Investigation of surface characteristics and flow dynamics of microchannels coated with various resin systems

Abstract

Yüzey teknolojisi birçok sektörde büyük önem taşımakta ve kaplama uygulanarak malzemelerin yüzeylerine fonksiyonel özellikler kazandırmak için birçok çalışma yapılmaktadır. Araştırmacılar, yüzey özellikleri analizleri yaparak yüzey kaplamalarının fonksiyonel özelliklerini test etmektedir. Bu çalışmalarda ele alınan ve en önem verilen yüzey özelliklerinden ikisi, yüzey serbest enerjisi ve sürtünme faktörüdür. Bu çalışmada yüzey serbest enerjisi ve sürtünme faktörüne ek olarak, yüzey kaplamalı mikro kanallarda sıvı akışı için (yüzey kaplaması ile akan sıvı arasında oluşan) dinamik ara yüzey gerilimi terimi sunulmuştur. İç yüzeyine kaplama uygulanmış bir kanalın iç yüzeyi ile içerisinden akan bir sıvı arasındaki dinamik ara yüzey gerilimini belirlemek için yatay yönlendirilmiş kanallarda kılcal akışı tanımlamada kullanılan Washburn denklemi, katı üzerinde bulunan bir sıvı için katı-sıvı temas noktasındaki katı, sıvı ve gaz fazlarının dengesini ifade eden Young denklemiyle birleştirilmiştir. Sürtünme faktörü ile dinamik ara yüzey gerilimi arasındaki ilişki, bu çalışma için sentezlenen poliüretan ve epoksi yüzey kaplamaları için bu parametrelerin değerleri karşılaştırılarak incelenmiştir. Sonuçlar, yüzey kaplamaları için sürtünme faktörünün, artan yüzey serbest enerjisi ve artan dinamik ara yüzey gerilimi ile arttığını göstermiştir. Aynı zamanda, laminer akış rejiminde belirli bir akış hızı için, sürtünme faktörünün logaritması ile dinamik ara yüzey geriliminin logaritması arasında yaklaşık olarak 0.36'ya eşit olan belirli bir oran olduğu sonucuna varılmıştır.Ayrıca statik temas açısı, dinamik temas açısı, akış hızı ve diferansiyel basıncı ölçerek yüzey serbest enerjisi, sürtünme faktörü ve dinamik ara yüzey gerilimini belirlemek üzere deneysel bir düzenek geliştirilmiştir. Buna ek olarak, katı yüzeyler için yüzey serbest enerjisi, sürtünme faktörü ve dinamik ara yüzey gerilimi hesaplamalarını hızlandırmak ve kolaylaştırmak için bir bilgisayar geliştirilmiştir.

Surface technology has great importance in many sectors and many studies have been carried out to provide functional properties to the surface of materials by applying coatings on their surfaces. Researchers have been testing the functional properties of surface coatings by performing surface characteristics analyses. Two of the most important surface properties investigated in these studies are surface free energy and friction factor. In this study, the term dynamic interfacial tension (between the coating and the liquid) is introduced for liquid flow in microchannels with coated inner-surface, in addition to surface free energy and friction factor. Washburn’s Equation for capillary flow in horizontally oriented channels is combined with Young’s Equation for the equilibrium of solid, liquid, and gas phases for a liquid on a solid surface in order to determine interfacial tension between the coated inner surface of the channel and the fluid flowing through the channel. The relationship between friction factor and dynamic interfacial tension is investigated by comparing these parameters for polyurethane-based and epoxy-based coatings synthesized specifically for this study. Results showed that the friction factor for a surface coating increases with increasing surface free energy and increasing interfacial tension. It is also concluded that for a certain flow rate and laminar flow regime, there is a specific ratio between the logarithm of the friction factor and logarithm of the dynamic interfacial tension which approximately equal to 0.36. Also, an experimental setup is developed in order to determine surface free energy, friction factor, and dynamic interfacial tension by measuring static contact angle, dynamic contact angle, flow rate, and differential pressure. Additionally, a computer program is developed to expedite and facilitate the calculations of surface free energy, friction factor, and dynamic interfacial tension for solid surfaces.