Modell OCA 15
Kontaktwinkelmessgerät zur Bestimmung der Oberflächenenergie und -spannung
Mit einem Kontaktwinkelmessgerät wird der Kontaktwinkel zwischen einer Flüssigkeit und einer festen Oberfläche gemessen. Damit kann die Oberflächenenergie von Feststoffen präzise bestimmt werden. Der Kontaktwinkel ist der Winkel, den die Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche an der Berührungsstelle mit der festen Oberfläche bildet. Diese Messung ist wichtig, um das Benetzungsverhalten von Flüssigkeiten auf Oberflächen zu charakterisieren. Durch Kontaktwinkelmessungen mit verschiedenen Testflüssigkeiten können der polare (chemische) und der disperse (physikalische) Anteil der Oberflächenspannung bestimmt werden.
Hier sind einige Anwendungen und Gründe, warum Kontaktwinkelmessgeräte verwendet werden:
- 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.
In der Praxis werden oftmals als Schnelltests die Oberflächenspannung von Feststoffen mit Testtinten bestimmt. Dies ist aber nur ein sehr grobes Verfahren, welches auch keine Unterteilung der Oberflächenenergie in polare und disperse Anteile ermöglicht.
Oberflächenenergie Festkörper
- Kontaktwinkelmessung (Sessile-Drop-Methode): ISO 19403-1, -2, -5
Oberflächenspannung Flüssigkeit
- Messung des hängenden Tropfens (Pendant-Drop-Methode): ISO 19403-1, -3, -4
Grenzflächenspannung Flüssigkeit/Flüssigkeit
- Messung des hängenden Tropfens (Pendant-Drop-Methode): ISO 9101
Beispiel
- Tropfenkonturanalyse und Kontaktwinkel θ
Spezifikation Kontaktwinkelmessung
- Tropfengröße: 2 bis 6 µl
- Kontaktwinkel: 0 – 180° (Genauigkeit: 0.1°)
- Oberflächenenergie: 0.01 – 2000 mN/m
Kontaktwinkelmessung
(sessile drop)
Die Oberflächenenergie, d.h. die Oberflächenenergie eines Feststoffes, ist eine im Bauteil gespeicherte Energie. Ihre Größe bestimmt die Benetzbarkeit des Festkörpers durch flüssige Stoffe, z. B. Schmierstoffe, Lacke, Klebstoffe und die Adhäsionsneigung (Fresserneigung) von Bauteilen. Diese wird indirekt durch die Messung des Kontaktwinkels bestimmt, 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.
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 Bedeutung. Die polaren Anteile sind unter anderem ein Maß für den Reinigungszustand einer Oberfläche. Indem die Kontaktwinkel von drei verschiedenen Testflüssigkeiten im Kontakt mit der Oberfläche bestimmt werden können auch die polaren (chemischen) und die dispersen (physikalischen) Anteile der Oberflächenenergie bestimmt werden. 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.
Messung des hängenden Tropfens
(pendant drop)
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.
Durch die Pendant-Drop-Methode kann auch die Grenzflächenspannung zwischen zwei Flüssigkeiten zu bestimmt werden, indem die eine in eine andere Flüssigkeit dosiert wird. 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.
Dosiert man einen Tropfen in eine disperse Testflüssigkeit lassen sich die und polaren (chemischen) und dispersen (physikalischen) Anteile einer Flüssigkeit getrennt bestimmen. 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.