nützlich sein könnte, darunter Verbrennung, pharmazeutische und landwirtschaftliche Sprays, Tintenstrahldrucker und die Automobilbeschichtungsindustrie, wo Hersteller nach Möglichkeiten suchen, „Overspray“ zu verhindern und die zu erhöhen Effizienz des Spritzlackierens.
„Wenn sie ein Auto lackieren, müssen sie die Scheiben abkleben, denn egal wie vorsichtig man ist, es bleibt immer etwas Overspray übrig, das ist verschwendete Farbe“, sagt McKinley. „Außerdem zeigen sich beim Versprühen von Farbe die größten Tropfen oft als Mängel. Das ist einer der Gründe, warum Ihnen die Verteilung der Tröpfchengröße am Herzen liegt: Sie möchten wissen, wie groß die größten Tropfen sein werden, denn eine gute Lackierung sollte am Ende des Tages ein perfekt glattes Finish haben.“
Diese Forschung wurde teilweise von der Dupont-MIT Alliance und Axalta Coating Systems unterstützt.