Oberflächenspannung
und Oberflächenenergie
Die Bestimmung der Oberflächenspannung bzw. der Oberflächenenergie liefert wichtige Informationen über die Wechselwirkungen zwischen Materialien und Flüssigkeiten. Die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten wird mit dem Tensiometer bestimmt, die von Feststoffen und Pulvern, auch Oberflächenenergie genannt, durch Kontaktwinkelmessungen. Dabei wird der Randwinkel, den die Testflüssigkeiten auf der Oberfläche bilden, genau gemessen und daraus die Oberflächenenergie berechnet. Oberflächenspannung und Oberflächenenergie spielen eine wichtige Rolle bei Beschichtungen, Lackierungen, Verklebungen, Reibpaarungen und als indirektes Maß zur Beurteilung des Reinigungszustandes einer Oberfläche.
Wir bestimmen die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten sowie die Oberflächenenergie von Feststoffen und Pulvern als Dienstleistung.
Wozu dient die Bestimmung der Oberflächenspannung und der Oberflächenenergie?
- Untersuchung von Oberflächenbehandlungen
- Charakterisierung der Benetzbarkeit von Oberflächen
- Bewertung des Reinigungszustandes von Oberflächen
- Untersuchung von Klebeverbindungen und Beschichtungen
- Bestimmung der Polarität von Oberflächen
- 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 der unpolaren dispersen (physikalischen) Anteile der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten und von Feststoffen von Bedeutung. Nur das Verhältnis der flüssigen und fester Phase ähnlich zueinander sind, entstehen ausreichend hohe Verbindungskräfte. Dies ist bei Beschichtungen und Klebeverbindungen von Bedeutung. Des Weitern sind die polaren Anteile eines Feststoffes ein indirektes Maß zur Beurteilung des Reinigungszustandes einer Oberfläche.
Was bietet unser Steinbeis-Transferzentrum?
- Präzision und Zuverlässigkeit: Mit modernsten Messgeräten bestimmen wir präzise die Oberflächenspannung und liefern Ihnen zuverlässig verlässliche Daten über die Oberflächenspannung.
- Fachkundige Expertise: Die Messungen werden von qualifizierten Materialwissenschaftlern/innen durchgeführt, die Ihnen bei Fragen gerne zur Verfügung stehen.
- Kundenzentrierter Ansatz: Jeder Auftrag ist individuell, daher sind unsere Analysen auf die jeweiligen Anforderungen zugeschnitten.
Dienstleistungen
- Oberflächenspannung Flüssigkeiten
- Oberflächenenergie Feststoffe
- 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 einer Flüssigkeit entsteht durch Wechselwirkungen der Flüssigkeitsmoleküle. Die Moleküle im Inneren der Flüssigkeit stehen in Wechselwirkungen mit allen benachbarten Molekülen, die sich ausgleichen, so dass die resultierende Kraft Null ist. Bei den Molekülen an der Oberfläche der Flüssigkeit fehlt ein Teil der Wechselwirkung mit anderen Molekülen der Flüssigkeit. Es folgt eine nach innen resultierende Kraft auf das Molekül, die senkrecht zur Oberfläche gerichtet ist. Die Energie, die erforderlich ist, um die nach innen gerichtete Kraft zu überwinden, wird als Oberflächenspannung bezeichnet.
Bedeutung der Oberflächenspannung:
- Benetzungseigenschaften: Die Oberflächenspannung beeinflusst die Benetzungseigenschaften von Flüssigkeiten auf festen Oberflächen. Eine niedrige Oberflächenspannung führt zu einer guten Benetzung, während eine hohe Oberflächenspannung zu einer geringen Benetzung führen kann. 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.
- Beschichtungsmaterialien: 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 Feststoffen beeinflusst die Adhäsion von Flüssigkeiten oder anderen Feststoffen an der Oberfläche eines Materials. Ihre Größe bestimmt die Benetzbarkeit des Festkörpers durch flüssige Stoffe, z. B. Schmierstoffe, Lacke, Klebstoffe und die Adhäsionsneigung (Fresserneigung) von Bauteilen.
Bedeutung der Oberflächenenergie:
- Adhäsion und Benetzung: Die Oberflächenenergie beeinflusst die Benetzungseigenschaften von Flüssigkeiten auf festen Oberflächen. Eine niedrige Oberflächenenergie führt zu einer guten Benetzung, während eine hohe Oberflächenenergie zu einer geringen Benetzung führen kann.
- Kontrolle der 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. Durch gezielte Veränderungen der Oberflächenenergie können gewünschte Eigenschaften wie Hydrophilie oder Hydrophobie erreicht werden.
- 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 Oberflächenenergie von Pulver spielt in verschiedenen Bereichen eine wichtige Rolle:
- 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
Ein häufig in der Praxis eingesetztes Verfahren, um die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten zu bestimmen, ist die Wilhelmy-Plättchen-Methode. Diese 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 Flüssigkeitsdichte benötigt wird. 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 eine 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). Mit Hilfe 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.
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 Messung
Kontaktwinkelmessung
(Sessile drop method)
Die Oberflächenspannung eines Festkörpers wird indirekt durch eine Kontaktwinkelmessung bestimmt. Der Kontaktwinkel (Randwinkel, Benetzungswinkel) ist der Winkel, den eine Flüssigkeit mit einer Oberfläche ausbildet. 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 ermittelt werden.
Kapillarität messen
(Washburn method)
Die Washburn-Methode ist eine Technik, die in der Materialwissenschaft verwendet wird, um die Oberflächenenergie von Pulvern zu bestimmen. Sie wurde von Albert Francis Holden und Raymond Allen Washburn entwickelt und 1921 erstmals beschrieben. Die Methode beruht auf der Messung der Kapillarität eines Flüssigkeitstropfens. Die Washburn-Methode findet Anwendung in verschiedenen Bereichen wie der Porositätsbestimmung von Materialien.