Grenzflächenspannung ermitteln mittels Tropfenkonturanalyse
Mit Hilfe der Tropfenkonturanalyse kann die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten (Hängender Tropfen) als auch die Grenzflächenspannung von ebenen Festkörpern (Aufliegender Tropfen) vermessen werden. Im Fach CMP des Departments Chemie der Universität Paderborn befindet sich ein Drop Shape Analyzer der Firma Krüss im Einsatz.
Die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten werden mittels der Messmethodik „Hängender Tropfen“ untersucht. Das Verfahren kann sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Oberflächenspannungen verwendet werden und ist unabhängig von der Viskosität. Außerdem sind mit dieser Messmethode Systeme mit kapillaraktiven Substanzen (z.B. Tenside) analysierbar. Die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten kann als reine Materialeigenschaft ermittelt als auch zum Nachweis von Verunreinigungen genutzt werden.
Die Vermessung der Grenzflächenspannung von Festkörpern kann sowohl statisch als auch dynamisch erfolgen. Bei der statischen Messmethodik wird das Volumen eines einmal erzeugten Tropfens während der Messung nicht mehr verändert. Durch Wechselwirkungen des Tropfens mit dem Untergrund und der Umgebung (z.B. Luft) kann sich der Kontaktwinkel jedoch verändern. So kann
- die Flüssigkeit verdampfen,
- die Flüssigkeit kann den Untergrund anquellen oder anlösen,
- es kann zu einer chemischen Reaktion mit dem Untergrund kommen und
- in dem Stoff gelöste Substanzen (z.B. oberflächenaktive Stoffe) können in die Oberfläche wandern bzw. aus der Oberfläche abwandern.
Im Gegensatz zur der dynamischen Messmethodik verbleibt die Spritzkapillare während der statischen Messung nicht im Tropfen und kann somit den Winkel (speziell bei kleinen Tropfen wichtig) nicht beeinflussen.
Bei der dynamischen Messung wird zwischen dem Fortschreit- und dem Rückzugwinkel unterschieden. Der Fortschreitwinkel simuliert die in der Praxis vorkommende Benetzung von Untergründen und gibt daher aussagekräftige Werte über die freie Oberflächenenergie wieder. Der Unterschied zwischen Fortschreit- und Rückzugwinkel lässt hingegen Aussagen über die Rauigkeit und die chemische Struktur von Oberflächen zu.
Die Grenzflächenspannung lässt Rückschlüsse auf die chemische und topologische Beschaffenheit von zu lackierenden Untergründen zu. Die Oberflächenreinheit und Auswirkungen von Oberflächenbehandlungen lassen sich hiermit dokumentieren. Neben dem Einsatz in der Lackindustrie kommt dieses Messverfahren u.a. auch in der Mikroelektronik und Waferproduktion zur Qualitätssicherung zur Anwendung.
