Messgerät zur Bestimmung der Oberflächenspannung und Grenzflächenspannung

Die IMETER Methodenmodule N°1 und N°2 zur "Ringmethode"

Auf dieser Seite finden Sie im oberen Teil eine Beschreibung unseres Technikangebotes der Module M1 und M2, weiter unten werden Anwendungbeispiele dazu gezeigt.

 

Die IMETER Methode N°1 bietet einen robusten und komfortablen Zugriff auf Messungen der Oberflächenspannung und der Grenzflächenspannung (N°2) durch die klassische Ringmethode. Sie wurde durch IMETER überarbeitet, wesentlich verbessert und steht fortan universell, zeitgemäß und zukunftstauglich zur Verfügung.

Ober- und Grenzflächenspannung sind wesentliche Eigenschaften z.B. von Anstrich-, Wasch- und Reinigungsmitteln sowie Hilfsmitteln der Rohstoffgewinnung. Sie bestimmen Benetzungsvorgänge, wirken in Beschichtungen und sind für die Stabilität von Emulsionen ausschlaggebend.
Gegenüber traditionellen Verfahren bietet IMETER mit seiner speziellen Ringmethode einige bedeutende Verbesserungen in Handhabung, Anwendung und Anwend­barkeit. In Abb.1 wird in einer animierten Skizze gezeigt, wie die Messung typischerweise ausgerüstet ist und sich anwendet. Die geschlossene Messzelle liefert durch die Ermöglichung einer Dampfsättigung einen Beitrag zur Richtigkeit der Messung. Um tatsächlich unbegrenzt messen zu können, kann mit diesem Aufbau auch die Wägezelle innerhalb von Messabläufen, z.B. bei Onlinemessungen, justiert werden. Zur Bewältigung der Aufgaben kann auf ein reiches Spektrum an Methoden und Komponenten zurückgegriffen werden. Einige davon sind exklusiv für IMETER entwickelt worden, besonders die wirklich statische Messung sowie Messverfahren ohne Nullpunktsdrift. Wirklich statisch bedeutet, dass der Ringabzug in diskreten Schritten erfolgt, wobei von Schritt zu Schritt jeweils das Erreichen der Endkraft abgewartet wird. So spielt die Viskosität der Probe keine Rolle - die Oberflächenspannung ist physikalisch ja als eine statische Eigenschaft definiert. Besonders hervorzuheben ist, dass IMETER die über fast schon hundert Jahre verwendeten Harkins & Jordan - Tabellen obsolet macht und so die bisherige Genauigkeit (von höchstens vier Stellen) von Grenzen befreit. Die Richtigkeit der berechneten Ober- und Grenzflächenspannung stellt sich nun so unbeeinträchtigt dar, dass die bisherige Normal- bzw. Standardmethode, die kapillare Steighöhe, als durch eine quasi unendlich einfachere Methode (diese) ersetzbar ist. Zum Berechnungsalgorithmus, den wir mit YLP (Young-Laplace-Petzoldt) benannt haben, gibt es eine gesonderte Seite. 

Neben einfachen, schnellen Messungen sind zeitliche, thermische Wirkungen und Messungen von Konzentrationseffekten bequem ausführbar. Für Forscher stehen durch die Kombinationsmöglichkeiten der Techniken zahlreiche Freiheitsgrade für eigene Verfahren zur Verfügung. Und es sind damit die Mittel zur Bewältigung auch für sehr spezielle Mess­aufgaben bereitgestellt. Trotzdem ist die Handhabung vergleichsweise einfach, so dass selbst in dieser Technik unerfahrene Anwender Präzision und Sicherheit erreichen. Es ist möglicherweise überraschend, dass das selbe IMETER Modul sowohl für komplizierteste Messungen als auch für wenig anspruchsvolle Messaufgaben eingesetzt werden kann. Der Grund hierfür ist, dass mit diesem IMETER Modul ein Betriebsystem für die Messung der Oberflächenspannung bereitgestellt wird, das alle Facetten universell, komfortabel, zeitgemäß und sehr zukunftstauglich zur Verfügung stellt. Das heist alle Dimensionen sind frei (Dank YLP auch die des Rings) und auch die Steuerung. Als Entwickler-Anwender kann man sich auf die Wunschumstände von Messungen konzentrieren und diese passend automatisieren. Man muss sich wenig darum kümmern, dass die Aktionen, die für die Messung der Oberflächenspannung dienen, durch die automatische Auswertung etwa nicht gefunden würden. - Eine Assistenz, die Sie wahrscheinlich noch nirgends gesehen haben. - Ein weiterer, wichtiger Automatismus ist die Möglichkeit in Mittelwerten zu messen. Dadurch erhalten Ergebnisse auch noch eine ganz außerordentlich hohe Qualität.

 

Wasserlaeufer2





Ring ani

Abb.1: Animierte Skizze zu einem Aufbau der IMETER-Ringmethode und den Stadien der Messung. 

Zusätzlich zur Exzellenz der Technik bietet die freie Automation ungewöhnlich erweiterte Anwendungsmöglichkeiten. IMETER kann dadurch spezifisch auf Ihre Ziele und Zwecke abgestimmt werden. Wir wollen nun nicht den Eindruck vermitteln, dass die Feld-, Wald- und Wiesen-Anwendungen nicht auch besonders einfach auszuführen sind. Natürlich. Der Zweck von Messen, Vergleichen, Charakterisierungen, und Optimierungen kann eben auch unter geforderten Randbedingungen in passender Automationstiefe und mit einer anwendergerechten Bedienung gestaltet werden. Ihr IMETER kann exakt für Ihre Aufgabe konfiguriert werden. Skeptisch? Ja dann lassen Sie uns doch einfach eine IMETER-Untersuchung für Sie durchführen (►Angebote) oder Sie kommen mit einer Probe bei uns vorbei?!

Die Messmöglichkeiten zusammengefasst:

Die Messung der Ober- bzw. Grenzflächenspannung (γ) kann statisch (γs) oder dynamisch (γd) mit verschiedenen Geschwindigkeiten (v) erfolgen. Die Messung kann bei fester oder veränderlicher Temperatur (T) und unter besonderen Umgebungsbedingungen (γμ) ausgeführt werden - z.B. unter Auschluss der Luftfeuchte, mit/ohne Oberflächenerneuerung, nach Expositionen etc.

Ring To aniAbb.2: <Anklicken um eine Animation zu zeigen> Simulation der tatsächlichen Verhältnisse von Kraft, Lamellen-Höhe und berechneter Kontur (nach YLP, der Young-Laplace Differenzialgleichung berechnet).

Funktionale Zusammenhänge: γd,s = f(t,T,C,v)μ

  • γ ± σ Mittelwert, Standardabweichung
  • Δt  Funktion der Zeit (Kinetik, Stabilität)
  • ΔTTemperatur (Temperaturkoeffizienten) 
  • ΔC Konzentration (CMC, Dosiseffekte) 
  • Δv Geschwindigkeit der Oberflächenbildung

Spezielle Verhältnisse, wie Lamellenhöhe, -alter, ggf. -abrisshöhe, werden stets auch automatisch ausgewertet. Spezifische Aufgaben wie zu Konzentrationsbestimmungen, Oberflächenfluidität, Kontaktwinkel, Kopplungstechniken (mit verschiedenen Komponenten, Leitfähigkeit, pH, Trübung) bis hin zu Erzeugung und Mitmessung von Schaumeigenschaften wurden bereits erpropt. Im Übrigen kann die Oberflächenspannung auf IMETER auch mit der modulfreien "Wilhemy-App" gemessen werden.

Einordnung unseres Technikangebotes: Die Oberflächenspannung (M1) ist eine fundamentale Eigenschaft flüssiger Materie. Zusammenhaltende Kräfte in einer flüssigen Phase werden bemaßt. Die Grenzflächenspannung (M2) charakterisiert Verhältnisse zwischen zwei fluiden Phasen. Drei-Phasen-Systeme sind Gegenstand der IMETER Module ►M4 (Kontaktwinkel)und ►M7 (PUK Steighöhenmethode [für poröse Stoffe]).


Abb. 4 (rechts):
Bestimmung der Oberflächenspannung unter Ausschluß der Luftfeuchte: Im hohen Doppelkammertemperiergefäß ist ein "Adsorberkanal" eingesetzt. Es handelt sich um einen mit Trockenmittel gefüllten Behälter, der in seiner Mitte eine Durchführung für die Aufhängung des DeNoüy-Rings hat. Das Temperiergefäß ist in der Halterung des Rührwerks (
i-Magnetrührer) eingesetzt. Der Pt100-Temperaturfühler ragt (von links) über die ebenfalls temperierte Zuführung in die Probe. Der Aufbau entspricht im Übrigen der Skizze in Abb. 1.





   Ringmethode MZLDS

OFS Ring

Anwendungsbeispiele

Die Leistungsfähigkeit von IMETER können Sie anhand der nachfolgenden Beispiele selbst einschätzen. Bestimmt finden Sie in den Beispielen oder PDFs auch gangbare Lösungsansätze für Ihre heutigen und evtl. künftigen Fragestellungen.


Oberflächenspannung als Mittelwert unabhängiger Einzelmessungen

Auf einen Blick können Ergebnis und Erwartungswert miteinander verglichen werden. Hier wurde N-Ethylanilin als Vergleich bzw. Probenstoff angegeben. Das Diagramm zeigt den Erwartungswert für Ethylanilin etwas höher (rot schraffierter Bereich), der Messwert, als Mittelwert aus drei Messungen würde eher zu Dimethylformamid passen (blau schraffiert). Der Bereich der Messunsicherheit wird auch gleich anhand der Breite der Schraffuren mitangezeigt.

Wenn man diese Automatik verwenden will, ist die Eingabe der jeweiligen Referenzdaten von Stoffen (natürlich auch Ihren Stoffdaten) ein geringer Aufwand. Der Rückgriff auf Referenzdaten ermöglicht temperaturunabhängig zu messen, insbesondere wenn auf Erwartungswerte bzw. deren Abweichung geprüft wird.

Ausführliche Beispiele für einfache Messungen:

 Dimethylformamid 20C

Oberflächenspannung im Zeitverlauf - Prüfung auf stabile Verhältnisse

Die Oberflächenspannung von Wasser wurde über eine längere Zeit verfolgt. Die einzelnen, unabhängig bestimmten Messwerte sind als schwarze Kreise gegen die Beobachtungszeit eingezeichnet. Die grüne Linie zeigt den temperaturkompensierten Verlauf der Referenz 'reines Wasser'.

Was auch immer mit der Probe bei der Messung gemacht wurde, es hatte keinen Einfluß auf die Oberflächenspannung von Wasser. 

Water Time Stability 15311

Oberflächenspannung zum kontinuierlichen Monitoring, Prozessmessung - Zeitverlauf

Verlauf der Oberflächenspannung von Toluol (einzelne Messwerte als Kugeln) gegen die Zeit eingezeichnet. Die rote, gestrichelte Linie markiert den Verlauf des jeweiligen Sollwertes. Die Temperierung fährt zwischen 20 und 30°C Zickzack, ebenso die Oberflächenspannung.

IMETER kann für kontinuierliche Messungen eingesetzt werden und wochenlang die Oberflächenspannung ohne Nullpunktdrift verfolgen. Durch Nutzung von Referenzdaten muss für die Aussage von Messungen nicht temperiert werden. Das ermöglicht den komfortablen Einsatz für Onlinemessungen z.B. von Technikumsanlagen. Ob fermentierende Bioflüssigkeiten oder galvanische Bäder - über die ganze Zeit werden die Daten aufgezeichnet und in Berichten vorgegebener Zeitstückelung genauestens und unmalipulierbar protokolliert.

Nachdosieren oder einen Produktionsvorgang rechtzeitig beenden - IMETER kann es für Sie tun!

Ausführliches Beispiel für eine kontinuierliche Messung der Oberflächenspannung:

Toluol (Prozessmessung).pdf

 

Toulol Prozess

Toulol Prozess 5h

Oberflächenspannung im Zeitverlauf - Verhalten realer Mischungen, Fomulierungen ...

Die Oberflächenspannung von Polyethylenglycol 400, in welchem ein Brom-Salz gelöst ist, wurde bei 25°C gemessen. Anfangs wurde vor und zwischen den Messungen mit einer bestimmten Geschwindigkeit gerührt. Die Oberflächenspannung fiel über die vier Messungen ab. Dann wurde das Rührwerk abgeschalten und stündlich ein Messwert aquiriert. Die Oberflächenspannung stieg kontinuierlich an.

Bei Gemischen und Formulierungen ist ein 'wahrer Wert' oft nicht angebbar. Der Angabewert der Oberflächenspannung folgt dann einer entsprechend zu treffenden Konvention. - Diffusion, Reaktion, Reifung, ob gerührt wird etc. - Verschiedenes kann dazu führen, dass ein stabiler Messwert nicht vorliegt. Es bedarf einer exakten Vereinbarung von Vorbereitung, Konditionierung und Messzeitpunkt. Hier ist eine 'Norm' anzuwenden, die z.B. auch die Rührgeschwindigkeit einschließt, damit eine Vergleichbarkeit von Ergebnissen möglich ist.

Andererseits, kann so auch herausgefunden werden, ob ein Stoff evtl. zur Anwendung noch auf eine Art vorbehandelt werden sollte.

 tEffekt PEG400LAW


Temperaturabhängigkeit der Oberflächenspannung

Messung der Oberflächenspannung von Wasser zwischen 10 und 20°C: Die einzelnen Messwerte sind als rote Kugeln gegen die Temperatur angetragen. Die rot schraffierte Fläche gibt für den Sollwert "Wasser" den Erwartungsbereich in der Breite der Messunsicherheit aus. Die orange linie gibt den Graphen der Regressionsgeraden wieder und der Angabewert für 15°C ist als größere rote Kugel eingetragen.

Die Temperaturabhängigkeit der Oberflächenspannung ist eine oft ebenfalls wichtige Eigenschaft. Sie kann in manchen Fällen sogar als zweite Größe bei der Identifikation eines Stoffes helfen.

Ausführliche Beispiele für Temperatureffekt:

 

 Wasser schnell DT

Oberflächenspannung von (Lösemittel)Gemischen

Zu reinem Wasser wird Aceton dosiert. Die blauen Kugeln markieren die Oberflächenspannungswerte, die zur jeweiligen Konzentration gemessen wurden.

Der Zusammenhang von Oberflächenspannung und Konzentration ist speziell interessant bei der Additivierung von Beschichtungsstoffen, kann aber auch für Konzentrationsbestimmungen per Ober- bzw. Grenzflächenspannung und die Herstellung von Zieloberflächenspannungen (Referenzeigenschaften) dienen.

Dieses Verfahren kann im Prinzip angewendet werden, um z.B. die richtige 'Additivierung' für Anstrichstoffe herauszufinden. Oft werden Zuschlagstoffe falsch oder gar überdosiert, was der Wirtschaftlichkeit schadet.

Ausführliche Beispiele für Mischungseffekte:

DC Aceton-Wasser

Kritische Mizellkonzentration (CMC) - Änderung der Oberflächenspannung durch Tenside

(Einfache CMC-Bestimmung)

Zu Wasser wird eine Tensidlösung dosiert. Das Diagramm zeigt Oberflächenspannungswerte zur jeweiligen Tensidkonzentration anhand der roten Kugeln.

Die CMC wird hier durch das 'Knie' mathematisch-analytisch bestimmt. Interpolationsverfahren, wie füher üblich, sind demgegenüber eher willkürlich und ungenau. Um solche Messungen auszuführen brauchen Sie weder Pumpen noch sonstiges Zusatzgerät.

Ausführliches Beispiele einer einfachen CMC Bestimmung:

Einfache" CMC-Messung, ein QS- geeignetes Verfahren: ►Polydocanol (Thesit).pdf

Beitrag dazu:Die IMETER- CMC - Methoden

CMC Thesit Smpl

Multisensorielle Untersuchung - Änderung der Oberflächenspannung durch Tenside; Kritische Mizellkonzentration (CMC)

CMC-Bestimmung an Natriumlaurylsulfat (SDS) mit simultaner Ermittlung mehrerer Eigenschaften, zur Klärung, ob die Leitfähigkeit den gleichen CMC-Wert wie die Oberflächenspannung indiziert.  Mit dem Verlauf der Oberflächenspannung (hellgraue Linie) wird die Leitfähigkeit (rot), der Kontaktwinkel (braun), die Relaxationsgeschwindigkeit (grün), das Oberflächenniveau (lila) und die Luftfeuchtigkeit über der Lösung (blau) gemessen. Bemerkenswert ist dabei der Abfall der Luftfeuchte über der Lösung vor der CMC und besonders der Wiederanstieg danach, die Spitze der Leitfähigkeit und der Verlauf der Relaxationsgeschwindigkeit (Oberflächenviskosität).

Beitrag dazu: ►Untersuchung an Gemini-Tensiden

CMC SDS95 MultiF

Kritische Mizellkonzentration (CMC) Änderung der Oberflächenspannung durch Tenside,  Auswirkungen von Ab- oder Adsorptionseffekten

Das Beispiel einer Verschiebung im OFS/Konzentrationsverlauf (hier CMC) zeigt die Möglichkeit auf, die Sorption von Wirkstoffen zu untersuchen. Ein eleganter Zugang für das 'Solid-Liquid-Interface' ... selektive Absorber, Adsorber, Flotationshilfsmittel, Netzmittel etc.

Konzentration - Adsorption:

  • CMC-Messung mit Adsorbens in der Vorlage. Die CMC wird zu höherem Wert verschoben, wenn etwas in der Lösung am Wirkstoff zehrt: ►Adsorption an Silicagel.pdf
AdsorptionCMC THesit gr

Spezifikationen*

Auflösung:  0.01 mN/m,
Reproduzierbarkeit:  ±0.02mN/m 
Mess­bereich:  > 0.5  bis  1000 mN/m
dynamische Messgeschwindigkeit:  0.001 bis 20 mm/s
Temperaturbereich: -15°C bis 140°C
Max. Messdauer einer Messung:  21 Tage
Messung und Auswertung können in Übereinstimmung mit DIN 53914, ASTM D 1331, ISO 6889 (...) ausgeführt werden.
Auswertungsverfahren nach Harkins und Jordan, Fox und Chrisman, Zuidema & Waters  (mit automatischer Umschaltung) sowie nach der fundamentalen Young-Laplace Differenzialgleichung (YLP). Automatische GxP-konforme Prüfberichte nach den Vorgaben der DIN. Aufwendungen zur Ergebnisverwaltung, für Laborjournale, Ablagewesen, Produktions­übersichten etc. entfallen weitgehend; Messungen sind in ihrer Ganzheit dokumentiert.

*Angabe typischer Spezifikationswerte. Generell gilt: es kann unter allen Umständen gemessen werden, die ausreichend kontrolliert dargestellt werden können. Zusätzlich wird durch das YLP-Auswertungsverfahren die Dimension der Ringe frei wählbar, zugleich werden Ergebnisse exakter und richtiger. Auflösung und Messbereiche können durch die Größe der Ringe angepasst werden.