Oberflächenspannung messen
Das Messen der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten und der Oberflächenenergie von Festkörpern dient der Untersuchung des Benetzungsverhaltens von Flüssigkeiten auf festen Oberflächen (z.B. für Beschichtungen oder Lacke). Die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten wird mit dem Tensiometer bestimmt, die Oberflächenenergie von Festkörpern und Pulvern durch Kontaktwinkelmessungen. Oberflächenspannung und Oberflächenenergie spielen eine wichtige Rolle bei Beschichtungen, Lackierungen, Verklebungen und Reibpaarungen.
Wir bestimmen die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten sowie die Oberflächenenergie von Feststoffen und Pulvern als Dienstleistung.
Wozu dient die Bestimmung der Oberflächenspannung und der Oberflächenenergie?
- Analyse des Benetzungsverhaltens von Flüssigkeiten auf festen Oberflächen (z.B. für Beschichtungen oder Lacke)
- Charakterisierung der Benetzbarkeit von Oberflächen
- Beurteilung des Reinigungszustandes von Oberflächen
- Verbesserung der Adhäsion und Haftung von Materialien.
- Optimierung von Materialeigenschaften (z. B. bei Klebstoffen, Lacken und Schmiermitteln)
- Qualität von Oberflächenbehandlungen (z.B. Reinigung oder Aktivierung) zu überprüfen
- Bestimmung der Polarität von Materialien und Flüssigkeiten
- Agglomeration und Dispergierung von Pulvern
Polarität
Da die Oberflächenspannung auf Kräften zwischen Atomen oder Molekülen beruht, ist auch die Bestimmung der Polarität, d.h. der polaren (chemischen) und unpolaren dispersen (physikalischen) Anteile der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten und Festkörpern von Bedeutung. Nur wenn die Verhältnisse von flüssiger und fester Phase ähnlich sind, treten ausreichend hohe Bindungskräfte auf. Dies ist bei Beschichtungen und Klebeverbindungen von Bedeutung. Darüber hinaus sind die polaren Anteile eines Feststoffes ein indirektes Maß zur Beurteilung des Reinigungszustandes einer Oberfläche.
Dienstleistungen
- Oberflächenspannung Flüssigkeiten
- Oberflächenenergie Festkörper
- Oberflächenenergie Pulver
- Disperse und polare Anteile
Messmethoden
- Wilhelmy-Plättchen-Methode
- Ringmethode von Lecomte de Noüy
- Kontaktwinkelmessung (Sessile drop method)
- Messung des hängenden Tropfens (Pendant drop methode)
-
Washburn Methode
Gerne erstellen wir Ihnen ein Angebot für die Bestimmung der Oberflächenspannung oder Oberflächenenergie.
Oberflächenspannung Flüssigkeit
Die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten beschreibt die Kohäsionskräfte zwischen den Molekülen an der Oberfläche. Die Moleküle im Inneren der Flüssigkeit stehen in Wechselwirkung mit allen benachbarten Molekülen, die sich gegenseitig aufheben, so dass die resultierende Kraft Null ist. Für die Moleküle an der Oberfläche der Flüssigkeit fehlt ein Teil der Wechselwirkung mit anderen Molekülen der Flüssigkeit. Es entsteht eine nach innen gerichtete resultierende Kraft auf das Molekül, die senkrecht zur Oberfläche gerichtet ist. Die Energie, die benötigt wird, um diese nach innen gerichtete Kraft zu überwinden, wird als Oberflächenspannung bezeichnet.
Bedeutung der Oberflächenspannung:
- Benetzungseigenschaften: Die Oberflächenspannung beeinflusst die Benetzungseigenschaften von Flüssigkeiten auf festen Oberflächen. Dies ist wichtig für Beschichtungen und Klebeverbindungen.
- Stabilität von Emulsionen: Die Oberflächenspannung beeinflusst die Stabilität von Emulsionen (dispersen Systemen von zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten). Eine niedrige Oberflächenspannung erleichtert die Bildung stabiler Emulsionen.
- Tropfenbildung: In Anwendungen wie der Tinten- und Farbstoffherstellung sowie in der Lebensmittelindustrie ist die Oberflächenspannung entscheidend für die Bildung von Tropfen und die Kontrolle ihrer Größe.
- Beschichtungen: Bei der Entwicklung von Beschichtungsmaterialien für Oberflächen ist die Oberflächenenergie ein wichtiger Parameter. Sie beeinflusst, wie sich eine Beschichtung auf einer Oberfläche verteilt und verhält.
- Sauberkeitszustand Oberflächen: Die Oberflächenenergie dient als indirektes Maß zur Bewertung von Reinigungsprozessen.
Oberflächenenergie Feststoff
Die Oberflächenenergie von Festkörpern bestimmt deren Wechselwirkung mit Flüssigkeiten und anderen Stoffen. Ihre Größe bestimmt die Benetzbarkeit des Festkörpers durch flüssige Stoffe, z. B. Schmierstoffe, Lacke, Beschichtungen, Klebstoffe, und die Adhäsionsneigung (Fressneigung) von Bauteilen.
Bedeutung der Oberflächenenergie:
- Adhäsion und Benetzung: Die Oberflächenenergie beeinflusst die Benetzungseigenschaften von Flüssigkeiten auf festen Oberflächen.
- Benetzungseigenschaften: In vielen Anwendungen, einschließlich Drucktechnologien, Lacken, Farben und Beschichtungen, ist die Oberflächenenergie ein entscheidender Parameter für die Kontrolle und Optimierung der Benetzungseigenschaften.
- Oberflächenmodifikation: Die Messung der Oberflächenenergie ist wichtig bei der Entwicklung und Optimierung von Verfahren zur Modifikation von Festkörperoberflächen.
- Qualitätskontrolle: In der Produktion von Materialien und Produkten, bei denen Oberflächeneigenschaften von Bedeutung sind, ist die Messung der Oberflächenenergie ein wichtiges Werkzeug für die Qualitätskontrolle.
- Optimierung von Tribologie: In der Tribologie, der Wissenschaft von Reibung, Verschleiß und Schmierung, spielt die Oberflächenenergie eine Rolle bei der Optimierung von Reibungseigenschaften.
Oberflächenenergie Pulver
Die Oberflächenspannung von Pulvern beeinflusst deren Verhalten in Flüssigkeiten und bei der Verarbeitung.
- Herstellung von Pulvern: Die Oberflächenenergie beeinflusst die Agglomeration und Dispergierung von Pulvern während des Herstellungsprozesses. Eine niedrige Oberflächenenergie kann dazu führen, dass Pulverpartikel leichter zusammenklumpen oder verklumpen, während eine höhere Oberflächenenergie die Dispergierung erleichtert.
- Stabilität von Pulverdispersionen: In Dispersionen spielen die Oberflächenenergie und die damit verbundene Benetzung eine entscheidende Rolle bei der Stabilität. Eine niedrige Oberflächenenergie kann zu Agglomeration und Sedimentation führen, während eine angemessene Benetzung und Dispergierung eine stabile Suspension gewährleisten können.
- Verarbeitung von Pulvern: Die Oberflächenenergie beeinflusst die Haftung und das Fließverhalten von Pulvern während der Verarbeitung. Zum Beispiel kann eine niedrige Oberflächenenergie das Fließverhalten verbessern und die Haftung an den Verarbeitungsgeräten verringern.
- Katalyse: In katalytischen Anwendungen spielen die Oberflächeneigenschaften von Pulvern eine wichtige Rolle bei der Adsorption von Molekülen und der Reaktionsgeschwindigkeit. Eine hohe Oberflächenenergie kann die Reaktivität erhöhen und die Effizienz von Katalysatoren verbessern.
Oberflächenspannung bestimmen
Wilhelmy-Plättchen-Methode
Eine in der Praxis häufig angewandte Methode zur Bestimmung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten ist die Wilhelmy-Plättchen-Methode. Sie wird mit einem Tensiometer durchgeführt. Die Messung mit der Wilhelmy-Plättchen-Methode ist eine robuste Methode und hat den Vorteil, dass kein Korrekturfaktor und keine Kenntnis der Dichte der Flüssigkeit erforderlich sind. Zur Bestimmung der Oberflächenspannung wird ein aufgerautes Platin-Iridium-Plättchen als Probenkörper in die Flüssigkeit gesenkt und anschließend mit konstanter Geschwindigkeit hochgezogen. Währenddessen misst ein sehr empfindlicher Sensor die Kraft und aus dem Maximalwert, bei dem 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 in einem Tensiometer ein Platin-Iridium-Drahtring bekannter Geometrie in eine Flüssigkeit eingetaucht und wieder herausgezogen. Beim Herausziehen wird ein Teil der Flüssigkeit mitgerissen. Die Kraft, die erforderlich ist, um die Flüssigkeitsmasse nach oben zu ziehen, steigt mit zunehmender Auszugshöhe. Sie erreicht ein Maximum und fällt kurz vor dem Abreißen des Flüssigkeitsringes wieder ab (Abreißmethode). Mit Hilfe der gemessenen Kraft und der benetzten Länge des Rings wird aus der maximalen Kraft und der Geometrie des Rings die Oberflächenspannung der Flüssigkeit berechnet. Diese Methode erfordert einen Korrekturfaktor, der die Kraft durch das Flüssigkeitsvolumen direkt unter dem Ring berücksichtigt, sowie die Kenntnis der Flüssigkeitsdichte. Diese Methode wird in der Regel für sehr kleine Oberflächenspannungen verwendet.
Messung des hängenden Tropfens
(Pendant drop method)
Die Bestimmung der Grenzflächenspannung zwischen zwei Flüssigkeiten erfolgt dadurch, dass mit Hilfe eines manuellen oder elektronischen Spritzenmoduls ein Tropfen aus einer Nadel in eine andere Flüssigkeit dosiert wird. Der Tropfen bildet sich am unteren Ende der Dosiernadel und dieser sollte möglichst groß sein. Damit kann man nun verschiedene Größen bestimmen:
- Grenzflächenspannung zwischen zwei Flüssigkeiten, in dem ein Tropfen in eine andere dosiert wird.
- Oberflächenspannung in Luft, indem der hängende Tropfen in Luft vermessen wird.
- Polare und disperse Anteile der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit, indem diese in eine dispersen Testflüssigkeit dosiert wird.
Oberflächenenergie messen
Kontaktwinkelmessung
(Sessile drop method)
Die Oberflächenspannung eines Festkörpers wird indirekt durch die Messung des Kontaktwinkels bestimmt. Der Kontaktwinkel (Randwinkel, Benetzungswinkel) ist der Winkel, den eine Flüssigkeit mit einer Oberfläche bildet. Bei dieser Methode wird ein Flüssigkeitstropfen fein dosiert auf die Bauteiloberfläche aufgebracht und anschließend der sich ausbildende Kontaktwinkel mit einer Kamera bestimmt. Durch die Bestimmung der Kontaktwinkel von drei verschiedenen Testflüssigkeiten im Kontakt mit der Oberfläche können die polaren (chemischen) Anteile und die unpolaren dispersen (physikalischen) Anteile bestimmt werden.
Kapillarität messen
(Washburn method)
Die Washburn-Methode ist eine in der Materialwissenschaft angewandte Technik zur Bestimmung der Oberflächenenergie von Pulvern. Sie wurde von Albert Francis Holden und Raymond Allen Washburn entwickelt und erstmals 1921 beschrieben. Die Methode beruht auf der Messung der Kapillarität eines Flüssigkeitstropfens. Die Washburn-Methode findet in verschiedenen Bereichen Anwendung, z. B. zur Bestimmung der Porosität von Materialien.