Verbeterde printkwaliteit door surfactanten

Het opdrogen van druppels op een ondergrond is een ingewikkeld proces. Aan de randen van de druppel is verdamping vele malen sneller dan over de rest van het oppervlak. Hoewel dit fenomeen pas twintig jaar geleden ontdekt is, komen we het regelmatig tegen in het dagelijks leven.

Zo koelt een bord met warm eten het snelst af aan de randen, omdat de hitte daar in meer richtingen kan wegstromen dan in het midden. Om dezelfde reden kunnen verdampte moleculen beter wegstromen aan de rand van een druppel.

Koffie-ring-effect

Vanwege deze snellere verdamping aan de randen is er een constante vloeistofstroming van het midden van de druppel naar de zijkanten. Daarom zien we de ringformatie die in de wetenschap ook wel het `koffie-ring-effect’ genoemd wordt.

Dit is waar surfactanten een rol gaan spelen. Surfactanten zijn moleculen die uit twee onderdelen bestaan: een hydrofiele kop, die aangetrokken wordt door water, en een hydrofobe staart, die water afstoot. Door deze unieke vorm hebben surfactanten de neiging op het oppervlak van een druppel te gaan zitten, waar de kop in contact kan zijn met het water en de staart met de lucht.

Wanneer deze surfactanten op een oppervlak zitten, wordt de oppervlaktespanning kleiner. De oppervlaktespanning is de kracht die er onder andere voor zorgt dat bepaalde insecten zoals schaatsenrijders over water kunnen lopen zonder te zinken.

Omdat de afname in oppervlaktespanning niet gelijkmatig over het druppeloppervlak is, kunnen allerlei bijzondere stromingspatronen waargenomen worden. Een van deze patronen is een circulatie, waarbij inktdeeltjes terugstromen naar het midden van de druppel en het koffie-ring-effect daarmee opheffen.

Beter en efficiënter inkt ontwikkelen

Tot nu toe was onduidelijk onder welke omstandigheden deze circulatie optreedt en onder welke niet. Niet bij alle surfactanten en niet bij alle druppels is dit gedrag namelijk waar te nemen. Met behulp van efficiënte computersimulaties stelde Van Gaalen verschillende factoren vast die bepalen wanneer er circulatie is.

Zo ontdekte hij dat dit alleen gebeurt wanneer er ook voldoende surfactant in de bulk van de druppel is en wanneer de verdamping relatief snel is. Met deze bevindingen kunnen experimentele resultaten die voorheen onverklaarbaar waren nu uitgelegd worden en kunnen printbedrijven beter en efficiënter inkt ontwikkelen.

Naast het koffie-ring-effect bestudeerde Van Gaalen ook hoe de vorm van een druppel met surfactanten verandert ten gevolge van verdamping en welke effecten surfactanten hebben op het proces waarbij druppels in een poreus medium, zoals papier, trekken.

Ruben van Gaalen verdedigt zijn proefschrift getiteld Evaporation and absorption of inkjet printed droplets with surfactants op donderdag 27 januari. Hij werd begeleid door prof.dr. Hans Kuerten en prof.dr.ir. Hermann Wijshof.