Ex situ and in silico study of layer build-up and structure formation phenomena during convective drying of deposited droplets

Abstract

Drying of solid-laden droplets and associated incremental coating layer formation is an essential sub-process of numerous industrial coating procedures. The quality of the created coating layer and with that the quality of the product is hereby strongly dependent on the layer’s properties. Next to layer thickness, this foremost includes layer porosity as well as morphology. In the present dissertation, sessile droplet drying and structure formation under convective conditions are investigated experimentally and simulatively, in order to give further insight into this subject. The experimental part of this thesis presents an investigation regarding the build-up of small coating layers from deposited droplets dried under forced convection. Herein, the morphological and structural evolution from single droplet residue to multi-deposit coating layer is analyzed, as well as the development of porosity during this incremental layer formation. Three model substances are compared, representing the behavior of spherical nano- and disperse microsuspensions, as well as salt solutions, respectively. The morphologies, porosities and characteristic build-up phenomena of these layers are obtained for every droplet addition. The results of this study on convective drying of sessile droplets and structure formation on a flat, partially wetting substrate are then further set in ratio to layers obtained by fluidized bed coating, in order to relate the phenomena observed for deposited droplets back to a broader field of industrial processes. For this comparison, complementary fluidized bed coating experiments were conducted in a laboratory scale plant and evaluated with regard to layer porosity and morphology. These experiments were carried out under as analogous process conditions as possible, so that the resulting layers can be optimally compared to layers obtained in the course of the experiments featuring deposited droplets and the effects of certain parameters on the coating layers can thus be identified. In all associated experimental series, focuswas laid on the dependency on drying conditions, aswell as the development during the consecutive addition of droplets, id est during the incremental buildup. The corresponding characterization of solid residues was performed foremost by white-light interferometry and X-ray micro-computed tomography, with complementary scanning electron microscopy measurements. In the simulative part of this thesis, a computational fluid dynamics model that incorporates a finite volume approach is presented. It is capable of predicting the influence of gas flow on the evaporation flux profile of sessile droplets during convective drying and is subsequently used to study the impact of convective parameters, droplet properties and setup compositions on the evaporation, respectively. Evaporation flux distributions originating under a variety of conditions and at various stages in the drying process of water droplets in air are analyzed and quantified. As an extension to already existing models, this numerical simulation takes the advection of vapor in the flow field and the hereby arising shift of the concentration gradient along each droplet’s surface into account. This contemplation allows for a representation of not only the overall convective drying process, but particularly the resulting local evaporation under different flow conditions and at different drying stages. Last, the influence of another droplet’s presence in the vicinity is analyzed with special regard to surface flux distribution of the droplet pair. Latter, and indices evaluated from it, are seen as indicators for solid transport within the droplets and for deposit formation.

Die Trocknung feststoffhaltiger Tropfen und die damit verbundene inkrementelle Schichtbildung ist ein wesentlicher Teilprozess zahlreicher industrieller Beschichtungsverfahren. Die Qualität der erzeugten Beschichtungen, und damit die Qualität des Produktes, ist hierbei stark von den Eigenschaften der Schicht abhängig. Dazu gehören neben der Schichtdicke vor allem die Schichtporosität und die Morphologie. In der vorliegenden Dissertation wird die Trocknung ruhender Tropfen unter konvektiven Bedingungen und die dazugehörige Strukturbildung experimentell und simulativ untersucht. Der experimentelle Teil dieser Arbeit stellt eine Untersuchung zum Aufbau kleiner Beschichtungen aus aufgesetzten Tropfen vor, welche unter erzwungener Konvektion getrocknet wurden. Dabei wird die morphologische und strukturelle Entwicklung, sowie die Entwicklung der Porosität während des inkrementellen Schichtaufbaus von einem einzelnen Tropfenrückstand zu einer zusammenhängenden Schicht, bestehend aus mehreren Ablagerungen, analysiert. Es werden drei Modellsubstanzen verglichen, die das Verhalten von sphärischen Nanofluiden, dispersen Mikrosuspensionen und Salzlösungen repräsentieren. Die Morphologien, Porositäten und charakteristischen Phänomene während des Aufbaus dieser Schichten werden bei jeder Addition eines neuen Tropfens ermittelt. Die Ergebnisse dieser Studie zur konvektiven Trocknung ruhender Tropfen und zur Strukturbildung auf einem ebenen Substrat mit partieller Benetzung werden dann weiter ins Verhältnis zu durch Wirbelschichtgranulation erhaltenen Beschichtungen gesetzt, um die beobachteten Phänomene bei aufgesetzten Tropfen auf ein breiteres Anwendungsfeld von industriellen Prozessen zu beziehen. Für diesen Vergleich wurden ergänzende Beschichtungsexperimente in einer Wirbelschichtanlage im Labormaßstab durchgeführt und hinsichtlich Schichtporosität und -morphologie ausgewertet. Diese Versuche wurden unter möglichst analogen Prozessbedingungen durchgeführt, sodass die hieraus resultierenden Schichten bestmöglich mit den im Verlauf der Versuche mit aufgesetzten Tropfen erhaltenen Schichten verglichen werden können und somit der Effekt bestimmter Parameter auf die Beschichtung bestmöglich identifiziert werden kann. Bei allen zugehörigen Versuchsreihen wurde der Fokus auf die Abhängigkeit von den Trocknungsbedingungen, sowie die Entwicklung während der sukzessiven Tropfenzugabe, also beim inkrementellen Schichtaufbau, gelegt. Die entsprechende Charakterisierung der Feststoffrückstände erfolgte vor allem durchWeißlichtinterferometrie und Röntgen-Mikrotomographie, ergänzt mit rasterelektronenmikroskopischen Messungen. Im simulativen Teil dieser Arbeit wird ein strömungsmechanisches Modell nach Finite-Volumen- Methode präsentiert. Dieses Modell ist in der Lage, den Einfluss der erzwungenen Konvektion auf die Trocknungsgeschwindigkeitsverteilung auf der Oberfläche ruhender Tropfen während der Konvektionstrocknung vorherzusagen und wird anschließend verwendet, um den Einfluss von Konvektionsparametern, Tropfenkonstitutionen und Systemkonfigurationen auf die Trocknung zu untersuchen. Trocknungsgeschwindigkeitsverteilungen, welche unter einer Vielzahl von Bedingungen und in verschiedenen Stadien des Trocknungsprozesses von Wassertropfen in Luft entstehen, werden analysiert und quantifiziert. Als Erweiterung zu bereits bestehenden Modellen berücksichtigt die präsentierte numerische Simulation die Advektion des Wasserdampfes im Strömungsfeld und die dadurch entstehende Verschiebung des Konzentrationsgradienten entlang der Tropfenoberfläche. Diese Betrachtung ermöglicht nicht nur eine Darstellung des gesamten konvektiven Trocknungsprozesses, sondern insbesondere der resultierenden lokalen Verdunstung unter verschiedenen Strömungsbedingungen und in verschiedenen Trocknungsstadien. Zuletzt wird der Einfluss der Anwesenheit anderer Tropfen in der Nähe, unter besonderem Fokus auf die Trocknungsgeschwindigkeitsverteilungen auf der Oberfläche von Tropfenpaaren, analysiert. Letztere, und daraus ausgewertete Indizes, werden nachfolgend als Indikatoren für den Feststofftransport innerhalb der Tropfen und für die entsprechende Bildung von Ablagerungsstrukturen genutzt.