IMETER Methode N°4
Kontaktwinkel, Randwinkel, Benetzungswinkel
IMETER M4 ist die instrumentierte Methode für Kontaktwinkelmessungen. Die Ausgangstechnik bildet die sogenannte Wilhelmy-Platten Methode. Kontaktwinkelmessungen quantifizieren die Benetzbarkeit indem die Verformung einer Flüssigkeitsoberfläche an der Kontaktlinie zur Feststoffoberfläche bestimmt wird. Der Kontaktwinkel ist dabei der Tangentenwinkel unter dem die Flüssigkeit den Festkörper kontaktiert. Er drückt aus, wie stark die Wechselwirkungen zwischen fester und flüssiger Phase (in Gegenwart einer dritte Phase aus Gas oder einer anderen nichtmischbaren Flüssigkeit) im Verhältnis zu den Binnenkräften der Phasen selbst vorliegen. Grundsätzlich gilt, je stärker die Wechselwirkungskräfte an der Phasengrenzen ausgeprägt sind, desto besser ist die Benetzung und umso kleiner ist der Kontaktwinkel. (►♦Erklärungen, Young-Gleichung, Oberflächenenergie etc.).
Der Kontaktwinkel einer bestimmten Flüssigkeit auf einem bestimmten Festkörperoberfläche wird bisweilen als eine thermodynamische Maßzahl angesehen. Als analytische und thermodynamische Kennzahl liefern Kontaktwinkelmessungen die Datengrundlage für die Berechnung der Oberflächenenergien von Feststoffen, deren Benetzungsverhalten damit vorhersagbar werden.
Der Kontaktwinkel einer bestimmten Flüssigkeit auf einem bestimmten Festkörperoberfläche wird bisweilen als eine thermodynamische Maßzahl angesehen. Als analytische und thermodynamische Kennzahl liefern Kontaktwinkelmessungen die Datengrundlage für die Berechnung der Oberflächenenergien von Feststoffen, deren Benetzungsverhalten damit vorhersagbar werden.
[Anwendbarkeit] Die Anwendbarkeit von IMETER M4 betrifft Oberflächen, die auf entsprechend dimensionierten Platten, Stäben oder Fasern vorliegen. Die zu messende Feststoffoberfläche muss rings um den Körper von gleicher Art sein. Weiterhin müssen Dichte und Oberflächenspannung der Messflüssigkeit möglichst genau bekannt sein. Die Flüssigkeit muss/soll gegenüber dem Festkörperoberfläche inert sein. Die Kontaktwinkelmessung an pulverförmigen Feststoffen oder evtl. an anderen Flüssigkeiten kann durch Beschichten dünner Träger (Mikroskop-Objektträger oder Deckgläschen) ermöglicht werden. Im Vergleich zur weit verbreiteten Technik der Kontaktwinkelmessung am liegenden Tropfen, bietet IMETER M4 mitunter einzigartige Vorteile. Die Einfachheit der Handhabung und der geringe instrumentelle Aufwand ist hier zu nennen. Auch werden technische Schwierigkeiten umgangen, wie z.B. die Wahl der richtigen Tropfengröße bei Messungen am liegenden Tropfen. IMETER M4 Messungen werden in einer Umgebung mit kontrollierter Atmosphäre ausgeführt, wobei auch andere Gase als Luft bei der Kontaktwinkelmessung beteiligt sein können. Die Messungen unter anderen Temperaturbedingungen als der Raumtemperatur sind problemlos durchführbar. Im Hinblick auf die Geschwindigkeit des Benetzungsverhaltens steht neben der statischen Messung, wobei die Einstellgeschwindigkeit der Gleichgewichtskraft als zusätzliche Kenngröße geliefert wird (Patentschrift DE4412405) auch die Möglichkeit zur dynamischen Messung zur Verfügung. Durch geschwindigkeitsabhängige Messung der Vorrück- und Rückzugs-Kontaktwinkel steht ein weiterer, neuer Untersuchungsparameter bereit. Probenoberflächen können in einer Sequenz mehrfach gemessen werden, wodurch Hystereseerscheinungen durch den Flüssigkeitskontakt für Untersuchungen zugänglich werden oder es können andere Umstände in (automatischen) Wiederholungen variiert werden. Durch die kürzlich etablierte Methode der Flüssigkeitsoberflächen bzw. -Niveaukonstanthaltung können nun auch Objekte mit relativ großen Volumen in der M4 Messung verwendet werden.
[Bedeutung] Die materiellen Eigenschaften, die im Zusammenhang mit dem Kontaktwinkel stehen, sind beispielsweise Lackier-, Bedruck- und Verklebbarkeit der Lotuseffekt, sowie Sauberkeit, Rauigkeit, Homogenität einer Oberfläche, Wirkung von Oberflächenbehandlungen, Alterung, Adsorption und Diffusion aus dem Bulkmaterial (z.B. Migration von Antistatika). Ob eine Flüssigkeit von einer Oberfläche abperlt oder die Neigung anzuhaften zeigt, wird durch die Kontaktwinkelhysterese bestimmt.
[Prinzip] Die IMETER Methode M4 beruht auf Kraftmessungen beim Ein- und Austauchen fester Körpers definierter Geometrie in eine Flüssigkeit mit definierter Oberflächenspannung und Dichte. Die Berechnung der Kontaktwinkel erfolgt über das Gewicht der auftretenden Meniski (vgl. Abb.2 und 3). Für Kontaktwinkelmessungen werden bekanntermaßen meistens optische Geräte angewendet. Winkelmesswerte beider Vorrichtungen sind vergleichbar. Bei Messungen an liegenden Tropfen sind einige Konventionen notwendig, etwa mit welcher Technik Tropfen aufgetragen werden, wie groß diese sein sollen, nach welcher Zeit der Winkel gemessen wird etc. Diese Fragen tauchen bei M4 bequemerweise nicht auf. Insbesondere die Steuerung über Gleichgewichtskräfte führt zur Selbstnormierung: 'statische Kontaktwinkel'. Temperierung und atmosphärische Einstellungen sind relativ einfach darstellbar. Eine Besonderheit von M4 besteht wie gesagt darin, dass die Messung statisch ausgeführt werden kann. D.h. statt mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit, wie dies üblich war [Lit. 83, S.318-321], bietet die IMETER Methode N°4 zusätzlich die Möglichkeit, die Probe stufenweise, statisch positioniert in die Flüssigkeit zu senken und ebenso wieder herauszuziehen, wobei nach jeder Positionsänderung ein Kräftegleichgewicht abgewartet werden kann und so auch eine große Anzahl einzelner Kontaktwinkel automatisch bestimmt wird, deren Mittelwert und Standardabweichung ein statistisch präzisiertes 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 jeweils Mittelwerte von Mittelwerten der Kontaktwinkel.
[Verfahren, typisch] Die Probe wird per Klammer, Steckhaube, Haken oder sonst irgendwie an einem Probenhalter lotrecht befestigt und am Lastträger der Wägeeinrichtung eingesetzt. Der Paralleltisch bewegt das Temperiergefäß in dem sich die Messflüssigkeit befindet so, dass die Probenunterseite sich anfangs genügend weit über der Flüssigkeitsoberfläche befindet. Ein Deckel kann aufgesetzt werden, um die Messzelle soweit möglich abzuschließen. Die Probe konditioniert bei der gewählten Temperatur und Atmosphäre in der Messzelle. Nach der Konditionierzeit startet die Messung automatisch, indem sich die Plattform in Mikrometerschritten hebt. Sobald die Flüssigkeitsoberfläche berührt wird - das spürt die empfindliche Waage - stoppt die Bewegung, und das Bezugsniveau ist somit definiert. Es wird gewartet, bis keine Kraftänderung mehr auftritt bzw. die Kräfte aus Benetzung und Auftrieb ein Gleichgewicht erreicht haben. Dann wird die Probe um eine vorbestimmte Strecke tiefer in die Flüssigkeit bewegt und erneut wartet die Steuerung bis bis das vorgegebene Kräfte-Gleichgewichtskriterium erfüllt wird. Das stufenweise Eintauchen wird beispielsweise zwanzig Mal wiederholt. Dann wird die Richtung gewechselt, um Rückzugskontaktwinkel zu messen. Der Bereich der Hysterese, d.h. wo der Winkel von advancing nach receding umkippt, wird über kleinere Strecken gemessen, um den Vorgang bei der Kontaktwinkelumkehr detailliert zu erfassen. Bisweilen wird das Verfahren so eingestellt, dass die Kraft-Weg-Abtastung beim Herausbewegen des Körpers mit dem Erreichen der Oberfläche fortgesetzt erfolgt, wobei die Auszugstrecke und Maximalkraft des Meniskus' vor dem Abreißen der Flüssigkeitslamelle mitunter Zusatzinformationen bietet (bei ideal scharfkantigen Prüfkörpern ist das bisweilen die Oberflächenspannung der Flüssigkeit, die dadurch inline überprüfbar ist). - Die Messung läuft mit dem Einsetzen der Probe automatisch ab. Sobald das steuernde Messprogramm seine Arbeit getan hat, liegt zugleich das Ergebnis mit Bericht und Diagrammen vor und kann beurteilt werden.
[Ergebnis - Automatik] Egal unter welchen Umständen Messungen ausgeführt werden: die Software bereitet die erhaltenen Experimentaldaten auf und erzeugt Diagramme, die eine Beurteilung erleichtern und die Ergebnisse visualisieren. In Abb.3 ist die hier wichtige Gleichung erklärt. Die Diagramme unten zeigen am Beispiel der Messung an einer PTFE-Platte (Teflon®) Rohdaten entsprechend dem Ausdruck "Wi-W°", dann im mittleren Diagramm die um Auftriebseffekte korrigierten und über den Umfang normierte Daten zur Zugspannung des Meniskusgewichts an der Dreiphasengrenzlinie und schließlich, die für jeden Messpunkt berechneten Werte des jeweiligen Kontaktwinkels. Automatisch wird in der Datenbank, in der ja alle Messungen gespeichert werden, nach einer gleichbenannten Probe "PTFE-1mm" gesucht und sofern entsprechende Messungen vorliegen, diese auch zur Gesamtauswertung herangezogen. Die Gesamtauswertung liefert automatisch die Oberflächenenergie für die Probe. Näheres können Sie unterhalb über das verlinkte PDF erfahren. Klicken Sie zum Vergrößern bitte auf das Pic.
[Bedeutung] Die materiellen Eigenschaften, die im Zusammenhang mit dem Kontaktwinkel stehen, sind beispielsweise Lackier-, Bedruck- und Verklebbarkeit der Lotuseffekt, sowie Sauberkeit, Rauigkeit, Homogenität einer Oberfläche, Wirkung von Oberflächenbehandlungen, Alterung, Adsorption und Diffusion aus dem Bulkmaterial (z.B. Migration von Antistatika). Ob eine Flüssigkeit von einer Oberfläche abperlt oder die Neigung anzuhaften zeigt, wird durch die Kontaktwinkelhysterese bestimmt.
[Prinzip] Die IMETER Methode M4 beruht auf Kraftmessungen beim Ein- und Austauchen fester Körpers definierter Geometrie in eine Flüssigkeit mit definierter Oberflächenspannung und Dichte. Die Berechnung der Kontaktwinkel erfolgt über das Gewicht der auftretenden Meniski (vgl. Abb.2 und 3). Für Kontaktwinkelmessungen werden bekanntermaßen meistens optische Geräte angewendet. Winkelmesswerte beider Vorrichtungen sind vergleichbar. Bei Messungen an liegenden Tropfen sind einige Konventionen notwendig, etwa mit welcher Technik Tropfen aufgetragen werden, wie groß diese sein sollen, nach welcher Zeit der Winkel gemessen wird etc. Diese Fragen tauchen bei M4 bequemerweise nicht auf. Insbesondere die Steuerung über Gleichgewichtskräfte führt zur Selbstnormierung: 'statische Kontaktwinkel'. Temperierung und atmosphärische Einstellungen sind relativ einfach darstellbar. Eine Besonderheit von M4 besteht wie gesagt darin, dass die Messung statisch ausgeführt werden kann. D.h. statt mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit, wie dies üblich war [Lit. 83, S.318-321], bietet die IMETER Methode N°4 zusätzlich die Möglichkeit, die Probe stufenweise, statisch positioniert in die Flüssigkeit zu senken und ebenso wieder herauszuziehen, wobei nach jeder Positionsänderung ein Kräftegleichgewicht abgewartet werden kann und so auch eine große Anzahl einzelner Kontaktwinkel automatisch bestimmt wird, deren Mittelwert und Standardabweichung ein statistisch präzisiertes 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 jeweils Mittelwerte von Mittelwerten der Kontaktwinkel.
[Verfahren, typisch] Die Probe wird per Klammer, Steckhaube, Haken oder sonst irgendwie an einem Probenhalter lotrecht befestigt und am Lastträger der Wägeeinrichtung eingesetzt. Der Paralleltisch bewegt das Temperiergefäß in dem sich die Messflüssigkeit befindet so, dass die Probenunterseite sich anfangs genügend weit über der Flüssigkeitsoberfläche befindet. Ein Deckel kann aufgesetzt werden, um die Messzelle soweit möglich abzuschließen. Die Probe konditioniert bei der gewählten Temperatur und Atmosphäre in der Messzelle. Nach der Konditionierzeit startet die Messung automatisch, indem sich die Plattform in Mikrometerschritten hebt. Sobald die Flüssigkeitsoberfläche berührt wird - das spürt die empfindliche Waage - stoppt die Bewegung, und das Bezugsniveau ist somit definiert. Es wird gewartet, bis keine Kraftänderung mehr auftritt bzw. die Kräfte aus Benetzung und Auftrieb ein Gleichgewicht erreicht haben. Dann wird die Probe um eine vorbestimmte Strecke tiefer in die Flüssigkeit bewegt und erneut wartet die Steuerung bis bis das vorgegebene Kräfte-Gleichgewichtskriterium erfüllt wird. Das stufenweise Eintauchen wird beispielsweise zwanzig Mal wiederholt. Dann wird die Richtung gewechselt, um Rückzugskontaktwinkel zu messen. Der Bereich der Hysterese, d.h. wo der Winkel von advancing nach receding umkippt, wird über kleinere Strecken gemessen, um den Vorgang bei der Kontaktwinkelumkehr detailliert zu erfassen. Bisweilen wird das Verfahren so eingestellt, dass die Kraft-Weg-Abtastung beim Herausbewegen des Körpers mit dem Erreichen der Oberfläche fortgesetzt erfolgt, wobei die Auszugstrecke und Maximalkraft des Meniskus' vor dem Abreißen der Flüssigkeitslamelle mitunter Zusatzinformationen bietet (bei ideal scharfkantigen Prüfkörpern ist das bisweilen die Oberflächenspannung der Flüssigkeit, die dadurch inline überprüfbar ist). - Die Messung läuft mit dem Einsetzen der Probe automatisch ab. Sobald das steuernde Messprogramm seine Arbeit getan hat, liegt zugleich das Ergebnis mit Bericht und Diagrammen vor und kann beurteilt werden.
[Ergebnis - Automatik] Egal unter welchen Umständen Messungen ausgeführt werden: die Software bereitet die erhaltenen Experimentaldaten auf und erzeugt Diagramme, die eine Beurteilung erleichtern und die Ergebnisse visualisieren. In Abb.3 ist die hier wichtige Gleichung erklärt. Die Diagramme unten zeigen am Beispiel der Messung an einer PTFE-Platte (Teflon®) Rohdaten entsprechend dem Ausdruck "Wi-W°", dann im mittleren Diagramm die um Auftriebseffekte korrigierten und über den Umfang normierte Daten zur Zugspannung des Meniskusgewichts an der Dreiphasengrenzlinie und schließlich, die für jeden Messpunkt berechneten Werte des jeweiligen Kontaktwinkels. Automatisch wird in der Datenbank, in der ja alle Messungen gespeichert werden, nach einer gleichbenannten Probe "PTFE-1mm" gesucht und sofern entsprechende Messungen vorliegen, diese auch zur Gesamtauswertung herangezogen. Die Gesamtauswertung liefert automatisch die Oberflächenenergie für die Probe. Näheres können Sie unterhalb über das verlinkte PDF erfahren. Klicken Sie zum Vergrößern bitte auf das Pic.
Abb1.: IMETER bei der Kontaktwinkelmessung
Abb. 2: Schematischer Aufbau
Abb. 3: Eingangsgrößen und formelmäßiger Zusammenhang
Abb. 4: Rohdatendiagramm (Vorrück- , Rückzugsbewegung) => statische Wägewerte jeweils abzüglich des Probengewichts. Die Gewichtsdaten zeigen die Nettokräfte, d.h. Benetzungs- und Auftriebskräfte in Abhängigkeit von Eintauchtiefe und Bewegungsrichtung.
Abb. 5: 'Line Tension' oder 'spezifische Tripellinien Haftkraft'
Abb. 6: 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. ► ♦ PDF-Download: IMETER-M4 Messung an PTFE (Wertevergleich: vgl. Literatur-Vergleichswerte zu PTFE von der Seite accudynetest.com/Tabellen)
[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.
[Details] Die Umstände der Messung (Dauer der Konditionierung der Probe in der Atmosphäre der Messzelle, Schärfe der Gleichgewichtskriterien oder Beweggeschwindigkeit, Form der Probe, Strecke, Abtastraten, Wiederholsequenzen bei Parametervariation ...) sind recht 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.
[Plattform-Methode] Die 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, sie 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 IMETER M4 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. Die Probe kann evtl. aufgeschmolzen, in entsprechender Matrix oder auf geeignetem Klebestoff eingepresst oder aufgetragen werden. Als Träger kommen auch Fasern in Frage.
[Stichpunkte zu M4] statische und dynamische Kontaktwinkel. Mittelwerte, Standardabweichung für ein realistisches Bild. Universelle Anwendbarkeit. Genaue Analyse der Kontaktwinkel-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 und sehr transparentes Verfahren. Hoher Automatisierungsgrad. Einfache Integritätssicherungen der Messflüssigkeit (γ, ρ). Eignung für Forschung und Entwicklung, vielleicht auch für QS.
Spezielle und allgemeine Anwendung der von uns entwickelten statischen Messverfahren können auch unserer Patentschrift DE 44 12 405 entnommen werden.
[Details] Die Umstände der Messung (Dauer der Konditionierung der Probe in der Atmosphäre der Messzelle, Schärfe der Gleichgewichtskriterien oder Beweggeschwindigkeit, Form der Probe, Strecke, Abtastraten, Wiederholsequenzen bei Parametervariation ...) sind recht 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.
[Plattform-Methode] Die 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, sie 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 IMETER M4 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. Die Probe kann evtl. aufgeschmolzen, in entsprechender Matrix oder auf geeignetem Klebestoff eingepresst oder aufgetragen werden. Als Träger kommen auch Fasern in Frage.
[Stichpunkte zu M4] statische und dynamische Kontaktwinkel. Mittelwerte, Standardabweichung für ein realistisches Bild. Universelle Anwendbarkeit. Genaue Analyse der Kontaktwinkel-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 und sehr transparentes Verfahren. Hoher Automatisierungsgrad. Einfache Integritätssicherungen der Messflüssigkeit (γ, ρ). Eignung für Forschung und Entwicklung, vielleicht auch für QS.
Spezielle und allgemeine Anwendung der von uns entwickelten statischen Messverfahren können auch unserer Patentschrift DE 44 12 405 entnommen werden.
Abb. 7: (Weiteres zu dem Beispiel) Ein automatisches "Lookup" in der Datenbank fügt vorhandene Ergebnisse in die Betrachtung ein und berechnet so die Oberflächenenergie selbsttätig. 
Abb. 8: (Weiteres zu dem PTFE Beispiel) Mit dem ebenfalls automatisch erzeugten Diagramm "Wetting-Zones" wird die Polar/Dispers-Qualität der Oberflächenenergie dargestellt. Fakultatives
- 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. 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. Es muss jedoch eingeräumt werden, dass konventionelle Θ Werte nur an den Stellen gewonnen werden können, an welchen das Objekt ringsum die Fluidoberfläche orthogonal schneidet.
- 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. 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. Es muss jedoch eingeräumt werden, dass konventionelle Θ Werte nur an den Stellen gewonnen werden können, an welchen das Objekt ringsum die Fluidoberfläche orthogonal schneidet.
- 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.
Die per Tabelle ausgegebenen Roh- und Ergebnisdaten, die im automatischen Prüfbericht enthalten sind, können mit der folgenden Gleichung mit jeweiligen Kontaktwinkel (ϴ) und Eintauchtiefe h einer Oberflächenposition z auf der Probekörperlänge zuordnen:
z = h + √ (2γ / ( ρ·g ))⋅ cos(ϴ)
Damit sollte z die genaue Positionshöhe des jeweils gemessenen Kontaktwinkels auf der Probenoberfläche indizieren.
Die per Tabelle ausgegebenen Roh- und Ergebnisdaten, die im automatischen Prüfbericht enthalten sind, können mit der folgenden Gleichung mit jeweiligen Kontaktwinkel (ϴ) und Eintauchtiefe h einer Oberflächenposition z auf der Probekörperlänge zuordnen:
z = h + √ (2γ / ( ρ·g ))⋅ cos(ϴ)
Damit sollte z die genaue Positionshöhe des jeweils gemessenen Kontaktwinkels auf der Probenoberfläche indizieren.
- 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. 92]. - Kontaktwinkelmessungen, wobei die dritte Phase nicht Luft ist, sondern eine andere Flüssigkeit ist, sind auch 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 Aufgabenstellungen zu bearbeiten, die mit anderen Mitteln (am liegenden Tropfen) eher nicht zugänglich sind.
- In Studien ist bereits aufgefallen, dass die wiederholte Kontaktwinkelmessung bei Polymeren veränderte Werte liefert, wohl indem sich die Konstitution der Feststoffoberfläche durch die Messflüssigkeit verändert (augeprägt bei PTFE, gering bei POM - gegenüber Wasser). Solche Memory-Effekte können durch (inwischen vollautomatischen) Wiederholungsmessungen direkt beobachtet werden. Hier entstand auch der Wunsch zufallsgesteuerte Eintauchtiefen und ebenso zufällig erfolgende Vorrück/Rückzugs-Winkel und im Hinblick auf die benetzte Zeit zu analysieren. Dazu kommt, dass Gleichgewichtsbedingungen der Kraftmessung, dynamische Bewegungen, Temperatur und Atmosphäre ebenso unter die Kontrolle eines IMPros kommen können. Es dürfte ein - je nach Fragestellung - wirklichkeitsgetreueres Bild von tatsächlichen Verhältnissen erhalten werden.
- 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. 92]. - Kontaktwinkelmessungen, wobei die dritte Phase nicht Luft ist, sondern eine andere Flüssigkeit ist, sind auch 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 Aufgabenstellungen zu bearbeiten, die mit anderen Mitteln (am liegenden Tropfen) eher nicht zugänglich sind.
- In Studien ist bereits aufgefallen, dass die wiederholte Kontaktwinkelmessung bei Polymeren veränderte Werte liefert, wohl indem sich die Konstitution der Feststoffoberfläche durch die Messflüssigkeit verändert (augeprägt bei PTFE, gering bei POM - gegenüber Wasser). Solche Memory-Effekte können durch (inwischen vollautomatischen) Wiederholungsmessungen direkt beobachtet werden. Hier entstand auch der Wunsch zufallsgesteuerte Eintauchtiefen und ebenso zufällig erfolgende Vorrück/Rückzugs-Winkel und im Hinblick auf die benetzte Zeit zu analysieren. Dazu kommt, dass Gleichgewichtsbedingungen der Kraftmessung, dynamische Bewegungen, Temperatur und Atmosphäre ebenso unter die Kontrolle eines IMPros kommen können. Es dürfte ein - je nach Fragestellung - wirklichkeitsgetreueres Bild von tatsächlichen Verhältnissen erhalten werden.
