Tensiometer Dataphysics DCAT8

Die Bestimmung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten dient dazu, das Benetzungs-, Adhäsions- und Grenzflächenverhalten von Flüssigkeiten zu charakterisieren und zu bewerten. Sie ist ein wichtiger Parameter zur Beurteilung, wie sich Flüssigkeiten auf Oberflächen verteilen, mit anderen Stoffen wechselwirken oder Tropfen bilden. Dies ist insbesondere relevant für die Optimierung von Prozessen und Produkten in Bereichen wie Beschichtungen, Drucktechnologien, Reinigungsmitteln, Lacken oder Emulsionen. Zudem wird die Bestimmung der Oberflächenspannung in der Qualitätskontrolle eingesetzt, um die Zusammensetzung und konstante Eigenschaften von Flüssigkeiten zu überprüfen sowie Prozesse wie Benetzung, Dispersion und Haftung gezielt zu verbessern.

Die Oberflächenspannung entsteht durch Wechselwirkungen der Flüssigkeitsmoleküle. Die Moleküle im Inneren der Flüssigkeit stehen in Wechselwirkungen mit allen benachbarten Molekülen, die sich dann ausgleichen, sodass die resultierende Kraft Null ist. Bei den Molekülen an der Oberfläche der Flüssigkeit fehlt ein Teil der Wechselwirkung mit anderen Molekülen der Flüssigkeit. Deshalb entsteht daraus eine nach innen resultierende Kraft auf die Moleküle, welche senkrecht zur Oberfläche gerichtet ist. Die Energie, die erforderlich ist, die nach innen gerichtete Kraft zu überwinden, wird als Oberflächenspannung bezeichnet. Die Grenzflächenspannung bezeichnet Kräfte, die in der Grenze zwischen zwei verschiedenen Phasen auftreten, die miteinander in Kontakt stehen. Sie bilden eine gemeinsame Grenzfläche, die unter Grenzflächenspannung steht, z.B. Wasser und Öl. Umgangssprachlich wird die Grenzflächenspannung eines Feststoffes und der Luft als Oberflächenenergie bezeichnet. Dies bestimmt das Benetzungsvehalten und wird indirekt mit einem Kontaktwinkelmessgerät bestimmt. Genau genommen handelt es sich bei den Oberflächen- und Grenzflächenspannungen nicht um Spannungen, sondern um spezifische Energien, (Nm/m² = N/m), die erforderlich sind, um eine Grenzfläche zu vergrößern.

• Oberflächenspannung Flüssigkeit
  • Wilhelmy Plättchen Methode (EN 14370)
  • Ringmethode von Lecomte de Noüy (EN 14210, EN 14370, ISO 6889, ISO 304, ISO 1409)

• Oberflächenenergie Pulver
  • Washburn Methode

• Dichtebestimmung
  • Flüssigkeit
  • Feststoff (max. 14 x 8 x 8 mm³)
  • Pulver

• Messbereich: 1 … 2000 mN/m
• Genauigkeit: ± 0,01 mN/m
• Temperaturbereich: -15°C bis +135°C
• Messwertrate: bis zu 10 Wägewerte/s
• Wägebereich: 100 μg … 220 g

Wilhelmy-Plättchen-Methode

Ein häufig in der Praxis eingesetztes Verfahren zur Bestimmung von Oberspannung ist die Wilhelmy-Plättchen-Methode. Dabei handelt es sich um eine Oberflächenspannung von Flüssigkeiten erfolgt mit einem sogenannten Tensiometer. Die Messung mit mit der Wilhelmy-Plättchen-Methode ist eine robuste und hat die Vorteile, dass die keinen Korrekturfaktor und keine Kenntnis der Flüssigkeitsdichte benötigt. Zur Bestimmung der Oberflächenspannung wird ein angerautes Platin-Iridium-Plättchen als Probenkörper in die Flüssigkeit abgesenkt und anschließend mit konstanter Geschwindigkeit hochgezogen. Währenddessen erfasst ein sehr empfindlicher Sensor die Kraft und aus dem Maximalwert, bei der die Flüssigkeit noch nicht abreißt (Abreißmethode) wird schließlich die Oberflächenspannung der Flüssigkeit berechnet.

Ringmethode von Lecomte de Noüy

Zur Bestimmung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten nach der Ringmethode wird bei einem Tensiometer ein Drahtring aus Platin-Iridium mit bekannter Geometrie in eine Flüssigkeit getaucht und anschließend herausgezogen. Beim Herausziehen des Ringes wird ein Teil der Flüssigkeit mit hochgezogen. Die Kraft, die zum Hochziehen der Flüssigkeitsmasse erforderlich ist, steigt mit zunehmender Auszugshöhe an. Diese erreicht ein Maximum und nimmt kurz vor dem Abreißen des Flüssigkeitsringes wieder ab (Abreißmethode). Mithilfe der gemessenen Kraft und der benetzten Länge des Ringes wird aus der max. Kraft und der Geometrie des Ringes die Oberflächenspannung der Flüssigkeit berechnet. Bei dieser Methode wird ein Korrekturfaktor benötigt, der die Kraft durch Flüssigkeitsvolumen direkt unterhalb des Ringes berücksichtigt, sowie die Kenntnis der Flüssigkeitsdichte. Diese Methode wird tendenziell bei sehr kleinen Oberflächenspannungen eingesetzt.

Washburn-Methode

Bei der Washburn-Methode handelt es sich um ein experimentelles Verfahren zur Bestimmung des Kontaktwinkels und der freien Oberflächenenergie poröser Materialien, insbesondere von Pulvern. Sie basiert auf dem kapillaren Aufstieg einer Flüssigkeit in einem porösen Medium. Dabei wirken die Hohlräume zwischen den Pulverpartikeln wie feine Kapillaren, in denen eine Flüssigkeit – abhängig von ihrer Benetzbarkeit – aufsteigt. Der Flüssigkeitsaufstieg erfolgt, bis sich die kapillare Adhäsionskraft (Kapillardruck) und die Gewichtskraft der angehobenen Flüssigkeit im Gleichgewicht befinden. Aus dem zeitlichen Verlauf des Flüssigkeitsaufstiegs lassen sich der Kontaktwinkel sowie Rückschlüsse auf die Oberflächeneigenschaften des Materials ziehen.

Die Dichtemessungen von Flüssigkeiten, Feststoffen und Pulvern erfolgen mit einem Tensiometer durch Ausnutzung des archimedischen Prinzips. Durch Wägung eines vollständig in eine Flüssigkeit eingetauchten Testkörpers mit bekannter Masse und Volumen wird die Flüssigkeitsdichte bestimmt. Zur Bestimmung der Dichten von Feststoffen und Pulvern wird ein Feststoff oder ein Pulver in einem Halter in eine Flüssigkeit mit bekannter Dichte hineingetaucht und über die Messung der Gewichtskraft die Dichte bestimmt.