Untersuchung von Oberflächenströmungen in trocknenden Polymerfilmen mittels „Micro Particle Tracking Velocimetry (µPTV)“

Motivation

Funktionale dünne Polymerfilme finden Anwendung in diversen modernen Produkten wie Biosensoren, Bildschirmen, Membranen (zB. für Brennstoffzellen), Batterieseparatoren oder organischen Leuchtdioden (OLEDs). Um die Funktionalität zu gewährleisten und die Effizienz der Produkte zu erhöhen ist eine möglichst konstante Schichtdicke der Polymerfilme erforderlich mit möglichst geringen Welligkeiten oder Rauigkeiten. Es ist jedoch bekannt, dass durch Oberflächenspannungsgradienten begünstigte Oberflächenströmungen, sogenannte Marangoni-Konvektion, zur Deformation der Filmoberfläche von trocknenden Polymerfilmen beitragen können.

Zielsetzung

Untersuchung des Einflusses des Stoffsystems und der Trocknungsbedingungen auf die Existenz und Stärke der Marangoni-Konvektionsströmungen und der damit verbundenen Oberflächendeformationen.

Untersuchungsmethode

Zur Untersuchung der Strömungen in trocknenden Polymerfilmen wurde eine einzigartige Messtechnik entwickelt. Dafür werden nanoskalige fluoreszierende Tracerpartikel der Beschichtungslösung zugesetzt, Filme hergestellt und während der Trocknung die Bewegung dieser Partikel mikroskopisch verfolgt. Dabei wird ein von Speidel et al. [1] vorgeschlagene, als „off-focus imaging“ bezeichnete Methode eingesetzt, welche es erlaubt aus den beobachteten Beugungsringen von Tracerpartikeln welche sich nicht in der Fokusebene des Mikroskops befinden, die Tiefeninformation aus dem Durchmesser der Beugungsringe zu berechnen (siehe Abb. 1). Dadurch ist eine dreidimensionale Messung mit nur einer Kamera möglich. Mit steigendem Abstand der Tracerpartikel zur Fokusebene wird das Signal der Beugungsringe jedoch schlechter. Daher wurde dieser Ansatz kombiniert mit multifokaler Mikroskopie, welche es erlaubt mit mehreren Kameras in mehreren Fokusebenen gleichzeitig zu messen. Der schematische Aufbau der als „Micro Particle Tracking Velocimetry“ (µPTV) bezeichneten Messtechnik ist in Abbildung 2 dargestellt. Details zum Aufbau finden sich in [2] und die Kalibrierung in [3].

Bei Vollauslastung (50 Bilder pro Sekunde, 5 Kameras) entstehen erhebliche Datenmengen von ca. 5 GB/s. Um diese verarbeiten zu können wurde ein Ringerkennungsalgorithmus entwickelt, welcher durch Parallelisierung auf Grafikprozessoren (GPUs) beschleunigt ausgeführt wird [2]. Abbildung 3 zeigt beispielhaft das rekonstruierte Strömungsfeld in einem halb abgedeckten, trocknenden Polymerfilms aufgenommen mit 2 der 5 Kameras.

Abb. 1: Beispielhafte Kameraaufnahme mit unterschiedlich großen Beugungsringen der Tracerpartikel.

Abb. 2: Schematischer Aufbau der „Micro Particle Tracking Velocimetry (µPTV)“-Messtechnik. (Tönsmann et al. 2019 [3], Lizenz: CC-BY)

Abb. 3: Beispielhafte Darstellung eines rekonstruierten Strömungsfilmes in einem halb abgedeckten, trocknenden Polyvinylacetat-Methanol-Films, gemessen mit µPTV. (Tönsmann et al. 2019 [3], Lizenz: CC-BY)

Referenzen

[1] M. Speidel, A. Jonáš, E.-L. Florin, Three-dimensional tracking of fluorescent nanoparticles with subnanometer precision by use of off-focus imaging, Opt Lett 28 (2003) 69. https://doi.org/10.1364/OL.28.000069.

[2] P. Cavadini, H. Weinhold, M. Tönsmann, S. Chilingaryan, A. Kopmann, A. Lewkowicz, C. Miao, P. Scharfer, W. Schabel, Investigation of the flow structure in thin polymer films using 3D µPTV enhanced by GPU, Exp Fluids 59 (2018) 370. https://doi.org/10.1007/s00348-017-2482-z.

[3] M. Tönsmann, F. Kröhl, P. Cavadini, P. Scharfer, W. Schabel, Calibration Routine for Quantitative Three-Dimensional Flow Field Measurements in Drying Polymer Solutions Subject to Marangoni Convection, Colloids and Interfaces 3 (2019) 39. https://doi.org/10.3390/colloids3010039.