The reason for the hydrophilicity loss o f copper metal foams in the ambient air was investigated in this work. Analysis o f driving mechanisms was conducted, considering surface chemistry and morphology. A novel approach was employed to quantify the loss o f hydrophilicity rate by measuring the spreading time o f a droplet on the foam’s surface by using a high speed camera. The time dependence o f the chemical composition o f the foam’s surface was investigated by using XPS and TOF-SIMS. The proposed explanation for the hydrophilicity loss was tested by using an organic compound and the proposed hypothesis was confirmed. The key findings o f this study include:
• By comparing the CA on the hydrophilic and hydrophobic copper metal foams and copper plate, it can be concluded that the hydrophobicity mechanism is o f Wenzel-type and not Cassie-Baxter. Therefore, it can be concluded that the surface chemistry is the main reason to alter the wettability properties o f the foam and while surface roughness intensifies the present state o f wettability, it has no role for the wettability transition in ambient air.
• Contrary to a common belief in the heat pipe community, the adsorption o f volatile organic compounds (VOC) and not the oxidation is the reason for the loss o f hydrophilicity in metal foams. Foam samples kept under extra dry pure air remain hydrophilic even after 96 hours while samples kept in the room ambient become hydrophobic after 48 hours.
• Time dependent XPS and TOF-SIMS results show that carbon content on the foam’s surface increases. On the other hand, XPS results reveal that the copper oxide content does not change significantly while metallic copper reduces significantly. It can be concluded that the adsorption o f the volatile organic compounds on the active surface o f metallic copper reduces the metallic Cu and lowers the surface energy o f the copper metal foams. It will eventually lead to a hydrophobic surface.
• Low amounts o f carbon do not affect the wettability o f copper metal foams and only reaching to a certain point o f contamination (41.7% o f carbon content in this case) will result in hydrophobicity. The impact o f high amounts o f carbon content on the hydrophobicity o f foams is further confirmed by applying an organic contamination (a- Pinene) on the hydrophilic foam, which turned it into a hydrophobic material.
4.8 Acknowledgments
This research was jointly funded by NSERC Canada and Metafoam Technologies Inc. We are grateful for the support and guidance o f Dominic Pilon, Sebastien Labbe and Ian Benoit of Metafoam Technologies Inc. and Hugues Menard o f Universite de Sherbrooke. TOF-SIMS measurements and data analysis were conducted by Suzie Poulin from Ecole polytechnique de Montreal.
CHAPITRE 5 AVANT-PROPOS
Auteurs et affiliation:
• Mahmood R.S. Shirazy: etudiant au doctorat, Universite de Sherbrooke, Faculte de genie, Departement de genie mecanique.
• Luc G. Frechette: professeur, Universite de Sherbrooke, Faculte de genie, Departement de genie mecanique.
Date d’acceptation: 8 Novembre 2012
Etat de 1’acceptation: version finale publiee
Revue: International Journal o f heat and mass transfer
Reference: [72]
Titre fran^ais: Proprietes de capillarite et de mouillage des mousses metalliques en cuivre en
presence d'evaporation et de murs frittes
Contribution au document:
Cet article contribue a la these en determinant les proprietes capillaires par le taux de montee de liquide dans un materiau poreux. La permeabilite et le rayon effectif des pores, deux parametres cles qui definissent la capacite de pompage, sont mesures experimentalement. Cet article resume des efforts pour couvrir 1’ aspect de capillarite de cette these et il sert comme une etape initiate avant le chapitre suivant sur l’evaporation.
Resume fran^ais :
Une etude experimentale a ete faite pour definir les caracteristiques de mouillage et de capillarite d'un nouveau type de mousse metallique de cuivre qui doit etre utilise comme une meche a caloducs plats pour le refroidissement electronique. Contrairement a d'autres mousses
metalliques, une micro structure comprenant des particules d'echelle microscopique et les grands chemins capillaires peuvent etre observes dans ce type de mousse metallique en cuivre. En ^aison de l'importance considerable des proprietes telles que la permeabilite capillaire (K) et le rayon de pore effectif (reg) pour definir la limite capillaire de caloducs, la methode de taux de montee de liquide base sur la masse mesuree est utilisee pour extraire ces parametres. Des mousses de porosites differentes (68% a 85%) ont ete entierement caracterises avec plusieurs fluides (eau, l'acetone et Tethanol). Le ratio KJreg trouve est pres de 5 fois plus grand que celui de la poudre de cuivre fritte, un materiau de meche commun dans les caloducs. L'impact de Tevaporation et des parois frittees sur une face ou sur les deux cotes de bandes de mousse a ete etudie dans l'air ambiant et partiellement sature. Le taux d'evaporation en cours de montee de liquide a ete mesure en soustrayant la masse de liquide stocke dans la mousse de la masse totale. II a ete constate que le taux d'evaporation pendant que le liquide est en monte est nettement plus faible que le taux d'evaporation d'un echantillon sature avec un liquide stationnaire. On a egalement observe que les murs de cuivre frittes n'a presque aucun effet sur la montee capillaire et sur le taux d'evaporation. En combinant les mesures effectuees avec de l'acetone et de l'eau, Tangle de contact interne de l'eau dans les mousses de cuivre traitees a l’hydrogene s'est avere plus faible que sur une plaque plate et varie de 10° a 37° en fonction de la porosite des mousses. Ce travail foumit done la premiere caracterisation de K, reg et Tangle de contact interne pour ces nouvelles mousses metalliques, mais precises egalement les conditions dans lesquelles des mesures de taux de montee de liquide devraient etre prises pour Textraction de parametres appropries.