Short timescale wetting and penetration on porous sheets measured with ultrasound, direct absorption and contact angle

In dieser Arbeit wurde Penetration und Benetzung von Flüssigkeiten auf porösen Blättern untersucht. Drei Messtechniken werden ausgewertet: Ultraschall-Flüssigkeitspenetrationsmessung (ULP), Kontaktwinkelmessung (CA) und Scanning-Absorptiometrie (SA). Mit jeder dieser Techniken kann sowohl die Flüssigkeitspenetration, sowie Oberflächenbenetzung gemessen werden. Ein quantitativer Vergleich zwischen den Methoden wurde durchgeführt. Es wurden Modellflüssigkeiten mit veränderbarer Oberflächenspannung, Viskosität und Polarität entwickelt. Oberflächenspannung und Viskosität sind Haupteinflussparameter für Penetration in Poren, gemäß der Lucas-Washburn-Gleichung. Die Scanning-Absorptiometrie erweist sich als geeignetes Werkzeug für die direkte Messung der Flüssigkeitspenetration. Die Penetrations-Ergebnisse von der ULP Messung zeigte eine stabile Korrelation (R2 = 0,70) zu SA und ergibt somit auch einen geeigneten Hinweis auf das Eindringverhalten der Flüssigkeit. Absorption einzelner Mikrolitertropfen gemessen mit dem CA-Gerät zeigte andere Ergebnisse als ULP und SA. Zur Charakterisierung des Benetzungsverhaltens ergaben die Messtechniken wesentlich unterschiedliche Ergebnisse. Wir schließen daraus, dass ULP und SA das Benetzungsverhalten von Flüssigkeiten auf Papier nicht genauso erfassen wie die konventionelle Kontaktwinkelmessungen.
Wir schlagen zwei Parameter vor, die eine Kombination von Flüssigkeitspenetration und Benetzung zeigen, die Steigung des Kontaktwinkels über der Zeit und ein Kontaktwinkel, berechnet aus den SA Ergebnissen. Diese zwei Parameter korrelieren mäßig, was die Idee unterstützt, dass sie tatsächlich eine Kombination von Flüssigkeitspenetration und Benetzung erfassen. Während unsere Untersuchungen auf Papier beschränkt sind, glauben wir, dass die hier untersuchten Methoden allgemein anwendbar sind, um die Absorption von Flüssigkeiten in dünnen porösen Medien wie zum Beispiel: analytische Vorrichtungen auf Mikrofluidpapierbasis, dünne poröse Speichermedien, Membranen und dergleichen zu charakterisieren.
Die Ergebnisse verdeutlichen, wie wichtig es ist, eine Übereinstimmung im Zeitmaßstab (Zeit für Penetration und Benetzung) und in der Größenskala (zugeführte Flüssigkeitsmenge) zwischen der Testmethode und dem tatsächlichen Anwendungsfall des Materials, bei der Analyse der Benetzung und Penetration auf porösen Materialien, zu wählen.