最初に加熱された固着液の蒸発と、周囲温度で保持されている基板上の結果として得られる乾燥コロイド堆積物の蒸発

本研究では、液滴が最初に高温に上昇してから周囲温度で保持されている基板に置かれたときに、水性コロイド網液滴の乾燥堆積物の蒸発と結果のパターンを実験的かつ数値的に調査します。次に、外部の摂動を適用することなく、自然蒸発のためにシステムがリリースされます。赤外線サーモグラフィと光学プロフィロメトリーは、それぞれ界面温度測定とコーヒーリング寸法の定量化に不可欠なツールとして使用されます。当初、液滴が基板に堆積するとすぐに、液体GASインターフェイスに沿って有意な温度勾配が存在します。これにより、液滴の上部から液体GAS界面に沿って接触ラインに向かって向けられたマランゴーニの応力誘発性再循環流がトリガーされます。。したがって、流れは、従来の基質加熱ケースで見られるものと逆方向にあります。興味深いことに、この温度勾配は、総蒸発時間の最初の10％内で急速に減衰し、液滴堆積システムはその後の周囲とともに熱平衡に達します。温度勾配の急速な減衰にもかかわらず、コーヒーリングの寸法は大幅に減少し、内部堆積物につながります。コーヒーリング寸法の50〜70％の減少は、0.05〜1.0％V/Vの間で異なる懸濁粒子濃度に対して初期液滴温を25から75°Cに上昇させることにより記録されます。コーヒーリング効果のこの抑制は、界面温度勾配が消滅した後でも、最初のマランゴニ応力誘発性再循環流が蒸発の最後の段階まで続くという事実に起因します。これは本質的に液体慣性の結果です。最後に、軸対称形状の有限要素ベースの2次元モデリングは、合理的な忠実度で測定値をキャプチャすることがわかりました。本研究で考慮された仮説は、最初の近似定性的スケーリング分析とよく裏付けられています。全体として、新しい実験条件とともに、現在の調査では、乾燥液滴におけるマランゴニのストレス誘発流の明確な性質と、関連するコロイド堆積物に影響を与えることにおけるその役割を明らかにしていますが、これは以前に調査されませんでした。この研究から得られた洞察は、スプレー冷却、インクジェット印刷、バイオアッセイなどの技術的アプリケーションを前進させるのに役立ちます。

The present study experimentally and numerically investigates the evaporation and resultant patterns of dried deposits of aqueous colloidal sessile droplets when the droplets are initially elevated to a high temperature before being placed on a substrate held at ambient temperature. The system is then released for natural evaporation without applying any external perturbation. Infrared thermography and optical profilometry are used as essential tools for interfacial temperature measurements and quantification of coffee-ring dimensions, respectively. Initially, a significant temperature gradient exists along the liquid-gas interface as soon as the droplet is deposited on the substrate, which triggers a Marangoni stress-induced recirculation flow directed from the top of the droplet toward the contact line along the liquid-gas interface. Thus, the flow is in the reverse direction to that seen in the conventional substrate heating case. Interestingly, this temperature gradient decays rapidly within the first 10% of the total evaporation time and the droplet-substrate system reaches thermal equilibrium with ambient thereafter. Despite the fast decay of the temperature gradient, the coffee-ring dimensions significantly diminish, leading to an inner deposit. A reduction of 50-70% in the coffee-ring dimensions is recorded by elevating the initial droplet temperature from 25 to 75 °C for suspended particle concentration varying between 0.05 and 1.0% v/v. This suppression of the coffee-ring effect is attributed to the fact that the initial Marangoni stress-induced recirculation flow continues until the last stage of evaporation, even after the interfacial temperature gradient vanishes. This is essentially a consequence of liquid inertia. Finally, a finite-element-based two-dimensional modeling in axisymmetric geometry is found to capture the measurements with reasonable fidelity and the hypothesis considered in the present study corroborates well with a first approximation qualitative scaling analysis. Overall, together with a new experimental condition, the present investigation discloses a distinct nature of Marangoni stress-induced flow in a drying droplet and its role in influencing the associated colloidal deposits, which was not explored previously. The insights gained from this study are useful to advance technical applications such as spray cooling, inkjet printing, bioassays, etc.