Oberflächenspannung
Wir bestimmen die Oberflächenspannungen von Feststoffen und Flüssigkeiten als Dienstleistung im Steinbeis-Transferzentrum. Dazu gehört auch die Ermittlung der einzelnen Bestandteile der Oberflächenenergie, d.h. der polaren und dispersen Anteile. Des weiteren messen wir auch Grenzflächenspannungen zwischen zwei Flüssigkeiten in unserem Labor.
Die Oberflächenspannung spielt eine wichtige Rolle für Beschichtungen, Klebeverbindungen und für geschmierte Tribosysteme. Dabei ist das Verhältnis der Oberflächenspannung des Feststoffes (=Oberflächenenergie) und der Oberflächenspannung der Flüssigkeit wichtig. Des Weiteren bestimmt das Verhältnis der polaren und disperse Anteile der Oberflächenenergie des Feststoffes und der Oberflächenspannung der Flüssigkeit von entscheidender Bedeutung für die die Haftung der beiden Phasen (fest, flüssig).
Analysen
- Oberflächenenergie Feststoff
- Oberflächenspannung Flüssigkeit
- Grenzflächenspannung Flüssigkeit/Flüssigkeit
Methoden
- Kontaktwinkelmessung (Sessile-Drop-Methode)
- Wilhelmy-Plättchen-Methode
- Ringmethode von Lecomte de Noüy
- Messung des hängenden Tropfens (Pendant-Drop-Methode)
Einsatzgebiete
- Untersuchung von Oberflächenbehandlungen
- Charakterisierung der Benetzbarkeit von Oberflächen
- Bewertung des Reinigungszustandes von Oberflächen
- Untersuchung von Klebeverbindungen und Beschichtungen
- Bestimmung der Polarität von Oberflächen
Gerne erstellen wir Ihnen ein Angebot für die Messung der Oberflächenspannung.
Oberflächenenergie Feststoff
Die Benetzbarkeit von Feststoffen ist eine wichtige Kenngröße, um Verbindung zwischen festen und flüssigen Stoffen zu bestimmen. Diese spielt in vielen technischen Anwendungen eine Rolle.
- Optimierung der Benetzbarkeit von Bauteilen für Lackierungen, wie zum Beispiel auf Kunststoffbauteilen für Automobile.
- Technische Verklebungen müssen eine definierte Mindestklebekraft aufweisen und funktionieren nur, wenn die Oberfläche eine bestimmte Oberflächenenergie aufweist.
- Die Neigung von Bauteilen zur Adhäsion und somit zum Fressen ist proportional zur Oberflächenenergie der Bauteile.
Kontaktwinkelmessung
Die Oberflächenenergie von Feststoffen wird indirekt durch eine Kontaktwinkelmessung bestimmt. Der Kontaktwinkel (Randwinkel, Benetzungswinkel), welcher eine Flüssigkeit mit einer Oberfläche ausbildet und ist Maß für die Benetzbarkeit einer Festkörperoberfläche. Diese spielt eine wichtige Rolle beim Beschichten, bei Klebeverbindungen und für die Sicherstellung der Schmierung von geschmierten Systemen. Bei dieser Methode der Kontaktwinkelmessung wird ein Flüssigkeitstropfen auf die Bauteiloberfläche fein dosiert aufgebracht und anschließend mit einer Kamera der sich ausbildende Kontaktwinkel gemessen. Indem die Kontaktwinkel von drei verschiedenen Testflüssigkeiten im Kontakt mit der Oberfläche bestimmt werden lassen sich die polaren (chemischen) Anteile und die unpolaren dispersen (physikalischen) Anteile bestimmen.
Oberflächenspannung Flüssigkeit
Die Oberflächenspannung 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 die nach innen gerichtet ist zu überwinden, wird als Oberflächenspannung bezeichnet.
Wilhelmy-Plättchen-Methode
Ein häufig in der Praxis eingesetztes Verfahren zur Bestimmung der Oberspannung von Flüssigkeiten ist die Wilhelmy-Plättchen-Methode. Dabei handelt es sich um einen 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 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.
Grenzflächenspannung Flüssigkeit/Flüssigkeit
Messung des hängenden Tropfens (Pendant drop method)
Mit Hilfe eines manuellen oder elektronischen Spritzenmoduls wird ein Tropfen aus einer Nadel dosiert. 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.