Contact angle measurement in practice (4): Measuring with method – but with which one?
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KRUSSTechnical NotePraxis der Kontaktwinkelmessung (4) Technical Note: TN314d Industry section: alle Author: FT Method: Keywords: [^J methods, contact angle, sessile drop Drop Shape Analyzer -DSA100 Messen mit Methode - aber mit welcher? Für die computergestützte Tropfenkonturanalyse werden mathematische Modelle verwendet, welche die optisch ermittelte Kontur beschreiben. Die DSA-Software von KRÜSS stellt dafür verschiedene Methoden mit unterschiedlichen An-wendungs- und Gültigkeitsbereichen bereit. Dieser vierte Teil zur Praxis der Kontaktwinkelmessung bietet einen Überblick über die Methoden und gibt Kriterien zur Auswahl des geeigneten Verfahrens an die Hand. Die Benutzer der historischen Goniometer für Kontaktwinkel kannten noch keine Qual der Methodenwahl: Mit Hilfe einer skalierten Drehscheibe wurde von Hand eine Tangente an die Tropfenkontur angelegt. Heute übernehmen Kamera und Software die optische Auswertung, was einerseits einen großen Schritt in Richtung Auflösungsvermögen und Reproduzierbarkeit bedeutet, anderseits aber mehr Know-how vom Anwender verlangt. Wahl des Tropfentyps Vor der eigentlichen Konturanalyse wird in der DSA-Software der Tropfentyp ausgewählt, der die Anordnung von Probe und Tropfen im Bild beschreibt. Der zu wählende Typ ergibt sich daher zwangsläufig aus der verwendeten Messanordnung. Sessile Drop Der Sessile Drop („Liegender Tropfen") ist die Standardanordnung für die Kontaktwinkelmessung. Ein auf der Festkörperoberfläche liegender Tropfen bildet mit dieser am Phasenkontaktpunkt einen charakteristischen Kontaktwinkel aus. Abb. 1: Sessile Drop: Ein Tropfen liegt auf der Festkörperprobe Captive Bubble Bei hochenerg etischen Proben steht d er Anwend er vor dem Problem, dass mit jeder Flüssigkeit ein sehr kleiner, kaum messbarer Kontaktwinkel ausgebildet wird. Auch kommt es vor, dass die Probe nur untersucht werden kann, während sie in Flüssigkeit eingetaucht ist - zum Beispiel weiche Kontaktlinsen. Für solche Fälle ist die Captive-Bubble-Methode die klassische Anwendung: Statt eines Tropfens wird eine Luftblase unterhalb einer festen Probe dosiert, die sich in einer flüssigen Phase befindet. KRÜSS GmbH | Borsteler Chaussee 85 | 22453 Hamburg | Germany | www.kruss.de

Der innerhalb der Blasenkontur gemessene Winkel ist noch nicht der gesuchte Kontaktwinkel zwischen Festkörper und Flüssigkeit. Dieser resultiert aus der Differenz zwischen 180° und dem Blasenwinkel. Die DSAProgramme führen diesen Rechenschritt automatisch durch. Abb. 4 Konturanalyse auf ebener und auf gekrümmter Probenoberfläche Für die Analyse der Tropfenkontur stehen mehrere Modelle zur Auswahl. Modelle für die Konturanalyse Abb. 2: Captive Bubble: eine Luftblase sitzt unterhalb der Festkörperprobe Pendant Drop Der Pendant Drop („Hängender Tropfen“) wird nicht für Kontaktwinkelmessungen...

Kegelschnittmethode Bei diesem Modell wird von einem ellipsenförmigen Konturverlauf ausgegangen. Die Kegelschnittmethode oder auch Tangentenmethode 1 fittet eine allgemeine Kegelschnittgleichung an die Tropfenkontur. Der Kontaktwinkel wird als Winkel zwischen der Basislinie und der Tangente an der Kegelschnittkurve im DreiphasenKontaktpunkt ermittelt. Polynommethode Die Polynommethode oder Tangentenmethode 2 wertet ebenfalls den Phasenkontaktbereich aus. Im Grunde gibt es dabei keine geometrische Voraussetzung für den Konturverlauf: das verwendete Polynom passt sich an jede erdenkliche...

Abb. 7: Polynomfit bei einer Neigetisch-Messung. Der abgebildete Tropfen befindet sich auf einer geneigten Oberfläche. Die Kreismethode und die Young-Laplace-Methode können mit solchen Tropfen nichts anfangen: Sie ergeben einen einzigen Kontaktwinkelwert, der bei asymmetrischen Tropfen ungenau oder gänzlich unsinnig wird. Für solche Fälle kommen nur die beiden Tangentenmethoden in Frage, da sie Differenzen zwischen dem links- und rechtsseitigen Kontaktwinkel detektieren können. Bei starken Asymmetrien liefert nur noch die Polynommethode verlässliche Werte. Robustheit Bisher lautet der...