OFS Ring

Die IMETER - Ringmethoden (M1/M2)

 Tensiometrie zur Messung von

Oberflächenspannung und Grenzflächenspannung

  • Features: Statische und dynamische Messung, Temperatur-, Zeit-, Konzentrations-, Geschwindigkeitsabhängigkeiten,
  • driftfrei-langzeitkorrekt, metrologisch definiert, rückverfolgbar, mit exakter und ausführlicher Dokumentation und
  • KI-Anschlußfähigkeit (!)... und so Einiges, was es wohl nur mit IMETER gibt
Die IMETER M1/M2 Tensiometrie bietet die Technik für einfache und komplexe Aufgaben. Die klassische Ringmethode wurde fundamental überarbeitet, wesentlich verbessert und steht universell, zeitgemäß und zukunftstauglich zur Verfügung.

Die Oberflächenspannung ist eine fundamentale Eigenschaft flüssiger Materie, sie ist eine wesentliche Eigenschaften von Anstrich-, Benetzungs-, Wasch- und Reinigungsmitteln und von Stoffen der Rohstoff-gewinnung. Sie bestimmt Benetzungsvorgänge und ist für die Stabilität von Emulsionen ausschlaggebend. Gegenüber traditionellen Verfahren bietet die IMETER Ringmethode einige bedeutende Verbesserungen. Abb.1 zeigt in einer animierten Skizze Verfahrenselemete einer automatisch driftfreien Oberlächenspannungsmessung. Die geschlossene Messzelle liefert durch Dampfsättigung einen Beitrag zur Richtigkeit der Messung. Im Messprozess können Kalibrierungen/Justierungen der Wägeeinrichtung erfolgen. Das Messmedium kann per Pumpen/Ventilsteuerung ausgetauscht oder durch Dosierungen verändert werden, weitere Sensoren können integriert werden (z.B. Farbe, pH, Leitfähigkeit) und die Bedingungen, wie Temperatur und Gasatmosphäre (Luftdruck, -Feuchte) sind prinzipiell veränderbar. Die statische Messung mit der IMETER-Ringmethode liefert auch bei höher viskosen Flüssigkeiten korrekte Werte. Neu ist die Anwendung der mechanischen Spektroskopie mit der Grenz- und Oberflächenspannung; dabei wird ein Geschwindigkeitsspektrum dynamischer Messgeschwindigkeiten durchlaufen, dessen Dynamikbereich sich über mehrere Größenordnungen erstreckt.
Mit IMETER steht ein Arsenal an Methoden und Komponenten für Messungen und Steuerungen zur Verfügung (z.B. Pumpen zur Förderung oder Konzentrationsänderung, Messungen unter Schutzgas). Ein exklusives Technikmerkmal ist, dass statische neben dynamischen Messung möglich sind und die Messverfahren ohne Nullpunktsdrift durchführbar sind. Wirklich statisch bedeutet, dass der Ringabzug in diskreten Schritten erfolgt und so jeweils Gleichgewichtskräfte erfaßt werden, um die physikalisch korrekte Tension erfassen zu können. So spielt die Viskosität der Probe keine Rolle - die Oberflächenspannung ist physikalisch als statische Eigenschaft definiert. Besonders hervorzuheben ist auch, dass IMETER die über hundert Jahre verwendeten Harkins & Jordan - Tabellen obsolet macht und so die bisherige Genauigkeit (von höchstens vier Stellen) von diesen Grenzen befreit. Gleichwohl können Messungen auch nachträglich durch verschiedene Algorithmen nachberechnet werden.
Einfachheit, Robustheit, Richtigkeit und viele Freiheitsgrade empfehlen die IMETER-Methode als allgemeine Standardmethode. Neben einfachen, schnellen Messungen sind zeitliche, thermische Wirkungen und Messungen von Konzentrationseffekten relativ bequem ausführbar. Ein weitere Besonderheit ist die Möglichkeit Mittelwerten zu messen. Dadurch erhalten Ergebnisse eine außerordentlich hohe Qualität. 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 das selbe IMETER Modul, das sowohl für komplexe Messungen als auch für weniger anspruchsvolle Routine-Messaufgaben eingesetzt werden kann. Das IMETER M1/M2-Modul ist ein Leistungsfähiges Betriebsystem für die Messung der Grenz- und Oberflächenspannung, das alle Facetten universell, komfortabel, zeitgemäß und sehr zukunftstauglich zur Verfügung stellt. Als Entwickler-Anwender kann man sich auf die Soll-umstände von Messungen konzentrieren und diese passend automatisieren. Die Auswertung liefert Ergebnisse und Zwischenergebnisse in Tabellenform, die sich für KI-Trainings und -Auswertungen empfehlen.
Die Ablaufsteuerung mit der IMPro-Technik erlaubt rekursive und selbstlernende Steuerungen und insgesamt eine beachtliche Gestaltungsfreiheit, so dass auch unerhört hochspezifische Anwendungen instrumentiert und automaisiert werden können. Als symbolisch-parametrisches System ist IMETER M1/M2 dimensionsfrei. So kann IMETER beispielsweise auch Implikationen bei Verwendung einer µ-Waage (Mikrowaage) handhaben. IMETER M1/M2 nutzt die DeNoüy-Ring-Methode vollständig und total, und bietet ein Spektrum für situative Messungen dieser fundamentalen Materieeigenschaft.

IMETER M1 Anwendungsbeispiele

 

(1) Oberflächenspannung als Mittelwert unabhängiger Einzelmessungen

Dimethylformamid 20CAuf einen Blick kann das Ergebnis mit dem Erwartungswert 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.



PDF Beispiele für einfache Messungen: 
Heptan.pdf, ►Wasser.pdf




(2) Kontinuierliches Monitoring, Prozessmessung,  ∞ unabhängiger Zeitverlauf der Oberflächenspannung

 Die Oberflächenspannung von Toluol folgt der Temperatur, die im Zickzack geändert wird. Abb. 4: Die Oberflächenspannung von Toluol folgt der Temperatur, die im Zickzack geändert wird. In Abkühlphasen hinkt die Oberflächentemperatur der Massetemperatur hinterher.

Diagramm Abb.4 zeigt den Verlauf der Oberflächenspannung (Toluol) während der Thermostat die Temperatur im Zickzack zwischen 20 und 30°C führt. Die Oberflächenspannung folgt der Temperatur und auch die Pegelhöhe in der Messzelle (Abb.5).

IMETER M1/M2 kann für kontinuierliche Messungen über beliebige Zeiträume ohne Signaldrift und störungsunepfindlich eingesetzt werden. Das messtechnische Problem, das bei praktisch allen mechanischen Messungen mit der Zeit auftritt, nämlich die elektronische Drift des Nullpunktes der Kraftmessung sowie dessen Veränderung z.B. durch Kondensation an der Montierung, wird bei IMETER technisch ausgeschlossen. Die Nullpunktdrift wird durch ständige Messung einer zeitlich nahen Referenzkraft verhindert. Dabei befindet sich der Ring (z.B.) exakt 2 mm tief in der Phase mit rückwärtigen Kontaktwinkeln am Gestänge. Die Kraftdifferenz zwischen der definierten Position und der Kraft im Kraft-Parabelmaximum entspricht der Oberflächenspannung.
Eine Temperierung ist bei solchen Messungen nicht erforderlich, da über Referenzdaten eine Soll-Ist-Abweichung für jede Temperatur angezeigt werden kann. Diese technischen Erfindungen ermöglichen neue und sehr einfach anwendbare Handhabungen z.B. für den Einsatz zu Onlinemessungen bei Technikumsanlagen. Die Prozesssteuerung (per IMPro) ermöglicht dazu noch verschiedene Regelungen und automatische Interventionen (Dosieren, Entnehmen, Zielwert einregeln, Warnungen ausgeben etc.).
Toulol Prozess THAbb. 5: Der Temperatur folgt auch das Volumen der Probe in der Messzelle. Die blauen Markierungen zeigen den relativen Verlauf der Pegelhöhe in der Messzelle.
Ob Prozessmedien, fermentierende Bioflüssigkeiten, reifende Formulierungen,  galvanische Bäder - es werden zeitlich unbegrenzt die Daten aufgezeichnet und genauestens und malipulationssicher protokolliert.Toulol Prozess 5h







PDF-Beispiel für eine kontinuierliche Messung der Oberflächenspannung:  ►Toluol (Prozessmessung).pdf

 

(3)  Oberflächenspannung im Zeitverlauf - Prüfung auf stabile Verhältnisse

Water Time Stability 15311Die Oberflächenspannung von Wasser wurde eine Zeit lang 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'.
(Temperaturkompensiert bedeutet, dass der Referenzwert zur jeweils vorliegenden Temperatur berechnet wird)
Was auch immer mit der Probe bei dem Monitoring gemacht wurde, es hatte offenbar keinen Einfluß auf die Oberflächenspannung von Wasser.


 



 

 




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.

 

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:


 

Oberflächenspannung von (Lösemittel)Gemischen

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

Der Zusammenhang von Oberflächenspannung und Konzentration kann bei Rezeptentwicklung für die geeignete Additivierung wertvoll sein,  um 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.

Beispiele für Mischungseffekte:

 

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

 

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

 

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

 

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.

Funktional γd,s = f(t,T,C,v)μ  

  • γ ±  σ Mittelwert, Standardabweichung
  • Δt  Funktion der Zeit (Kinetik, Stabilität)
  • ΔT Temperatur (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]).


Spezifikationen*

 

  • Auflösung:  0.01 mN/m,
  • Reproduzierbarkeit:  ±0.02mN/m
  • Mess­bereich:  > 0.5  bis  1000 mN/m
  • dynamische Messgeschwindigkeit:  < 0.001 bis >10 mm/s
  • Temperaturbereich: -40°C bis 190°C
  • max. Messdauer einer Messung:  21 Tage

 
*typische Spezifikationswerte bei IMETER 6/7. M1/M2-Messungen können unter allen Umständen ausgeführt werden, die ausreichend kontrolliert dargestellt werden können. Durch das YLP-Auswertungsverfahren sind die Dimension der Ringe frei wählbar. Auflösung und Messbereiche können außerdem durch die Eigenschaften der verwendeten Komponenten (Hardware: Positionierung, Dynamik, Kraft- und Temperaturmessung, Dimensionierungen) angepasst werden. - IMETER ist im Wesentlichen eine Software - ein intelligentes, zeitloses System, das sich einer Hardware bedient.

  • Messung und Auswertung in Übereinstimmung mit DIN 53914, ASTM D 1331, ISO 6889 (...) ausführbar.
  • Auswertungsverfahren nach Harkins und Jordan, Fox und Chrisman, Zuidema & Waters sowie nach der fundamentalen Young-Laplace Differenzialgleichung stehen zu Wahl (auch nachträglich).
  • Automatische Auswertung zu GxP-konformen Prüfberichten nach den Vorgaben der DIN.
  • Aufwendungen zur Nachbearbeitung, Ergebnisverwaltung, für Laborjournale, Ablagewesen, Produktions­übersichten etc. entfallen weitgehend;
  • Messungen sind in Gänze dokumentiert.
  • Erzeugte Messergebnisse sind vollständig, rückführbar und eigentlich ewig.
  • IMETER verbraucht sehr wenig Energie, Arbeitszeit oder andere Ressourcen.


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