Was ist der unterschied zwischen statischen und dynamischen oberflächenspannung

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.

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Das Messen der dynamischen Oberflächenspannung eröffnet neue Möglichkeiten zur Anwendung von Tensiometern in der Industrie. Durch die zeitabhängige Messung ist es mit diesem Verfahren möglich selbst hohe Konzentrationen oberflächenaktiver Stoffe (Tenside) zu differenzieren und gleichzeitig charakteristische Kennlinien zu deren Benetzungseigenschaften aufzunehmen.

Vorteile der dynamischen Oberflächenspannungsmessung

Wird eine Grenzfläche (z.B. Teileoberfläche) in eine tensidhaltige Flüssigkeit (z.B. Reinigungsbad) gebracht, ist diese zu Beginn quasi frei von Tensiden. Es besteht ein Konzentrationsgefälle zwischen der Flüssigkeit und der neuen Grenzfläche, so dass sich die Tensidmoleküle zur Grenzfläche bewegen und dort die Grenzflächenspannung reduzieren. Dieser Vorgang benötigt eine bestimmte Zeit, die von der Konzentration und der Beweglichkeit der Tenside in der Flüssigkeit abhängt.

Ab einer bestimmten Tensidkonzentration, der kritischen Micellbildungskonzentration CMC, schließen sich "nicht benötigte" Tenside zu Mizellen zusammen. In Reinigungsbädern stellen diese Mizellen ein Depot dar, aus dem verbrauchte Tenside rekrutiert werden. Deshalb ist die Tensidkonzentration in Reinigungsbädern weit höher als die CMC. Diese hohe Konzentration an Tensiden in der Reinigung ist über normale statische Tensiometer nicht unterscheidbar.

Messmethoden

An einer geometrisch konstanten Oberfläche stellt sich schon bei geringen Tensidkonzentrationen relativ schnell ein Absorptionsgleichgewicht ein - die Grenzflächenspannung erreicht einen Gleichgewichtswert, der mit statischen (Wilhelmy-Platte) bzw. quasistatischen (Du-Noüy-Ring) Messmethoden ermittelt werden kann. Zu Micellen zusammengeschlossene Tenside bleiben bei der Messung ohne Einfluss, es ist daher nicht möglich, die Gesamttensidkonzentration in Reinigungsbädern mit einem statischen bzw. quasistatischen Tensiometer zu bestimmen.

An einer ständig expandierenden Oberfläche hingegen, zu der stetig neue Flächenelemente hinzukommen, wird das sich einstellende Gleichgewicht kontinuierlich gestört und damit praktisch nicht erreicht. Dynamische Messmethoden führen zu größeren Oberflächenspannungsmesswerten als statische Methoden.

Messgeräte

Blasendrucktensiometer erzeugen mit der Blase eine solche neue expandierende Oberfläche. Auch die in der Nähe der frischen Grenzfläche befindlichen Micellen stellen ihre Tenside zur Verfügung, bevor weiter entfernte Tensidmoleküle zur Blase diffundiert sind und beeinflussen damit die dynamische Oberflächenspannung an der Blase. Es existiert ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Tensidkozentration und der dynamischen Oberflächenspannung auch oberhalb der kritischen Mizellbildungskonzentration.

Somit stehen Messgeräte zur Verfügung, mit der die Tensidkonzentration in Reinigungsbädern ermittelt werden kann - mit einem "Messkörper", der nicht gereinigt werden muss, sondern mit jeder Blase neu entsteht.

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