Oberflächenspannung messen
Die Bestimmung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten erfolgt in der Praxis überwiegend nach der Wilhelmy-Plättchen-Methode mit einem Tensiometer. Die Oberflächenspannung von Festkörpern, auch als Oberflächenenergie bezeichnet, wird über eine sogenannte Kontaktwinkelmessung bestimmt.
Im Steinbeis-Transferzentrum bieten wir die Messung der Oberflächenspannungen von Flüssigkeiten und von Festkörpern als Dienstleistung an
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.
Bedeutung
Die Benetzbarkeit von Festkörpern ist eine wichtige Kenngröße, um die Intensität des Phasenkontakts zwischen flüssigen und festen Stoffen zu bestimmen. Diese spielt in vielen technischen Anwendungen eine Rolle,
- Keine industrielle Lackierung wie zum Beispiel auf Kunststoffbauteilen für Automobile wäre denkbar, ohne dass die Oberfläche in ihrer Benutzbarkeit optimiert worden ist.
- Technische Verklebungen, wie sie beispielsweise im Automobilbau vorkommen, müssen eine definierte Mindestklebekraft aufweisen. Viele Lackier- und Klebeprozesse funktionieren nur, wenn die Oberfläche eine Mindest-Oberflächenenergie hat.
- Die Neigung von Werkstoffen zur Adhäsion und somit zum Fressen ist proportional zur Benetzbarkeit bzw. der Oberflächenenergie.
Anwendungsbeispiele
- Untersuchung von Oberflächenbehandlungen
- Charakterisierung der Benetzbarkeit von Oberflächen
- Bewertung des Reinigungszustandes von Oberflächen
- Untersuchung von Klebeverbindungen und Beschichtungen
- Bestimmung der Polarität von Oberflächen
Methoden
Oberflächenenergie Festkörper
- Kontaktwinkelmessung (Sessile-Drop-Methode)
- Statischer Kontaktwinkel, Fortschreitwinkel, Rückzugswinkel
Oberflächenspannung Flüssigkeit
- Wilhelmy-Plättchen-Methode
- Pendant-Drop-Methode
- Ringmethode von Lecomte de Noüy
Grenzflächenspannung Flüssigkeit
- Pendant-Drop-Methode
Gerne erstellen wir Ihnen ein Angebot für die Messung der Oberflächenspannung und der Oberflächenenergie.
Oberflächenspannung Festkörper
Die Oberflächenspannung bzw. Oberflächenenergie von Festkörpern wird durch eine Kontaktwinkelmessung als indirektes Verfahren bestimmt. Der Kontaktwinkel bzw. Randwinkel bzw. Benetzungswinkel, welcher eine Flüssigkeit mit einer Oberfläche ausbildet und ist ein indirektes Maß für die Benetzbarkeit. Bei dieser Methode wird der sich auf der Festkörperoberfläche ausbreitende Flüssigkeitstropfen durch eine Tropfenkonturanalyse vermessen. Dieser wird fein dosiert aufgebracht und anschließend mit über eine Kamera der Kontaktwinkel gemessen. Indem die Kontaktwinkel von drei verschiedenen Testflüssigkeiten im Kontakt mit der Oberfläche bestimmt werden lässt sich auch die Zusammensetzung der Oberflächenenergie bestimmen. Diese teilt sich in einen unpolaren dispersen (physikalischen) und einen polaren (chemischen) Anteil auf. Daraus können Handlungsmaßnahmen zur Veränderung der Benetzbarkeit einer Oberfläche abgeleitet werden.
Kontaktwinkelmessgerät
Mit Hilfe mehrerer Testflüssigkeiten wird dann die Oberflächenenergie als Maß für die Benetzbarkeit bestimmt und diese in einen polaren und unpolaren Anteile unterschieden. Der polare Anteil hat seine Ursache in der Dipol-Dipol-Wechselwirkung und den Wasserstoffbrückenbindungen. Der unpolare disperse Anteil hat seine Ursache in der van der Waals-Wechselwirkung. Da die Grenzflächen- und die Oberflächenspannungen auf Kräften zwischen Atomen oder Molekülen beruhen, kann es sinnvoll sein, die Polarität zu berücksichtigen.
Grenzflächenspannung Flüssigkeiten
Durch die Pendant-Drop-Methode kann mit einem Kontaktwinkelmessgerät die Grenzflächenspannung zwischen zwei Flüssigkeiten zu bestimmt werden. 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.
Oberflächenspannung Flüssigkeit
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.
Tensiometer
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.
Hängender Tropfen Methode (pendant drop method)
Die Methode des hängenden Tropfens (pendant drop) dient zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten. 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.