Capillary breakup of free and wetting liquid bridges of aqueous xanthan gum solutions

Technische Samenvatting: Capillaire Breuk van Vrije en Bevochtigende Vloeistofbruggen van Waterige Xanthaangomoplossingen

Probleemstelling
De capillaire door oppervlaktespanning gedreven breuk van vloeistofbruggen is een fundamenteel fenomeen in de grensvlakvloeistofmechanica met toepassingen variërend van inkjetprinten tot microfluïdica. Terwijl de dynamica van Newtoniaanse vloeistoffen en flexibele polymeeroplossingen relatief goed begrepen zijn, vormen de gedragingen van semi-flexibele polymeren, zoals xanthaangom (XG), specifieke uitdagingen. Eerdere studies hebben aangetoond dat XG-oplossingen een andere extensionele rheologie vertonen dan flexibele polymeren, waarbij ze vaak een kortstondige elasto-capillaire respons laten zien. Er bestaat echter een aanzienlijke kloof in het begrip van hoe deze semi-flexibele polymeren zich gedragen in bevochtigende vloeistofbruggen (waarbij de vloeistof aan vaste substraten gehecht blijft). In tegenstelling tot vrije bruggen, omvatten bevochtigende bruggen gekoppelde extensionele-schuifvervormingen, niet-axisymmetrische geometrieën en contactlijnwrijving (CLF). Het blijft onduidelijk of de breukdynamica van bevochtigende XG-bruggen primair wordt beheerst door schijnbaar dunner wordend gedrag (shear-thinning) of dat extensionele dynamica en moleculaire architectuur een dominante rol spelen, en hoe de bevochtigbaarheid van het substraat deze processen beïnvloedt.

Methodologie
De auteurs voerden hogesnelheids-imagingexperimenten uit om de breukdynamica van waterige XG-oplossingen in twee configuraties te onderzoeken:

1. Vrije Vloeistofbruggen: Vormd tussen twee parallelle platen (druppelopstelling) in lucht.
2. Bevochtigende Vloeistofbruggen: Vormd op vaste substraten (microfluïdische chip-opstelling) waarbij de vloeistofbruggen twee kanaaluitgangen op een oppervlak verbinden.

De studie maakte gebruik van XG-oplossingen met variërende concentraties (tot 400 ppm) en oplosmiddelviscositeiten (water/glycerolmengsels). De substraten werden gecoat met silanen om hydrofiele (TFPTS) en hydrofobe (PFDTS) oppervlakken te creëren. Om elektrostatische effecten te minimaliseren, werden alle opstellingen geaard.

Het primaire analytische instrument was een faseruimte-representatie, waarbij de breuksnelheid ($U$) wordt uitgezet tegen de minimale brugdiameter/breedte ($d$). Deze benadering werd gekozen boven eenvoudige tijdevolutieplots ($d$ vs. $t$) om de instantane verdunningsdynamica beter te onthullen, regime-transities te identificeren en een objectief kader te bieden voor het vergelijken van verschillende vloeistoffen zonder afhankelijk te zijn van de precieze bepaling van het begin van de instabiliteit of de breuktijd.

Belangrijkste Resultaten

• Vrije Vloeistofbruggen:

  • Drie duidelijke dynamische regimes werden geïdentificeerd: een initiële traagheid-capillaire (IC) fase, een kortstondige elasto-capillaire (EC) fase, en een terminale viskeus-capillaire (TVC) fase.
  • Het begin van de EC-fase werd gemarkeerd door een "knik" of een lokaal maximum in de $U-d$-curve. De studie vond dat de kritische snelheid bij dit begin schaalt met de oplosmiddelviscositeit ($U_c \sim \eta_s^{-0.54}$) maar vrijwel onafhankelijk is van de polymeerconcentratie, wat suggereert dat de transitie wordt gedreven door een kritische deformatiesnelheid (strain rate) gerelateerd aan moleculaire oriëntatie.
  • In de TVC-fase schaalde de effectieve extensionele viscositeit lineair met zowel de polymeerconcentratie als de oplosmiddelviscositeit ($\eta_{eff} \propto c \eta_s$). Dit wijst op een effectief dilute-achtig extensioneel gedrag, ondanks dat de oplossingen onder evenwicht condities semi-dilute zijn. De auteurs schrijven dit toe aan het semi-flexibele karakter van XG, dat meebeweegt met de stroming in plaats van een dramatische coil-stretch transitie te ondergaan, wat de intermoleculaire interacties zelfs bij hogere concentraties beperkt.
  • Het herschalen van de brugprofielen door de kritische diameter ($d_c$) onthulde een bijna universele evolutie van de vrije brugvorm.

• Bevochtigende Vloeistofbruggen:

  • In tegenstelling tot vrije bruggen vertoonden bevochtigende bruggen geen duidelijke regime-transities. De dynamica bleef gedurende het gehele breukproces consistent met een enkelvoudige, terminale viskeus-capillaire-achtige respons.
  • Dezelfde schaalwet die de TVC-regime van vrije bruggen liet samenvallen, slaagde er ook in om de breukdynamica van bevochtigende bruggen voor verschillende concentraties en oplosmiddelviscositeiten op een mastercurve te brengen.
  • De auteurs hypothetiseren dat de gecombineerde stroomgeschiedenis (brugvorming, substraat-geïnduceerde schuifspanning en capillaire verdunning) de polymeerconformaties vroeg in het proces wijzigt, waardoor de EC-regime transities die in vrije bruggen worden waargenomen, worden vertroebeld.
  • Substraatbevochtigbaarheid: XG-bevochtigende bruggen vertoonden een aanzienlijk zwakkere afhankelijkheid van de substraatbevochtigbaarheid (hydrofiel versus hydrofoob) vergeleken met Newtoniaanse vloeistoffen. Waar Newtoniaanse bruggen significante veranderingen in breuksnelheid vertoonden met bevochtigbaarheid, waren XG-oplossingen grotendeels ongevoelig, behalve bij zeer lage concentraties. Dit wordt toegeschreven aan de dominantie van bulkviskeuze spanningen over contactlijnwrijving (CLF) in XG-oplossingen.
  • Bevochtigende XG-bruggen vertoonden een grotere axiale elongatie en onderdrukten de vorming van secundaire halzen (necks) vergeleken met Newtoniaanse vloeistoffen, wat het verminderde effect van CLF verder ondersteunt.
  • Het herschalen van de contactlijnprofielen door de karakteristieke lengte $d_1$ (geassocieerd met de eerste snelheidsmaximum) onthulde een universele evolutie van het bevochtigende contactlijnprofiel.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt nieuwe inzichten te bieden in de capillaire breuk van semi-flexibele polymeeroplossingen door aan te tonen dat:

1. Verenigde Schaling: Ondanks de fundamentele verschillen in stroomgeometrie (vrij versus bevochtigend), kunnen beide systemen worden beschreven binnen een verenigd schalingskader gebaseerd op effectieve extensionele viscositeit.
2. Onderdrukking van EC-regime: De aanwezigheid van een vast substraat verandert de evolutie van polymeerconformaties fundamenteel, waardoor de duidelijke elasto-capillaire respons die typisch is voor vrije bruggen van semi-flexibele polymeren, wordt onderdrukt.
3. Extensie versus Schijnbare Dominantie: De resultaten suggeren dat voor bevochtigende bruggen van semi-flexibele polymeren de breukdynamica wordt gedomineerd door extensionele-achtige viskeuze spanningen in plaats van schijnbaar dunner wordend gedrag (shear-thinning) of contactlijnwrijving, zelfs wanneer het stroomveld gekoppeld is.
4. Beperkingen van Extrapolatie: De studie benadrukt dat conclusies uit experimenten met vrije vloeistofbruggen niet direct kunnen worden geëxtrapoleerd naar substraat-ondersteunde geometrieën, aangezien het substraat de dynamische regimes en de rol van moleculaire architectuur aanzienlijk wijzigt.

De auteurs blijven bescheiden over de precieze mechanismen achter de onderdrukking van het EC-regime in bevochtigende bruggen, en merken op dat de exacte wisselwerking tussen stroomgeschiedenis en polymeerconformatie verder onderzoek verdient. Ze erkennen ook dat de overlapconcentratie ($c^*$) voor XG onderhevig is aan onzekerheid door variaties in ionsterkte, maar stellen dat de geobserveerde schaling robuust is over het geteste bereik.