Surface study of polymer solutions by optical method under intense electric field

Astha Vishwakarma

Master's thesis

Abstract:

Capillary waves play a vital role in destabilizing jets, films, and droplets. Understanding the growth rate of waves on electrified jets is essential for estimating break-up length and comprehending the transition from varicose to whipping instabilities in electrohydrodynamic jetting, specifically in the context of electrospinning. Moreover, the ripples formed by capillary waves in thin films and membranes significantly contribute to surface forces and interfacial tension, particularly near critical points. Despite their evident value and continuous research efforts since early 1900s, the widespread adoption of surface wave spectrometry has been impeded by technical complexities and the non-trivial interpretation of data. The primary focus of this diploma thesis is to establish an experimental setup for observing surface phenomena of polymer solutions during DC electrospinning, a technique that utilizes electric fields to produce ultrafine fibers. The investigation involves analyzing the free surfaces using a technique based on the capillary wave profile. Specifically, two solvents (Water and Ethanol) and two commonly used polymer solutions Poly(vinyl alcohol) in water and Poly(vinyl butyral) in ethanol are examined to gain insights into the behavior of capillary waves within the context of electrospinning. The observations made are then compared and studied in relation to classical theories in physics and electrospinning.

Abstract:

Kapilární vlny hrají zásadní roli při destabilizaci proudů, filmů a kapek. Pochopení rychlosti růstu vln na elektrifikovaných tryskách je zásadní pro odhad délky rozpadu a rozpadu proudu a pochopení přechodu od varikózní k bičující nestabilitě v proudech elektro- hydrodynamických trysek, konkrétně v kontextu elektrostatického zvlákňování. Kromě toho vlnění tvořené kapilárními vlnami v tenkých vrstvách a membránách významně přispívá k povrchovým silám a mezifázovému napětí, zejména v blízkosti kritických bodů. Navzdory jejich zjevné hodnotě a nepřetržitému výzkumnému úsilí od počátku 20. století, bylo rozšířené přijetí spektrometrie povrchových vln ztíženo technickými složitostmi a netriviální interpretací dat. Primárním cílem této diplomové práce je vytvořit experimentální uspořádání pro pozorování povrchových jevů polymerních roztoků při stejnosměrném elektrostatickém zvlákňování, což je technika využívající elektrická pole k výrobě ultrajemných vláken. Výzkum zahrnuje analýzu volných povrchů pomocí techniky založené na profilu kapilárních vln. Konkrétně jsou zkoumána dvě rozpouštědla (voda a etanol) a dva běžně používané polymerní roztoky (Poly(vinylalkohol) ve vodě a Poly(vinylbutyral) v etanolu), aby bylo možné získat vhled do chování kapilárních vln v kontextu elektrostatického zvlákňování. Provedená pozorování jsou poté porovnána a studována ve vztahu ke klasickým teoriím ve fyzice a elektrostatickém zvlákňování.

Keywords

kapilární vlna, elektrostatické zvlákňování, laser, polymerní roztok.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 6. 2023

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Pavel Pokorný, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Master programme / field:
Textile Engineering / Nonwovens and Nanofiber Materials