Practical Contact Angle Measurement (5) – Custom-made models: from contact angle to surface free energy
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Technical Note Praxis der Kontaktwinkelmessung (5) Technical note: Industry section: Drop Shape Analyzer – DSA100 Method: Keywords: methods, contact angle, sessile drop, surface free energy, interfacial tension Modelle nach Maß: vom Kontaktwinkel zur Oberflächenenergie Die Bestimmung der freien Oberflächenenergie (OFE) eines Festkörpers ist die Königsdisziplin der Kontaktwinkelmesstechnik. Die Methode macht dem Anwender wichtige Informationen zur Materialoberfläche zugänglich, etwa zur Benetzbarkeit und Adhäsivität. Um eine Messung zu planen und aus den Ergebnissen die richtigen Schlüsse zu ziehen, ist eine gute Kenntnis der zugrunde liegenden wissenschaftlichen Modelle hilfreich. In diesem letzten Teil der Newsletterserie zur Kontaktwinkelmessung werden die wichtigsten Modelle zur Bestimmung der Oberflächenenergie (OFE) beschrieben, die Eingang in die Messpraxis (und die KRÜSS-Software) gefunden haben. Neben der sachgerechten Anwendung der Modelle geht es auch um praktische Aspekte der OFE-Bestimmung: die Auswahl der Testflüssigkeiten, geeignete Umgebungsbedingungen und Konsequenzen aus der Beschaffenheit der Festkörperoberfläche. Ein Exkurs über Modelle Das Stichwort „Modell“ mag auf den einen oder anderen Leser vielleicht ernüchternd wirken: Ein über Kontaktwinkeldaten ermittelter OFE-Wert ist kein in Stein gemeißeltes Wissen über den Festkörper, sondern eine Interpretation seines Verhaltens im Rahmen des verwendeten Modells. Das gilt streng genommen für jede wissenschaftliche Aussage. Jedoch sind uns viele Formulierungen von Naturgesetzen so vertraut, dass wir ihren Modellcharakter nicht mehr wahrnehmen. Abb. 1: Kopernikus’ Modell des Sonnensystems – inzwischen durch Einstein relativiert Der Maßstab für die Aussagekraft eines Modells ist dessen Konsistenz und die Möglichkeit, gegebene Phänomene möglichst einfach zu erklären und Vorhersagen zu treffen, die empirisch bestätigt werden können. Für den Anwender der Kontaktwinkelmesstechnik ist es daher sinnvoll, sich mit den Grundlagen – und Grenzen – der verwendeten Modelle zu befassen. KRÜSS GmbH | Borsteler Chaussee 85 | 22

Oberflächenspannung und Oberflächenenergie Oberflächenspannung (im Folgenden OFS) und OFE sind physikalisch gleichwertige Begriffe; konventionell wird ersterer für Flüssigkeiten, letzterer für Festkörper verwendet. Bei einer Flüssigkeit resultiert die Spannung der Oberfläche daraus, dass ein an der Oberfläche befindliches Molekül im Vergleich zur Volumenphase auf weniger Nachbarmoleküle trifft, mit dem es Wechselwirkungen ausbilden kann. Der Aufenthalt an der Oberfläche ist für Moleküle einer (reinen) Flüssigkeit unattraktiver. Flüssigkeiten streben deshalb eine möglichst kleine Oberfläche...

trag zur Verringerung der GFS; dies korrespondiert mit einer schlechten Benetzung – einem hohen Kontaktwinkel. In der folgenden Grafik werden die verschiedenartigen Wechselwirkungen durch Hände symbolisiert – nur die „passenden“ Hände können ineinander greifen. Wu Wu [11;12] konstatierte, dass für eine niedrige OFE statt des geometrischen Mittelwertes der harmonische Mittelwert zwischen den jeweiligen Anteilen (dispersiv und polar) oft zuverlässigere Werte liefert. Dem Ansatz des harmonischen Mittels entspricht folgende Formel: Abb. 3: Schematische Darstellung des Zwei-KomponentenModells...

einer einzigen Flüssigkeit mit bekannter OFS aus – der Vorteil liegt also sicherlich im schnellen Zugang zu einem OFE-Wert. Da Neumann seine Formel im Wesentlichen aus Ergebnissen für unpolare Festkörper mit niedriger Oberflächenenergie ableitet, kann sein Ansatz vor allem für diesen Bereich verwendet werden. Bei solchen Festkörpern stimmen die Ergebnisse tendenziell mit Auswertungen nach Zisman oder OWRK überein. Auswahl der Flüssigkeiten Bereits in Teil 1 dieser Serie wurden einige StandardTestflüssigkeiten genannt und der fachgerechte Einsatz für die Kontaktwinkelmessung beschrieben....

Beschaffenheit des Festkörpers Im Gegensatz zur Flüssigkeit finden bei einem Festkörper kaum Platzwechsel von Molekülen statt; die Oberflächenenergie beschreibt also einen statischen Zustand des Festkörpers und kein dynamisches Gleichgewicht zwischen beweglichen Teilchen. Daraus folgt, dass bei einem chemisch inhomogenen Festkörper die Oberflächenenergie ortsabhängig sein kann. Hinzu kommt, dass die makroskopische Beschaffenheit der Oberfläche den Kontaktwinkel beeinflusst. Rauigkeit Die Youngsche Gleichung kann ideale Festkörper beschreiben, die glatt, eben und chemisch homogen sind. Die...