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Kontaktwinkel, IMETER Methode N°4

IMETER Kontaktwinkelmessungen

Die IMETER Methode N°4 ist die Plattformmethode für die Kontaktwinkelmessung an soliden Körpern. Ausgangstechnik ist die Wilhelmy-Platten Methode.

Am Kontaktwinkel zeigen sich unmittelbar die Verhältnisse der Oberflächenkräfte. Er stellt die thermodynamische Maßzahl dar, die darüber Auskunft gibt, wie stark die Wechselwirkungen sind, mithin wie gut eine Flüssigkeit eine Oberfläche benetzt. Je stärker die Wechselwirkungen sind, desto besser ist die Benetzung und umso kleiner ist der Kontaktwinkel. (►Erklärungen, Young-Gleichung, Oberflächenenergie etc.)

[Bedeutung] Technische Anwendungen und quantifizierbare Eigenschaften im Zusammenhang mit dem Kontaktwinkel sind beispielsweise der Lotuseffekt, Lackier-, Bedruck- und Verklebbarkeit sowi2setupprinciplee relative Sauberkeit, Rauigkeit, Homogenität oder Beschichtung einer Oberfläche, Wirkung von Oberflächenbehandlungen, Alterung, Adsorption und Diffusion aus dem Bulkmaterial (z.B. Migration von Antistatika).

[Prinzip] Die IMETER Methode N°4 beruht auf Kraftmessungen beim Eintauchen der Probe in eine bestimmte Flüssigkeit; die Berechnung der Kontaktwinkel geht vom Gewicht der Meniski aus (vgl. Bild). - Eine besondere Verbesserung zum Stand der Technik besteht darin, dass die Messung statisch ausgeführt werden kann. D.h. statt mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit, wie dies bisher üblich ist [Lit. 83, S.318-321], bietet die IMETER Methode N°4 die Möglichkeit, die Probe stufenweise in die Flüssigkeit zu senken und ebenso wieder herauszuziehen, wobei nach jeder Positionsänderung das Kräftegleichgewicht abgewartet und damit eine große Anzahl einzelner Kontaktwinkel automatisch bestimmt wird, deren Mittelwert und Standardabweichung ein präzises Bild einer Oberfläche bietet. Anders als bei optischen Messungen am liegenden Tropfen (Goniometer, sessile Drop) entspricht hier einem Messwert der Mittelwert des Kontaktwinkels rings um den Probenquerschnitt. Insgesamt liefert die Messung also den Mittelwert der Mittelwerte.

Das obere Bild zeigt den Aufbau schematisch; die Skizze darunter führt die Eingangsgrößen und den formelmäßigen Zusammenhang auf.

[Verfahren] Die Kontaktwinkelmessung ist vergleichsweise einfach anzuwenden: Die Probe wird (per Klammer, Kappe oder Haken etc.) an einem Probenhalter befestigt und 4measurementprincipleam Lasttäger eingesetzt. Der Paralleltisch, mit dem das Temperiergefäß mit der Flüssigkeit verbunden ist, wird nun so bewegt, dass die Probenunterseite sich genügend weit über der Flüssigeitsoberfläche befindet. Ein Deckel kann aufgesetzt werden (ggf. auch mit einem Absorberkanal zur Trocknung der Luft), um die Messzelle abzuschließen. Die Probe konditioniert bei der gewählten Temperatur und Atmosphäre in der Messzelle. Nach der Konditionierzeit startet die Messung, indem sich die Plattform in Mikrometerschritten hebt. Sobald die Flüssigkeitsoberfläche berührt wird - das spürt die empfindliche Waage - stoppt die Bewegung, das Bezugsniveau ist ermittelt. Es wird gewartet, bis keine Kraftänderung mehr auftritt bzw. die Kräfte aus Benetzung und Auftrieb ihr Gleichgewicht erreicht haben. Dann wird die Probe um eine vorbestimmte Strecke tiefer in die Flüssigkeit bewegt und erneut wartet IMETER, bis das vorgegebene Gleichgewichtskriterium erfüllt wird. Das stufenweise Eintauchen wird beispielsweise zwanzig Mal wiederholt. Hiernach wird die Richtung gewechselt, um die Rückzugskontaktwinkel zu messen. Der Bereich der Hysterese, d.h. wo der Winkel von advancing nach receiding umkippt, wird über kleinere Strecken gemessen, um den Vorgang detailliert zu erfassen. Ebenso kann die Abtastung mit dem Erreichen der Oberfläche verfeinert erfolgen, da Auszugstrecke und Maximalkraft des Meniskus vor dem Abreißen der Flüssigkeitslamelle wertvolle Informationen bieten (bei idealen Messkörpern, ist das die Oberflächenspannung der Flüssigkeit, die dadurch nachbestimmbar ist).

[Ergebnis] Gleich, unter welchen Umständen Messungen ausgeführt werden: die Software bereitet die erhaltenen Experimentaldaten zu Diagrammen auf, die eine Beurteilung erleichtern und das Ergebnis visualisieren. Die drei untenstehenden Diagramme zeigen am Beispiel einer Messung an einer PTFE-Platte (Teflon®) zuerst die Rohdaten (entsprechend dem Ausdruck Wi-W°), dann die um Auftriebseffekte korrigierten Daten und schließlich, die für jeden Messpunkt berechneten Werte des jeweiligen Kontaktwinkels. Bitte Klicken Sie auf die Diagramme, um sie zu vergrößern.

meas ptfe raw Rohdaten  (Vorrück- , Rückzugsbew.) meas ptfe netwNetto-Meniskusgewichte meas ptfe caKontaktwinkel

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Die Messung läuft mit dem Einsetzen der Probe automatisch ab. Sobald das steuerende Messprogramm seine Arbeit getan hat, liegt zugleich das Ergebnis mit Bericht und Diagrammen vor und kann beurteilt werden.

PDF-Beispiel der IMETER-M4 Messung an PTFE (vgl. Gesammelte Literatur-Vergleichswerte zu PTFE von der Seite accudynetest.com/Tabellen)

Die beiden Kontaktwinkel Θadv. und Θrec. werden durch lineare Regression bestimmt. Der Übergangsbereich, d.h. der Bereich der Kontaktwinkelhysterese, wird - sofern er linear verläuft - analysiert und der Steigungsparameter in Graden pro Millimeter angegeben. 

[Integrität] Verlässliche Messergebnisse setzen voraus, dass die verwendete Sensorik korrekte Daten liefert und die Angaben über die Eingangsgrößen der Berechnungen stimmen. IMETER's Waage, Positioniersystem und Temperaturmessung sind überaus einfach zu prüfen. Wie die Oberflächenspannung (z.B. mit der Wilhelmymethode) kann die Dichte der Messflüssigkeit in der Messzelle überprüft werden (schnelle Dichtemessung), indem die entsprechenden Messkörper eingesetzt werden und ein passendes Messprogramm ausgeführt wird. Ein höherer Grad an Sicherheit über Korrektheit und Integrität der Resultate ist kaum vorstellbar.

Das Bild rechts zeigt IMETER bei der Kontaktwinkelmessung.

[Details] Die Umstände der Messung (Dauer der Konditionierung der Probe in der Atmosphäre der Messzelle, Schärfe der Gleichgewichtskriteriern oder Beweggeschwindigkeit, Form der Probe, Strecke, Abtastraten) sind einfach zu konfigurieren, so dass je nach Probe, Ziel und Zweck passende Regeln gegeben werden können. Ein neuer Aspekt aus dem statischen Verfahren, der ein Licht auf molekulare Vorgänge werfen kann, liegt in der Betrachtung der Geschwindigkeit - wie lange es dauert, bis sich das Kräftegleichgewicht einstellt und der Kontaktwinkel seine endgültige Form erreicht. Eine weitere Zeitdimension bietet der Verlauf der Θrec. Werte, die durch die Kontaktdauer der Oberfläche in einer Flüssigkeit beispielsweise Diffusions/Adsorptionseffekte aufschlüsseln können.

M4, Stichworte: statische und dynamische Kontaktwinkel. Mittelwert, Standardabweichung für ein realistisches Bild. Universelle Anwendbarkeit. Genaue Analyse der Hysterese. Viskositätsunabhängige Geschwindigkeitseffekte. Vielfältige Probenformen (Platten, Stäbe, Fasern, Folien, u.E. Freiformkörper). Messung kleiner Probenmengen als Beschichtungen auf Trägermaterialien. Reproduzierbare Messumstände (Temperatur, Atmosphäre: Messzelle). Objektives Verfahren. Hoher Automatisierungsgrad. Einfache Integritätssicherungen der Messflüssigkeit (γ, ρ). Eignung für Forschung und QS.

Spezielle und allgemeine Anwendung der von uns entwickelten statischen Messverfahren können auch unserer Patentschrift DE 44 12 405 entnommen werden.

 

[Plattform-Methode] Technologische Abstraktion - IMETER Plattformmethoden, wie hier im Modul M4, arbeiten seitens der Datenauswertung auf einer formalen, symbolischen Ebene und sind daher in unserem Mesokosmos d.h. hinsichtlich der physischen Dimensionen, der Kraftmessung, Geschwindigkeit und Zeit  weit skalierbar. Die andere Abteilung, das ist die IMETER Steuerungstechnik, ist grundsätzlich von allen Zwecken unabhängig und darauf fokussiert, der konkreten Messaufgabe alle Gestaltungsfreiräume zu geben, damit Bedienart, Umstände und Zielsetzungen der Messung eingestellt werden können. Diese beiden Teile, Steuerung und Auswertung, sind notwendig getrennt, um das Spektrum der Möglichkeiten in ganzer Breite ausschöpfen zu können. Das Modul ist sozusagen ein Betriebssystem für Kontaktwinkelmessungen und inkorporiert bzw. verknüpft insgesamt Denk- mit Machbarem.


 

[Optionen] Verschiedene Anwendungen für die IMETER Methode N°4 sind bereits angelegt, wurden jedoch noch nicht eingesetzt. Im Folgenden sind verschiedene Möglichkeiten der Plattformmethode kurz Umrissen.

Die relativ großen Mengen an Testflüssigkeit, die für Kontaktwinkelmessungen benötigt werden, sind vielleicht der größte Hinderungsgrund, der gegen die Methode spricht. Dem zu begegnen gibt es zum Einen die Möglichkeit, den Aufbau zu miniaturisieren oder einen entsprechend geformten Verdrängungskörper im Gefäß zu platzieren, der an der Stelle der Probentauchung eine Aussparung hat.

Ein anderes Problem, das in der Praxis auftreten kann, besteht darin, dass oft nur wenig Testsubstanz zur Verfügung steht oder das Probenmaterial nicht als kompakter Körper dargestellt werden kann. In beiden Fällen kann man sich ggf. behelfen, indem man ein Trägerkörper mit der Probe beschichtet.

 

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Die Probe kann evtl. aufgeschmolzen, in entsprechender Matrix oder mit Klebestoffen aufgetragen werden. Als Träger kommen durchaus auch Fasern in Frage.

Fasern und Folien können entweder sehr kurz eingefaßt werden, so dass sie wie normale, kompakte Körper in die Flüssigkeit gedrückt werden. Wie rechts im Bild können aber auch dünne Filamente mit einem Tauchkörper (ein Körper mit genau bestimmtem Volumen) verbunden werden. Ebenso können mehrere einzelne Fasern parallel gemessen werden, indem Sie z.B. als breite Schlaufe oder über einen Rechen gehalten werden. Tauchkörper können relativ hohe statische Lasten auf die Fasern bringen, so dass die Benetzbarkeit in Abhängigkeit der Dehnbeanspruchung gemessen werden kann.

Bei der Untersuchung nicht-regulär geformter Probekörper kann sich ein zweistufiges Verfahren als Lösungsweg erweisen (vgl. Bild unterhalb). Für die Entwicklung von Kontaktlinsenfluid oder entsprechender künstlicher Tränenflüssigkeiten kann beispielsweise an einem entsprechendem Linsenkörper mit einer total benetzenden Flüssigkeit die Geometrie bestimmt werden. Mit der so ermittelten Geometrie (d.i. die Rasterung in Flächen- und Umfangssegmente) kann dann mit der betreffenden Flüssigkeit die Benetzung untersucht werden. 

 

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(Die Flüssigkeit zur Messung der Geometrie muss nicht unbedingt die Θ=0-Voraussetzung erfüllen - der Kontaktwinkel muss ledigleich bekannt sein. Die Referenzmessung kann zeitlich auch nach der Probenmessung erfolgen)

Geometriedaten könnten von einem 3D-Scanner oder aus einer CAD Anwendung kommen. Unter der Voraussetzung einer einheitlichen Benetzbarkeit kann andersherum durch das Scannen der Oberfläche eines Körpers durch die Kontaktwinkelmessung dessen Geometrie aufs genaueste in deren Umfangs- und Volumenfunktion bestimmt werden.

h = (2γ (1-sinϴ) / ( ρ·g))  

 

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Im Bild (rechts) ist angedeutet, welche oberflächenenergetischen Größen prinzipiell ermittelt werden können, wenn mehrere Kontaktwinkeldaten aus der Verwendung verschiedener Flüssigkeiten vorliegen Oberflächenenergie.

Besondere Optionen bietet die Verwendung einer Kugel als Messkörper. Ihre Verwendung stellt eine interessante Möglichkeit dar, Oberflächenenergie- Komponentendaten der Flüssigkeiten zu bestimmen. Die mit der Kugel verbundenen Ableitungen (Bild rechts) sind vielfältig [Lit. 91].  - Kontaktwinkelmessungen, wobei die dritte Phase nicht Luft ist, sondern eine andere Flüssigkeit, sind mit Platten oder Zylindern denkbar. An Probe- oder Messkörpern mit vertikal konstantem Querschnitt können andere Verfahren, die im IMETER-Framework bereits als Module vorliegen, auf relativ kurzem Wege für Aufgaben und Fragestellungen zur Kontaktwinkelmessung eingesetzt werden. Speziell die Variablen Zeit/Wiederholung, Temperatur, Atmosphäre, Konzentration können eingesetzt werden, um spezielle Aufgaben zu bearbeiten.

 

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