IMETER M4 ist die instrumentierte Kontaktwinkelmessungen auf Basis der Wilhelmy-Methode. Ausführung und Auswerteverfahren sind automatisiert. Benetzungsqualitäten werden über Kontaktwinkel (θ), Adhäsionsenergie (ªE) und relative Benetzbarkeit (B_%) bemessen. Die Bedingungen der Messung können vielfältig gestaltet werden.
Im Unterschied zu optischen Methoden liefert M4 über die Messgröße Adhäsionsenergie zusätzlich direkte Aussagen über die energetischen Verhältnisse. Der Messbereich ist unbegrenzt, so können "Kontaktwinkel ≤ 0°"- Resultate, die bei totaler Benetzungen auftreten, differenziert werden. IMETER M4 Ergebnisse werden außerdem durch die neu eingeführte Größe "relative Benetzbarkeit" anschaulich und leichter verständlich.
Die Serienautomatik ermöglicht Memory-Effekte der Oberflächenenergie durch Wiederholung mit oder ohne Variation der Umstände systematisch zu untersuchen, auch etwa, um eine richtige Beschichtungsgeschwindigkeit zu bestimmen, Wiederholeffekte zu studieren oder um Effekte oder Haltbarkeit von Oberflächenbehandlungen erkennbar zu machen. Dynamische Auswirkungen auf die Kraft an der Dreiphasengrenzlinie können mit konstant und beschleunigt bewegten Benetzungsmessungen durchgeführt werden. Statische Messungen ermöglichen die Erfassung des Gleichgewichtskontaktwinkels (nach unserem Patent DE4412405). 
Nebst neuen Kraft-Effekten aus Dynamik und Materialschichtdicke, kann die Steiggeschwindigkeit des Meniskus und die Ausbreitung der Benetzung als Position der Dreiphasengrenze lokalisiert werden. Für den M4-Prüfbericht wird der jeweilige Messmodus mit statischer, dynamischer, teilbeschleunigter und konstant beschleunigter Dreiphasengrenzlinie ausgewertet; die autogenen Prüfberichte enthalten alle Angaben und dokumentieren Messungen beweiskräftig. Als Einführungsbeispiel zeigt Abb.1 ein Diagramm zum Verlauf der Adhäsionsenergie bei der Kontaktwinkelmessung an einem Kupferzylinder in Isooktan unter konstant beschleunigter Immersion/Emersion. Der Prüfbericht kann als PDF heruntergeladen werden (► ♦ PDF Prüfbericht (IDN°22513); für Fachleute sind diese kontra-intuitiven Ergebnisse besonders herausfordernd. - Immerhin, die ausgeklügelte IMETER-Technik ermöglicht die Beobachtung dieser Phänome wie in Abb.1. -  (Allgemeine Infos zum Thema finden Sie unter ►Beschreibungen zu Young-Gleichung und Oberflächenenergie). 
Die "Oberflächen hat der Teufel gemacht", so wird der Quantenphysiker und Nobelpreisträger Wolfgang Pauli zitiert. Und, um im Bild zu bleiben - IMETER M4 bietet für dämonische Oberflächen den universellen Exorzismus. 


[Anwendbarkeit] Die Kontaktwinkelmessung mit IMETER M4 betrifft Oberflächen, die auf Platten, Stäben, Fasern oder Folien vorliegen. Um eindeutige Ergebnisse erhalten zu können, muss die zu messende Feststoffoberfläche rings um und entlang der Prüflänge gleichartig sein.  Angaben über Dichte, Oberflächenspannung und gegebenenfalls Viskosität der Messflüssigkeit werden benötigt. Wobei eine hydrostatische Dichtebestimmung auch aus den aufgezeichneten M4-Messdaten erfolgen kann. Kontaktwinkelmessungen an pulverförmigen Feststoffen können alternativ zu ►M7 (Washburn-Methode) auch hier mit M4 gemessen werden, indem eine Oberfläche durch aufpressen auf einen Träger, z.B. ein Mikroskop-Deckgläschen (d~0.1mm) oder durch auftrocknen aus einer Suspension dargestellt wird.
Im Vergleich zur gängigen Technik der Kontaktwinkelmessung am liegenden Tropfen, bietet IMETER M4 eine ziemliche Einfachheit in der Handhabung und ein robustes instrumentelles Setting. IMETER M4 Messungen werden in einer kontrollierten Umgebung programmgesteuert ausgeführt, wobei auch andere Gase als Luft bei der Messung beteiligt sein können. Die Messungen unter anderen Temperaturbedingungen als der Raumtemperatur sind technisch problemlos durchführbar. Im Hinblick auf kinetische Messungen des Benetzungsverhaltens sind vielfältige Einstellmöglichkeiten vorhanden. Mit der statisch abtastenden Messung der Gleichgewichtskräfte liefert die sich ergebende Einstellgeschwindigkeit als zusätzliche Kenngröße levelling time. Für dynamische, teil- und vollbeschleunigte Benetzungsgeschwindigkeiten werden die dynamischen Messmöglichkeiten ausschließlich durch die Wandlergeschwindigkeit der Wägezelle begrenzt.

Durch geschwindigkeitsabhängige Messung der Vorrück- und Rückzugs-Kontaktwinkel steht somit ein weiterer Untersuchungsparameter zur Verfügung. Probenoberflächen können in einer Sequenz mehrfach gemessen werden, wodurch Hysterese- oder Memory-erscheinungen durch den Flüssigkeitskontakt für Untersuchungen zugänglich werden und auch andere Umstände können in zylischen Wiederholungsmessungen variiert werden. Durch die kürzlich etablierte Methode der Flüssigkeitsoberflächen bzw. - ►Niveaukonstanthaltung (auf Abb.2a klicken) können jetzt Oberflächenträger mit relativ großen Volumen in der M4 Messung verwendet werden. 
[Bedeutung] Die materiellen Eigenschaften, die im Zusammenhang mit Benetzbarkeit und Kontaktwinkel stehen, sind beispielsweise Lackier-, Bedruck- und Verklebbarkeit der Lotuseffekt, sowie Sauberkeit, Rauigkeit, Homogenität einer Oberfläche, Wirkung von Oberflächenbehandlungen, Alterung, Adsorption und Diffusion aus Bulkmaterial (z.B. Migration von Kunststoff-Antistatika). Ob eine Flüssigkeit von einer Oberfläche abperlt oder wie ausgeprägt die Neigung zur Anhaftung vorliegt, wird über die Kontaktwinkelhysterese zugänglich. Beispielsweise ist die Empfindlichkeit einer Wasserwaage durch die Kontaktwinkelhysterese (CAH) der Blase in der Libelle wesentlich bestimmt. Die Adhäsionsenergie-Hysterese (ªH) ist die dementsprechende Energiebarriere (der Umkehr). So, wie anziehende und abstoßende Kräfte den Untergrund der energetischen Wechselwirkungen sind, die wiederum als Adhäsionskraft an der Triple Line (Dreiphasenkontaktlinie) zum Vorschein kommen. Diese Kraft - zusammen mit der Oberflächenspannung des Fluids - formt den Tropfen. Goniometrie ist die Beobachtung der Auswirkung, gravimetrisch aber wird die ursächliche Kraft gemessen. Die Bedeutung dieser Kraft ist enorm, sie zerrt oder drückt als ±Zugkraft über die scharfe Triple Linie an der Prüfkörperoberfläche - in molekularen Dimensionen. Vielfach treten fest-flüssig-Kontake bei Beschichtungsvorgängen im Produktionszusammenhang auf und eine optimale Adhäsionsenergie mag den Unterschied von 'sehr gut' zu 'perfekt' machen. 
[Prinzips] Die IMETER Methode M4 beruht auf Kraftmessungen beim Ein- und Austauchen fester Körper definierter Geometrie in eine Messflüssigkeit. Die Berechnung der Kontaktwinkel erfolgt über das Gewicht der auftretenden Meniski (vgl. Abb.2 und 3), wobei die verantwortliche Adhäsionskraft messtechnisch oft relativ klein auf großem Untergrund zu bestimmen ist. Deshalb werden statische und kinetische Kraftkorrekturen angewendet, um reine Benetzungskräfte - als (unerklärte) Restkräfte - aus den Wägedaten zu extrahieren. 
Für Kontaktwinkelmessungen werden bekanntermaßen oft optische Geräte angewendet. Optische und gravimetrische Kontaktwinkelmessungen basieren auf dem selben physikalischen Konzept und sind vergleichbar. Bei optischen Messungen am liegenden Tropfen sind Konventionen erforderlich, etwa mit welcher Technik Tropfen aufgetragen werden, wie groß diese sein sollen, nach welcher Zeit der Winkel gemessen wird etc. Solche Konventionen erübrigen sich bei M4 (statisch), da keine Parameter erforderlich sind. Die Selbststeuerung des Ablaufs über Gleichgewichtskräfte normiert Ergebnisse automatisch stoffgerecht und sinnvoll.
Sofern die Anwendung der Wilhelmy-Methode nicht zur Bestimmung der Oberflächenspannung mittels Platinblech dient, werden bisher Kontaktwinkelmessungen mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit ausgeführt^{[Lit. 83, S.318-321]}. Sie liefert aus Kraft-Weg-Verläufen extrapollativ bestimmte Einzelwerte für adv./rec.-Kontaktwinkel. Demgegenüber sind mit IMETER Geschwindigkeiten und Beschleunigungen ziemlich wahlfreie Parameter. Dabei wird eine Anzahl an Kontaktwinkeln und Adhäsionsenergieen bestimmt, womit Mittelwert und Standardabweichung ein statistisch präzisiertes Bild einer Oberfläche liefern. 
Während der Entwicklung von M4 wurden Messergebnisse mit dem Befund Kontaktwinkel=0° dabei belassen. Das wurde bald als unbefriedigend befunden. Bei totaler Benetzung, einem Kontaktwinkel~0°-Ergebnis (also γs-γsl)/γ ≥1), sollte trotzdem ein konkreter Befund hervorgebracht werden. Da die Adhäsionskraft als größer gemessen wird, als es die Oberflächenspannung (γ) für den Umfang (P) erlauben würde, muss für kommunizierbare Ergebnisse die Kontaktwinkel-Metrik verlassen werden, da die Young-Gleichung cosΘ = (γs - γsl) / γ  ohne Korrekturterme mathematisch nicht gelten kann, da mit "cosΘ > 1" kein physischer Kontaktwinkel vorliegt.
Um das Dilema zu umgehen, wird bei M4 der Zusammenhang von Young- und Wilhelmy-gleichung angewendet:
  ªE = m_meniscus·g/p = ªF/p = γ·cosΘ = γ_s - γ_sl          [Gl.1]
Dem hydrostatischen Druck, der über die Triple Line vermittelt wird, entspricht die Adhäsionsenergie ªE, die äquivalent mit der Differenz von Oberflächenenergie der Festkörperoberfläche (γ_s) und der Grenzflächenenergie der Benetzung (γ_sl) ist., wobei die netto angreifende Adhäsionskraft bei dynamischen Messungen bestimmt wird aus:
  ªF = (W_Raw-W₀-W_Buoy.)·g+F_Buoy.air- F_visc.-F_kinet.-F_work.     [Gl.2] 
Die ªE-Skala hat kein Problem. Anschaulich kann die Adhäsionsenergie mit der Oberflächenenergie ins Verhältnis gesetzt werden und *100%, dann zeigt die relative Benetzbarkeit (B_%) die Hauptqualität der Benetzung einleuchtend an (B_%= ªE/γ·100%) ähnlich wie für Fachleute der Kontaktwinkel θ. Bei rel.Benetzbarkeit von B_% +100% ist die maximal mögliche Benetzung mit θ=0° erreicht, ein B_% ±0% bedeutet θ=90°, die Grenze der spontanen Benetzung und unglaubliche B_% -100% würden absolute Hydrophobie anzeigen (θ=180°). So kann einfach z.B. bei B_% 73% gesagt werden, dass das Fluid die Oberfläche ganz gut benetzt aber selbst nicht besonders spreitet. Tritt ein Ergebnis wie B_%+130% auf, liegt eine Überbenetzung (superwetting) vor, die in Kontaktwinkeln nicht ausdrückbar ist.

[Verfahren, Beispiel für eine statische M4-Messung]    Die Probe wird an einem Probenhalter lotrecht befestigt und am Lastträger der Wägeeinrichtung eingesetzt. Der Paralleltisch bewegt die Messzelle (ein Temperiergefäß), in der sich die Messflüssigkeit befindet so, dass sich die Probenunterseite kurz über der Flüssigkeitsoberfläche befindet. Ein Spezialdeckel kann aufgesetzt werden, um die Messzelle soweit möglich abzuschließen. Die Probe konditioniert bei der gewählten Temperatur und Atmosphäre in der Messzelle. Nach der Konditionierphase startet die Messung von selbst, indem sich die Plattform in Mikrometerschritten hebt. Sobald die Flüssigkeitsoberfläche durch die Probe berührt wird, stoppt die Bewegung, das Bezugsniveau ist gefunden. Nun wird wägetechnisch beobachtet, bis keine hinreichende Kraftänderung mehr auftritt und Kräfte aus Benetzung und Auftrieb das vorgegebene Gleichgewichtskriterium erreicht haben. Dann wird die Probe um eine bestimmte 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 die Haltekraft der angepinnten Triple Line und dann den Rückzugskontaktwinkel zu messen. Der Bereich der Hysterese, d.h. wo der Winkel von advancing nach receding  transformiert, 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 ('capillary bridge') mitunter Zusatzinformationen bietet. - Die Messung läuft mit dem Einsetzen der Probe automatisch ab. Sobald das steuernde Messprogramm (IMPro) seine Arbeit getan hat, liegt auch schon das Ergebnis als Bericht mit Diagrammen und Tabellen vor. 
[Ergebnis - Automatik] Das M4-Daten-Analysemodul ist dafür ausgelegt die Umstände einer Messung zu sezieren. Daher gibt es Spielraum für das wie und was in Messungen. Vielgestaltige Experimentaldaten werden automatisch in eine geeignete Berichtsform gebracht. Eine Nachbearbeitung kann genutzt werden, um beispielsweise Ergebnisse an einer bestimmten Stelle auszuwerten, eine Zusammenfassung zu erzeugen, eine Oberflächenenergieberechnung durchzuführen, etc..  

Warum zum Lösen einer festsitzenden Verschraubung dem Penetrieröl durch klopfen wesentlich geholfen werden kann, wird weiter unten geklärt.

[Beispiel PTFE] Die Diagramme unten zeigen am Beispiel der Messung an einer PTFE-Platte in Abb.4, Rohdaten entsprechend dem Ausdruck  'w_corr' in Prüfberichten ("W_i-W°"), mit Abb.5, wird angezeigt: "die um Auftriebs-, Kinetik- und Viskositätseffekte korrigierte und über den Umfang normierte Zugspannung des Meniskusgewichts an der Dreiphasengrenzlinie, der Benetzungsspannung bzw. spezifische Adhäsionskraft oder Adhäsionsenergie (ªE)". Mit Abb.6 werden die aus der spezifischen Adhäsionskraft berechneten Kontaktwinkel ausgegeben. Automatisch wird in der Datenbank, in der ja alle Messungen gespeichert werden, nach einer gleichbenannten Probe "PTFE-1mm" gesucht und sofern entsprechende Messungen vorliegen, werden sie auch zur Gesamtauswertung herangezogen. Eine Gesamtauswertung kann automatisch die Oberflächenenergie der Probe liefern. Näheres kann unterhalb über das verlinkte PDF in Erfahrung gebracht werden.