Evaporative Effects

 

The “coffee-ring” problem

분산된 고체 물질을 품고 있는 유체 액적은 고체 표면 위에서 마르고 마치 예치금(deposit)을 빼듯 고체물질을 떠납니다. 이러한 예치금과 같은 패턴은 여러 가지 printing, cleaning, coating 공정을 위해서 중요한 의미를 포함하고 있습니다. 이런 형태의 고전적인 예는 천조각 위에 엎질러진 커피의 링 형태의 얼룩이 생기는 “coffee-ring”문제입니다(왼쪽 사진). 이러한 링 타입의 증착은 액체의 증발, 특히 경계에서의 표면 장력 구동 흐름의 결과로서 형성됩니다. (Deegan, R.D., et al, Nature 389, 827, 1997).

3-D Drying Simulations

Drying 은 코팅 공정의 중요한 부분이며 잘 적용된 코팅은 완전히 결함을 건조하여 원래 상태로 돌릴 수 있습니다. 건조 시 온도와 용질 구배로 인해 잠재적으로 코팅 품질을 파괴 할 수 있는 밀도와 표면 장력 구배로 코팅 내의 흐름을 조정 할 수 있습니다. FLOW-3D의 증발 잔류 모델(evaporation residue model)은 사용자가 건조에 의한 흐름을 시뮬레이션하고 비용이 많이 드는 물리적 실험에 소요되는 시간을 단축 할 수 있습니다.

 

FLOW-3D‘s evaporation residue model simulates a 3D view of residue formed from toluene after drying (magnified 30x)

Modeling Ring Formation

 

Simulation of flow generated at a contact line by evaporation

Marker particle은 증발이 가장 큰 contact line에 쌓입니다. 단지 매 3번째 유동 벡터는 혼란을 줄이기 위해 상기 contact line에 표시됩니다. 고리 형성을 위한 요건은 방울의 가장자리 접촉 라인이 고정되어야 합니다. 흐름-3D 시뮬레이션 위의 그림에서 에지 피닝 때문에 증발이 가장 크다 접촉 라인에서 침착의 발생을 보여줍니다. 위의 그림에서 FLOW-3D 시뮬레이션은 증발이 가장 큰 contact line의 증착(deposition) 때문에edge pinning이 일어나는 현상을 보여줍니다.

이 예에서, 유체는 바닥 판과 15 ° 정적 접촉각을 만든다. 액체를 20 ℃에서 초기에 물이고, 증착은 주변 공기를 4 ℃의 포화 온도를 가진다는 가정 하에서 액체 표면에서 일어난다. 시뮬레이션의 수직 높이가 15μm이다. 증발로 인해 증발에 의한 열 손실 (색 온도를 나타냄)의 액체를 냉각시킨다. 동시에 고체 표면 전도에 의해 액체를 가열한다. 증발시켜 정적 조건을 다시 상기 접촉 라인을 향해 액체 유동을 일으키는 접촉 라인 부근에서 가장 크다. 결과적 액체가 완전히 증발되는 액체 가장자리 현탁 고형물의 증착이다.

Simulation of drop impingement. Courtesy of UC Berkely. Dan Soltman and Vivek Subramanian, Inkjet-Printed Line Morphologies and Temperature Control of the Coffee Ring Effect, Langmuir; 2008; ASAP Web Release Date: 16-Jan-2008; (Research Article) DOI: 10.1021/la7026847