Surface tension-driven flow in soft porous materials — An investigation of the mechanism of capillary flow in microchannels of hydrogels
Doktorsavhandling, 2018

Spontaneous spreading of liquids in porous materials is of great industrial relevance and occurs in, for example, diapers, fabrics, paper or paint. Often, it is necessary to manipulate the spreading rate of liquids to result in the desired mass transport, for example to soak up large liquid volumes, as in a diaper. To do this, it is necessary to know the precise mechanism of surface tension driven flow. However, the process is complex and so are the porous materials in terms of both chemical composition and geometry. The mathematical and physical description of the process is often limited to specific cases – for example, the well-known Lucas-Washburn equation describes the speed of a meniscus in capillaries with circular cross-section in a hard material without interconnections. The objective of this thesis is to deepen the understanding of the mechanism with which a liquid spreads in a soft porous material only driven by surface tension. To this end, the liquid dynamics of water and water-based liquids were investigated in various model systems which are similar to porous 3D materials. In an alginate gel, capillaries with circular cross-sections were produced and the spreading rate of water was determined and compared to existing models. Using a method, which involves 3D printing, it was possible to fabricate open channels with rectangular cross-sections in the same alginate gel. The liquid spreading in these channels in geometries of branched channel systems was investigated. The results revealed that the spreading rate in capillaries of circular cross-sections in soft materials was much slower than that anticipated in existing models, which describe hard materials. In open channels of rectangular cross-sections, the presence of side channels slowed down the meniscus in the main channel; the meniscus stopped when it encountered junctions. The stop duration was longer when the side channels were longer, when they were wider, and when their tilting angle was low with respect to the main channel. An analysis of the volume flow indicated that those geometries that had long side channels but are few in number, resulted in faster volume flow. In a porous 3D material, this suggests that the interconnectivity could decrease the volume flow rate. Finally, a calcium alginate gel with straight-aligned pores was produced and characterised as an example of optimal liquid transport. The outcome of this thesis can be used to adjust the geometrical design of porous materials to result in desired liquid transport properties. The stiffness of the material may influence the liquid transport. The thesis also contributes to the discussion on how the liquid takes selective pathways in porous materials.

capillary action

wetting on soft materials

Capillary flow

alginate gel

KS101, Kemigården 4
Opponent: Joël De Coninck, Université de Mons, Belgium

Författare

Johanna Andersson

Anette Larsson Group

Stick–slip motion and controlled filling speed by the geometric design of soft micro-channels

Journal of Colloid and Interface Science,; Vol. 524(2018)p. 139-147

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Dynamics of capillary transport in semi-solid channels

Soft Matter,; Vol. 13(2017)p. 2562-2570

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Microstructural, mechanical and mass transport properties of isotropic and capillary alginate gels

Soft Matter,; Vol. 10(2014)p. 357-366

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Andersson, J., Gebäck, T., Ström, A., Larsson, A. "Structural design of open microchannels for the highest water volume transport"

Vad är kapillärkrafter?

När man lägger en tvättsvamp i vatten suger den upp en del av vattnet. Detta är möjligt eftersom svampen har många små porer, i vilka vattnet kan flöda in i och på grund av en kraft som kallas kapillärkraft. Kapillärkraften möjliggör att vattnet kan stiga vertikalt i porerna. Kapillärkraften baseras på ytspänningen hos vattnet, porernas diametrar, samt hur lätt vattnet väter materialet. Balansen mellan dessa avgör hur högt och snabbt vattnet stiger i porerna.

Var utnyttjas kapillärkrafter?

Många material som omger oss är porösa, liknande fallet med tvättsvampen, vilket betyder att vätska kan tas upp med hjälp av kapillärkrafter. En blöja är ett exempel på ett sådant poröst material där man även vill styra hur vätskan skall fördela sig i materialet, så att all vätska inte befinner sig på ett ställe. För att klara av att styra hur vätskan fördelar sig i porösa material måste man veta mekanismen bakom kapillärtransporten. Denna kunskap är användbar i många olika industriella applikationer såsom sårvård, förpackningar, läkemedel etc.

Skräddarsydd porgeometri för önskad kapillärtransport

I den här avhandlingen använder jag olika modellsystem, där det är möjligt att undersöka kapillärkraften utan påverkan av andra faktorer. På framsidan av denna avhandling finns en bild av ett av modellsystemen, bestående av en mjuk gel med en luftfylld por. Det visade sig att kapillärflödet av vatten in i poren var långsammare jämfört med ett fast material. Dessutom kunde jag visa att i mjuka geler, med en huvudkanal med olika förgreningar, stannar vattnet upp vid varje förgrening, innan det fyller sidokanalerna. Denna avhandling bidrar med kunskap om hur porösa materials geometriska strukturer skall se ut, för att man skall kunna styra så att önskad mängd vätska sugs upp på en viss förutbestämd tid.

SuMo BIOMATERIALS (Stage 4)

Akzo Nobel - Pulp and Performance Chemicals, 2015-01-01 -- 2016-12-31.

SCA Hygiene Products AB, 2015-01-01 -- 2016-12-31.

VINNOVA, 2015-03-01 -- 2017-02-28.

Mölnlycke healthcare, 2015-03-01 -- 2017-02-28.

Akzo Nobel - Pulp and Performance Chemicals, 2017-12-05 -- 2020-12-31.

Stora Enso AB, 2015-01-01 -- 2016-12-31.

Ämneskategorier

Textil-, gummi- och polymermaterial

Annan materialteknik

Kompositmaterial och -teknik

Styrkeområden

Materialvetenskap

ISBN

978-91-7597-776-8

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4457

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

KS101, Kemigården 4

Opponent: Joël De Coninck, Université de Mons, Belgium

Mer information

Senast uppdaterat

2018-08-15