Onderzoekers geven visco-elastische vloeistofbruggen een nieuwe ’twist’

Wanneer het mondstuk (of de plaat) wordt opgetild, strekt de vloeistofbrug zich uit en breekt. Dit kan capillaire staarten en satellietdruppels vormen

Wie wel eens een pizzapunt met hete, gesmolten kaas heeft opgetild, kent ongetwijfeld de lange, kaasslierten die de ene punt verbinden met de andere. Als je de pizza blijft optillen, breken deze kaas- ‘bruggen’ en bedekken je bord, de tafel (of zelfs je schoot) met lange, dunne slierten kaas. Hoewel dit bij pizza’s slechts een klein ongemak is, is dit fenomeen al lang een probleem in de industrie, waar men vloeistoffen met soortgelijke eigenschappen als gesmolten kaas – visco-elastische vloeistoffen genoemd – schoon en snel wil doseren.

Wetenschappers van de groep Polymer Technology van de faculteit Werktuigbouwkunde hebben samen met onderzoekers van het Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) een nieuwe rotatietechniek ontwikkeld om deze vloeistofbruggen te breken. Hun bevindingen – gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) – kunnen bijdragen aan een snellere en nauwkeurigere dosering van visco-elastische vloeistoffen bij de productie van printplaten, de verwerking van voedsel, het manipuleren van levend weefsel en 3D-printen.

Ketchup, stopverf en tandpasta
“Visco-elastische vloeistoffen, zoals ketchup, stopverf en tandpasta, hebben heel vreemde eigenschappen – als je er langzaam in knijpt, vloeien ze als een vloeistof, maar bij hogere snelheden gedragen ze zich als een elastische vaste stof,” zegt San To Chan, promovendus aan de OIST en mede-auteur van het paper. “Deze unieke eigenschappen maken het doseren van deze vloeistoffen vrij moeilijk.”

Momenteel bestaat de standaard-doseermethode uit het optillen van de spuitmond van het oppervlak waarop de vloeistof is gedeponeerd. Hoewel dit de ‘brug’ effectief breekt, trekt het de gedeponeerde vloeistof omhoog in een lange, dunne piek, die bekend staat als capillaire staart. Als de vloeistofbrug op meerdere plaatsen breekt, vormen zich ook kleine vloeistofdruppeltjes, satellietdruppeltjes genaamd. Capillaire staarten en satellietdruppels kunnen producten verontreinigen of leiden tot kortsluiting in elektronische chips.

“Hoe hoger de spuitmond wordt ingetrokken, hoe langer de capillaire staart, dus hoe groter de kans op besmetting,” legt Chan uit. “Omdat het mondstuk niet te hoog kan worden opgetild, is de vloeistofbrug dikker en duurt het langer voordat hij breekt, wat het hele proces vertraagt.”

Van rekken naar draaien
De onderzoekers bedachten een eenvoudige oplossing voor het probleem: in plaats van de vloeibare brug uit te rekken, kon hij worden gedestabiliseerd door hem te draaien.

In de studie testte het onderzoeksteam dit idee op siliconenolie, die 60.000 keer stoperiger is dan water. De wetenschappers plaatsten een druppel silicone-olie tussen twee platen. Met behulp van hogesnelheidsfotografie ontdekten zij dat wanneer de vloeistofbrug werd verdraaid door de bovenste plaat te draaien, dit een scheur veroorzaakte halverwege de uiteinden van de vloeistofbrug. De scheur breidde zich vervolgens van de rand naar het midden uit, waarbij de brug netjes in tweeën werd gesneden zonder capillaire staarten of satellietdruppels te vormen.

Belangrijk is dat dit proces ongeveer een seconde duurde, vergeleken met de tien seconden die gewoonlijk nodig zijn om dezelfde vloeistof aan te brengen met de conventionele terugtrekmethode.

Randgebruik
Gedetailleerde numerieke simulaties door Frank van Berlo, co-auteur en promovendus aan de TU/e, waren van belang om het onderliggende mechanisme bloot te leggen dat ervoor zorgt dat de vloeistofbrug breekt wanneer deze onder torsie wordt geplaatst.

“Met de simulaties konden we systematisch het effect van rotatie op de stroming en spanningen in de vloeistofbrug onderzoeken”, legt Van Berlo uit. Zijn begeleider en co-auteur Patrick Anderson vult aan: “Frank heeft concrete informatie verschaft over hoe de vloeistofbrug reageerde, en bevestigde daarmee wat wij al vermoedden: de scheur wordt veroorzaakt door de randfractuur.”

Simon Haward, groepsleider bij OIST, spreekt over een opvallende uitkomst. “Tot dusver zijn randbreuken altijd gekarakteriseerd als een echt ongewenst fenomeen dat wetenschappers proberen tegen te houden. Dit is de eerste keer dat randfractuur een gunstige toepassing blijkt te hebben.”.

Toekomstig onderzoek
In de volgende fase van hun onderzoek willen de wetenschappers experimenteren met verschillende visco-elastische vloeistoffen om te zien dat daar hetzelfde effect optreedt. Ze zijn ook van plan om de snelheid van het doseerproces verder op te voeren, mogelijk door zowel het roteren als het intrekken van de bovenste plaat te combineren.

Professor Anderson: “Voor toekomstig 3D-printen zou een snellere en preciezere vloeistofdosering het energieverbruik kunnen verlagen, en minder vervuilde producten zou kunnen betekenen dat er minder grondstof wordt gebruikt.”