Als je ooit verf op een canvas hebt gespetterd of een bakplaat met olie hebt bespoten, je hebt waarschijnlijk - afgezien van een kleine puinhoop - een regen van druppels gecreëerd, variërend van stippen ter grootte van een dubbeltje tot stippen met potloodpuntjes.

Dergelijke druppelgroottes kunnen willekeurig lijken, maar nu kunnen ingenieurs van MIT de druppelgrootteverdeling van een vloeistof voorspellen, inclusief de kans op het produceren van zeer grote en zeer kleine druppels, gebaseerd op één hoofdeigenschap:de visco-elasticiteit van de vloeistof, of plakkerigheid. Bovendien, het team heeft ontdekt dat voorbij een bepaalde plakkerigheid, vloeistoffen zullen altijd hetzelfde relatieve bereik van druppelgroottes vertonen.

Weten hoe groot of klein de druppeltjes van een vloeistofspray kunnen zijn, kan onderzoekers helpen bij het identificeren van optimale vloeistoffen voor een aantal industriële toepassingen, van het voorkomen van defecten in autolakklussen, om landbouwgronden te bemesten via sproeien vanuit de lucht.

De resultaten van de onderzoekers werden in oktober gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . De hoofdauteur van het artikel is Bavand Keshavarz, een afgestudeerde student in het lab van Gareth McKinley, wie is de School of Engineering Professor of Teaching Innovation aan het MIT en de senior auteur van de paper. Hun co-auteurs zijn onder meer Eric Houze, John Moore, en Michael Koerner van Axalta Coating Systems, een in Philadelphia gevestigde fabrikant van verf voor bedrijfsvoertuigen.

Een verdikkend ingrediënt

De manieren waarop vloeistoffen fragmenteren, of uiteenvallen in druppeltjes, is al eeuwen een fascinatie en de laatste decennia een actief vakgebied. wetenschappers, proberen om vloeibare fragmentatie te karakteriseren, hebben zich meestal gericht op wat bekend staat als Newtoniaanse vloeistoffen, zoals water en olie - relatief dun, homogene vloeistoffen die geen fijne deeltjes of lange moleculen bevatten, zoals polymeren, die de manier waarop dergelijke vloeistoffen stromen zouden beïnvloeden.

In het begin van de jaren 2000, wetenschappers hebben een eenvoudige vergelijking afgeleid om te beschrijven hoe een Newtoniaanse vloeistof zich gedraagt ​​​​wanneer het wordt verneveld, of in druppeltjes gespoten. Ingebed in deze vergelijking was een enkele parameter, "N, " die bepaalt hoe breed of smal de druppelverdeling van een vloeistof kan zijn. Hoe hoger de waarde van "n, " hoe smaller de uiteindelijke maatverdeling is.

Maar wanneer deze waarde relatief groot is, de vergelijking beschrijft niet de bredere verdeling van druppelgroottes waargenomen voor meer visco-elastische, niet-Newtoniaanse vloeistoffen zoals speeksel, bloed, verf, en harsen. Keshavarz en McKinley vermoedden dat de plakkerigheid van een niet-Newtonse vloeistof, of visco-elasticiteit, kan iets met de mismatch te maken hebben.

"Wat we aan de literatuur wilden toevoegen, was hoe visco-elasticiteit deze parameter n kan veranderen, wat de belangrijkste parameter is omdat het bepaalt hoeveel druppeltjes van een bepaalde grootte een vloeistof kan produceren, vergeleken met de gemiddelde druppelgrootte, " zegt Keshavarz. "Nu voor de eerste keer voor een verscheidenheid aan vloeistoffen, dat hebben we kunnen kwantificeren."

"Bevroren in de tijd"

Om dit te doen, Keshavarz en McKinley hebben verschillende experimenten opgezet om vloeistoffragmentatie waar te nemen in zowel Newtoniaanse als niet-Newtoniaanse vloeistoffen. Ze gebruikten water en water-glycerolmengsels als de klassieke Newtoniaanse vloeistoffen, en creëerde niet-Newtoniaanse monsters door een oplossing van water-glycerol te mengen met verschillende hoeveelheden polymeren met verschillende molecuulgewichten. Ze experimenteerden ook met verschillende industriële verven en harsen.

De onderzoekers onderwierpen elk vloeistofmonster aan drie verschillende vernevelingstests, vloeistoffen eerst op een vlakke ondergrond laten vallen, dan sproeien ze door een mondstuk, en tenslotte, het vormen van een spray van de vloeistof door twee stralen te laten botsen. Het team gebruikte een stroboscooptechniek, oorspronkelijk ontwikkeld door MIT's Harold "Doc" Edgerton, om beelden van elk experiment in een fractie van een milliseconde te maken.

Het team observeerde bijna 5, 000 druppeltjes voor elke vloeistof die ze hebben getest. Hun beelden lieten zien dat in het algemeen, dunner, Newtoniaanse vloeistoffen produceerden een smallere reeks druppelgroottes, ongeacht het type experiment dat wordt uitgevoerd, terwijl de visco-elastische vloeistoffen bredere distributies hadden, het genereren van grotere aantallen zowel grote als kleine druppels.

Terwijl ze werden besproeid of gevallen, de visco-elastische vloeistoffen creëerden lange ligamenten, of snaarachtige projecties, die zich eerst uitstrekte, brak uiteindelijk in druppeltjes uit elkaar.

"Elk beeld zorgt ervoor dat de ligamenten bevroren lijken in de tijd, " zegt Keshavarz. "In een fractie van een milliseconde, ze vallen uiteen in een eindig bereik van druppelgroottes."

Een universeel profiel

Terugverwijzend naar de oorspronkelijke vergelijking die de fragmentatie van Newtoniaanse vloeistoffen beschrijft, Keshavarz merkte op dat de parameter "n, " die de verdeling van druppelgroottes vaststelt, wordt ook bepaald door de gladheid van de ligamenten die uiteindelijk in druppels uiteenvallen. In de beelden van hun experimenten, echter, de onderzoekers merkten op dat de meer visco-elastische vloeistoffen hobbeliger produceerden, meer gegolfde banden. Keshavarz veronderstelde dat hoe plakkeriger een vloeistof is, hoe meer het weerstand biedt tegen het gladstrijken als het een ligament vormt.

Om deze hypothese te testen, hij ontwikkelde een nieuw experiment, zogenaamde "step-strain" test, waarin hij een vloeistof tussen twee borden perste, trok toen snel de platen uit elkaar, de vloeistof omhoog trekken en uitrekken tot een ligament voordat het in druppels uiteenvalt. Bij high-speed beeldvorming van deze tests, de onderzoekers merkten op dat de visco-elastische vloeistoffen hobbeligere ligamenten vertoonden, lijkend op kralen aan een touwtje. Hoe plakkeriger de vloeistof, hoe meer gegolfd het ligament werd. De onderzoekers maten de golvingen en ontdekten dat, voorbij een bepaalde plakkerigheid, de mate van hobbeligheid van een ligament bleef hetzelfde.

Van hun afbeeldingen van visco-elastische jets, de onderzoekers maten ook de snelheid waarmee elk ligament dunner werd, ook bekend als de ontspanningstijd van de vloeistof. evenzo, ze ontdekten dat deze snelheid bijna constant wordt voor visco-elastische vloeistoffen. Het team voerde enkele berekeningen uit om de metingen van de relaxatietijd in de oorspronkelijke vergelijking voor vloeistoffragmentatie te passen, en vond dat, alle andere variabelen bekend zijn, de parameter "n" bereikte een minimumwaarde, hoe plakkerig de vloeistof ook was, overeenkomend met een maximale breedte in de verdeling van druppelgroottes.

Met andere woorden, de onderzoekers identificeerden de breedste verdeling van druppelgroottes die elke visco-elastische, niet-Newtonse vloeistof kan zich eventueel vertonen bij het sproeien.

"Ongeacht het soort experiment, of het soort polymeer of concentratie, we zien deze universele distributie, en het is breed toepasbaar op een breed scala aan vloeistoffen, ' zegt Mc Kinley.

uiteindelijk, hij zegt dat dit nieuwe begrip van vloeistoffragmentatie nuttig kan zijn op een aantal gebieden, waaronder verbranding, farmaceutische en landbouwsprays, inkjetprinters, en de autolakindustrie, waar fabrikanten op zoek zijn naar manieren om "overspuiten" te voorkomen en de efficiëntie van verfspuiten te verhogen.

"Als ze een auto besproeien, ze moeten de ramen afplakken, want hoe voorzichtig je ook bent, er is altijd wat overspray, dat is verspilde verf, " zegt McKinley. "Ook, als je verf spuit, de grootste druppels verschijnen meestal als defecten. Dat is een van de redenen waarom u zo veel belang hecht aan de verdeling van de druppelgrootte:u wilt weten hoe groot de grootste druppels zullen zijn, want een goede verfbeurt moet aan het eind van de dag een perfect gladde afwerking zijn."