Evaporazione

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 4697 (2022) Citare questo articolo

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Le proprietà di flusso estensionale delle soluzioni polimeriche in solventi volatili governano molti processi di rivestimento rilevanti a livello industriale, ma la strumentazione esistente non dispone dell’ambiente necessario per controllare l’evaporazione. Per mitigare l'evaporazione durante le misurazioni della reologia estensionale gocciolante sul substrato (DoS), abbiamo sviluppato una camera per racchiudere il campione in un ambiente saturo di vapore di solvente. Abbiamo convalidato il dispositivo DoS ad evaporazione controllata misurando un modello di ossido di polietilene ad alto peso molecolare (PEO) in vari solventi organici sia all'interno che all'esterno della camera. L'evaporazione ha aumentato sostanzialmente il tempo di rilassamento estensionale \(\lambda _{E}\) per il PEO in solventi volatili come diclorometano e cloroformio. Le soluzioni PEO/cloroformio hanno mostrato un aumento di oltre 20 volte di \(\lambda _{E}\) a causa della formazione di una pellicola superficiale indotta dall'evaporazione; gli studi sull'evaporazione hanno confermato le caratteristiche superficiali e la formazione di pelle che ricordano le instabilità di deformazione comunemente osservate nell'essiccazione delle soluzioni polimeriche. Infine, i tempi di rilassamento delle soluzioni semi-diluite di PEO/cloroformio sono stati misurati con controllo ambientale, dove \(\lambda _{E}\) scalato con la concentrazione mediante l'esponente \(m=0,62\). Queste misurazioni convalidano l'ambiente DoS controllato dall'evaporazione e confermano che il cloroformio è un buon solvente per il PEO, con un esponente di Flory di \(\nu =0,54\). I nostri risultati sono i primi a controllare l’evaporazione durante la reologia estensionale DoS e forniscono linee guida che stabiliscono quando è necessario il controllo ambientale per ottenere parametri reologici accurati.

I flussi estensionali svolgono un ruolo importante nel trasferimento1, nella deposizione e nella rottura di fluidi volatili a bassa viscosità nei processi industriali dal rivestimento2,3 e dalla stampa a getto d'inchiostro4,5 all'iniezione di carburante6. Flussi complessi come il rivestimento a rullo anteriore3 e la spruzzatura7,8 generano goccioline attraverso l'estensione e la rottura dei filamenti. I solventi organici volatili vengono spesso utilizzati in questi processi industriali per dissolvere i componenti della formulazione e consentire una facile asciugatura dei rivestimenti una volta depositati9,10,11. Oltre ai parametri di lavorazione applicati, la viscoelasticità del fluido e le corrispondenti proprietà reologiche estensionali determinano la frazione di fluido che si scompone in goccioline, i tempi di rottura e la distribuzione delle dimensioni delle goccioline7. Questi parametri reologici possono quindi essere utilizzati per quantificare la rivestibilità e la spruzzabilità di soluzioni macromolecolari12,13,14, che, se abbinati alla velocità di evaporazione del solvente, determinano in gran parte la qualità del rivestimento15. Sebbene proprietà come la viscosità a taglio zero svolgano un ruolo nel governare questi flussi, controparti come la viscosità estensionale determinano la rottura finale delle goccioline di fluido. Inoltre, la viscosità estensionale nelle soluzioni polimeriche diluite è spesso di ordini di grandezza maggiore della viscosità di taglio2,16, una proprietà che può essere dannosa nelle applicazioni di rivestimento e stampa. Poiché i flussi estensionali impartiscono deformazioni che interrompono la struttura di elementi fluidi complessi come le bobine polimeriche in modo più sostanziale rispetto agli analoghi flussi di taglio17,18, la reologia estensionale può anche essere più indicativa delle prestazioni nei processi di rivestimento per fluidi a bassa viscosità. La prevalenza del flusso estensionale nei processi industriali e il suo forte impatto sulla conformazione del polimero rendono quindi la reologia estensionale particolarmente utile nella misurazione delle proprietà materiali fondamentali di fluidi complessi e nel guidare la formulazione del campione prima dello scale-up.

I parametri reologici come la viscosità estensionale e il tempo di rilassamento (\(\lambda _{E}\)), utili nella caratterizzazione di questi flussi, non possono essere previsti solo dal comportamento di taglio2,19. Sebbene il flusso estensionale uniassiale possa essere generato da un dispositivo microfluidico20 o da un getto16,21, entrambe queste tecniche utilizzano dispositivi realizzati su misura, che richiedono una conoscenza a priori delle proprietà del fluido come la viscosità estensionale per determinare le velocità di estensione che si verificano. La velocità di estensione di un fluido in un dispositivo microfluidico o in un getto dipende dalle dimensioni del canale o dell'ugello personalizzato21,22, quindi l'estrazione delle proprietà del materiale può essere un processo complicato e iterativo. Inoltre, queste tecniche spesso producono flussi misti di taglio e estensionali, il che rende difficile distinguere l’impatto specifico del flusso estensionale.