Trocknungsdefekte: Coffee-Ring Effekt

  • Forschungsthema:Identifizierung und Untersuchung von Einflussfaktoren auf die Ausbildung der Oberflächentopografie kleiner trocknender Strukturen aus Polymerlösung
  • Typ:Bachelorarbeit
  • Datum:abgeschlossen 12/2017
  • Betreuer:

    Tönsmann

  • Bearbeiter:Amelie Spix
  • Das Inkjet-Druckverfahren, welches bei Privatanwendern in Tintenstrahldruckern bereits häufig zum Einsatz kommt, ist aufgrund seiner Sparsamkeit, Individualisierbarkeit und Skalierbarkeit eine sehr gefragte Technologie. Anwendungsgebiete sind zum Beispiel die Herstellung organisch-elektronischer Bauteile wie organische Solarzellen (OPV), organischer LEDs (OLEDs) oder Transistoren oder der Druck elektrischer Schaltkreise mit metallischen Nanopartikeln (siehe Projektbeschreibung).

    Während der Trocknung kleiner, gedruckter Strukturen wie sie zum Beispiel beim Inkjet-Druckverfahren entstehen, tritt häufig der sogenannte Coffee-Ring-Effekt (CRE) auf. Erstmals beschrieben wurde dieser Effekt an trocknenden Partikelsuspensionen (Kaffee) von Deegan, 1997. Es wurde beobachtet, dass bei einem getrockneten Kaffeefleck sich die Partikel bevorzugt am Tropfenrand ablagern und so eine optisch sichtbare Ringstruktur hinterlassen (vgl. Abb 1). Dies ist auf eine radiale, auswärtsgerichtete Strömung im trocknenden Tropfen zurückzuführen, welche die Partikel zur Dreiphasenkontaktlinie transportieren. Die meisten bisherigen allgemeinen Erklärungsansätze beschränken sich auf die Betrachtung von Reinstoffen und vernachlässigen die Komplexität technischer Drucktinten.

             

    Abb. 1: Coffee-Ring Effekt. Links: Kaffeefleck, rechts: 3D-Profil aus Polymerlösung.

    Eine mögliche Erklärung für die Strömung in Suspensionen sind Kapillarkräfte zwischen den Partikeln am Tropfenrand. Diese können allerdings nur bei Suspensionen auftreten, das Auftreten des CRE bei Polymerlösungen kann damit nicht begründet werden.

    Ziel dieser Arbeit ist es, systematisch verschiedene Einflussfaktoren auf die Ausbildung des Coffee-Ring-Effekts experimentell zu identifizieren. Dafür sollen Trocknungsexperimente an existierenden Versuchsanlagen der Arbeitsgruppe durchgeführt werden und verschiedene Randbedingungen wie zum Beispiel Temperatur, Überströmungsgeschwindigkeit, Tropfengröße, Polymerkonzentration (Viskosität) oder das eingesetzte Lösemittel (Oberflächenspannung) variiert werden. Anschließend sollen die Profile der getrockneten Strukturen untersucht werden um die Stärke des Coffee-Ring-Effekts bestimmen zu können.

    Je nach Art und Umfang der Arbeit kann die Aufgabenstellung individuell abgesprochen werden.