Modell OCA 15
Kontaktwinkelmessgerät zur Bestimmung der Oberflächenenergie
Mit dem optischen Kontaktwinkelmessgerät wird die Oberflächenenergie von Festkörpern durch eine Kontaktwinkelmessung bestimmt. Dabei wird der Kontaktwinkel (Randwinkel) eines auf eine Oberfläche aufgebrachten Flüssigkeitstropfens bestimmt (sessile drop method). Als Steinbeis-Transferzentrum bieten wir diese Art der Bestimmung der Oberflächenenergie als Dienstleistung an. Die Oberflächenenergie spielt eine wichtige Rolle zur Bewertung von Oberflächen in Zusammenhang mit Klebeverbindungen, Lackierungen, Beschichtungen, Reinigungsmittel und für geschmierte Tribosysteme.
Mit dem Kontaktwinkelmessgerät kann auch die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten bestimmt werden. Dazu wird mittels lichtoptischer Vermessung die Kontur des an einer Kanüle hängenden Tropfens bestimmt (pendant drop method). Häufiger werden aber in der Praxis die Oberflächenspannung mit der Wilhemy-Plättchen-Methode mit einem Tensiometer bestimmt.
Oberflächenenergie Festkörper
- Kontaktwinkelmessung (Sessile-Drop-Methode)
- Statischer Kontaktwinkel, Fortschreitwinkel, Rückzugswinkel
Oberflächenspannung Flüssigkeiten
- Pendant-Drop-Methode
Normen
- DIN EN 828
- DIN EN ISO 19403
Beispiel
- Tropfenkonturanalyse und Kontaktwinkel θ
Testflüssigkeiten Kontaktwinkelmessung
- Destilliertes Wasser
- Ethylenglycol
- Diiodmethan
Spezifikation Kontaktwinkelmessung
- Tropfengröße: 2 bis 6 µl
- Kontaktwinkel: 0 – 180° (Genauigkeit: 0.1°)
- Oberflächenenergie: 0.01 – 2000 mN/m
Kontaktwinkelmessng
(sessile drop methode)
Die Oberflächenenergie von Festkörpern wird indirekt durch eine Kontaktwinkelmessung bestimmt. Diese Methode liefert mehr Informationen als die Methode der Testtinte, die nur für Schnelltests geeignet ist. Der Kontaktwinkel wird auch als Randwinkel oder Benetzungswinkel bezeichnet und ist ein Maß für das Benetzungsverhalten. Dazu 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 mit drei verschiedenen Testflüssigkeiten im Kontakt mit der Oberfläche bestimmt werden können auch die dispersen (physikalischen) und polaren (chemischen) Anteile der Oberflächenenergie bestimmt werden. Das Verhältnis dieser Anteile zu den der Flüssigkeit bestimmten das Systemverhalten.
Mit Hilfe mehrerer Testflüssigkeiten wird die Oberflächenenergie als Maß für die Benetzbarkeit bestimmt sowie die Zusammensetzung dieser bzgl. der polaren und unpolaren Anteile. Der polare (chemische) Anteil hat seine Ursache in der Dipol-Dipol-Wechselwirkung und den Wasserstoffbrückenbindungen. Der unpolare disperse (physikalische) Anteil hat seine Ursache in der van der Waals-Wechselwirkung. Durch die Kenntnis der Zusammensetzung der Oberflächenenergie können Handlungsmaßnahmen abgeleitet werden.
Methode des hängenden Tropfens
(pendant drop methdod)
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.
Oberflächen und Benetzbarkeit
Die Benetzbarkeit von Oberflächen mit Flüssigkeiten bzw. Klebstoffen hat viele technische Auswirkungen. 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 Benetzbarkeit von Oberflächen wird durch verschiedene Größen bestimmt:
- Die molekulare Wechselwirkung zwischen Flüssigkeit und Festkörper entscheidet darüber, ob sich eine Flüssigkeit auf einer Oberfläche ausbreitet oder einen Tropfen bildet.
- Ergänzend zu den molekularen Wechselwirkungen spielt auch die Oberflächenrauheit eine Rolle. Ein bekanntes Beispiel dafür ist der sogenannte Lotus-Effekt, bei dem eine wasserabstoßende Oberfläche gepaart mit einer gewissen Rauheit dafür sorgt, dass Wassertropfen praktisch wie Kugeln abrollen.
- Beim Langzeitverhalten der Benetzbarkeit wie beispielsweise bei Kunststoffen, die direkt nach einer Modifikation der Oberfläche sehr benetzbar sind, kann nach einiger Zeit der Effekt wieder abnehmen. Um dieses Verhalten bewerten zu können, müssen die Oberflächenenergien über einen längeren Zeitraum beobachtet werden.