界面活性剤を含む液滴の蒸発。接触線モデル間の比較

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J Colloid Interface Sci.2020 Jul;579:888-897. S0021-9797(20)30844-4. doi: 10.1016/j.jcis.2020.06.099.Epub 2020-07-03.

界面活性剤を含む液滴の蒸発。接触線モデル間の比較

The evaporation of surfactant-laden droplets: A comparison between contact line models.

R T van Gaalen
C Diddens
H M A Wijshoff
J G M Kuerten

PMID: 32679386 DOI: 10.1016/j.jcis.2020.06.099.

抄録

水素原子論:

移動する接触線のシャープな界面モデルには、スリップモデルと前駆体膜モデルの 2 種類がある。どちらのモデルも純粋な液滴の蒸発中はほぼ一定の接触角を予測していますが、界面活性剤が存在する場合には、それぞれの界面定義に固有の非類似性があるため、異なる挙動を示すことが予想されます。

HYPOTHESIS: There are two different sharp-interface models for moving contact lines: slip models and precursor film models. While both models predict a mostly constant contact angle during the evaporation of pure droplets, it is expected that they behave differently when surfactants are present, because of the inherent dissimilarities in their respective interface definitions.

シミュレーション:

接触線モデルはいずれも潤滑理論を用いて数値的に実装されており、蒸発液滴の解析が可能です。不溶性界面活性剤については，対流拡散方程式を実装した．純粋な液滴については，Nguyen et al.

SIMULATIONS: Both contact line models are numerically implemented using lubrication theory to analyze evaporating droplets. A convection-diffusion equation is implemented for insoluble surfactants. For pure droplets the models are compared with experiments performed by Nguyen et al. (2012).

発見事項:

2 つの接触線モデルは，純粋な液滴を用いた実験と同等の結果を示した．不溶性の界面活性剤が存在する場合、スリップモデルは初期の界面活性剤濃度が高くなるにつれて、ピニングのような挙動を示すようになります。この「準ピニング」は、文献の実験結果と一致していることがわかった。対照的に、前駆体膜モデルは、界面活性剤を添加しても大きな変化を示さない。この変化の欠如は、界面活性剤が液滴から前駆体膜に流れ込んだ結果であり、逆もまた然りである。この非物理的な挙動に対する潜在的な解決策を示唆する一方で、界面活性剤の文脈では、現在の技術状態を考えると、前駆体膜モデルよりもスリップモデルの方が好ましいと結論づけられている。

FINDINGS: The two contact line models show results comparable to the experiments with pure droplets. If insoluble surfactants are present, the slip model increasingly shows pinning-like behavior as the initial surfactant concentration is increased. This 'quasi-pinning' is found to be consistent with experimental results in literature. The precursor film model, in contrast, shows no significant change when surfactants are added. This lack of change is a result of surfactant flowing from the droplet into the precursor film and vice versa. While suggesting potential solutions to this unphysical behavior, it is concluded that in the context of surfactants, slip models are preferable over precursor film models given the current state of the art.