In der Goniometrie bezieht sich der Kontaktwinkel auf den Winkel, der sich am Schnittpunkt einer festen Oberfläche und eines Flüssigkeitstropfens auf dieser Oberfläche bildet. Sie ist ein wichtiger Parameter, der in der Oberflächenwissenschaft und bei der Materialcharakterisierung verwendet wird, um die Benetzungseigenschaften von Oberflächen zu verstehen. Der Kontaktwinkel gibt Auskunft darüber, wie gut sich eine Flüssigkeit auf einer festen Oberfläche ausbreitet bzw. benetzt.
Der Kontaktwinkel wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, unter anderem von der Oberflächenrauheit, der Oberflächenchemie und der Oberflächenenergie des Feststoffes und der Flüssigkeit. Unterschiedliche Kontaktwinkel können auf ein unterschiedliches Benetzungsverhalten hinweisen, z. B. auf hydrophile (niedriger Kontaktwinkel, hohe Benetzung) oder hydrophobe (hoher Kontaktwinkel, geringe Benetzung) Oberflächen. Unter Goniometrie versteht man die Messung und Analyse dieser Kontaktwinkel.
Industriezweige, die Goniometrie zur Messung von Kontaktwinkeln verwenden
Viele Industriezweige nutzen die Goniometrie zur Messung der Kontaktwinkel von Produkten oder Geräten. Das sind einige Beispiele:
- Nanotechnik
- Halbleiter
- Textil und Faser
- Polymere und Kunststoffe
- Insektizide
- Erdöl- und Erdgas
- Festplattenlaufwerke
Youngsche Gleichung
Mit der Elastizitätsgleichung lässt sich das Zusammenspiel der Kohäsions- und Adhäsionskräfte beschreiben und die Oberflächenenergie berechnen.
Ein Abfall mit einem Kontaktwinkel von mehr als 90° ist hydrophob. Diese Situation ist durch schlechte Benetzung, schwache Haftfähigkeit und eine geringe freie Festkörperoberflächenenergie gekennzeichnet. Ein hydrophiler Tropfen hat einen kleinen Kontaktwinkel. Dieser Zustand deutet auf eine verbesserte Benetzung, Klebefähigkeit und Oberflächenenergie hin.
Arten der Kontaktwinkelmessung
Statischer Kontaktwinkel
Der statische Kontaktwinkel, auch einfach als Kontaktwinkel bezeichnet, ist der Winkel zwischen der Tangente an die Flüssigkeitsoberfläche im Kontaktpunkt mit einer festen Oberfläche und der festen Oberfläche selbst. Es ist ein Maß für das Benetzungsverhalten einer Flüssigkeit auf einer festen Oberfläche, wenn sich der Flüssigkeitstropfen im Gleichgewicht befindet, d. h. wenn sich die Größe oder Form des Tropfens im Laufe der Zeit nicht ändert.
Der Kontaktwinkel wird häufig zur Beurteilung der Sauberkeit herangezogen. Organische Schadstoffe hemmen die Benetzung und erhöhen den Kontaktwinkel auf hydrophilen Oberflächen. Der Kontaktwinkel nimmt normalerweise ab, wenn sich die Benetzung verbessert, und die Oberflächenenergie nimmt zu, wenn eine Oberfläche gereinigt und behandelt wird, um Verunreinigungen zu beseitigen.
Der Kontaktwinkel wird häufig zur Beurteilung der Sauberkeit herangezogen. Organische Schadstoffe hemmen die Benetzung und erhöhen den Kontaktwinkel auf hydrophilen Oberflächen. Der Kontaktwinkel nimmt normalerweise ab, wenn sich die Benetzung verbessert, und die Oberflächenenergie nimmt zu, wenn eine Oberfläche gereinigt und behandelt wird, um Verunreinigungen zu beseitigen. Der statische Kontaktwinkel kann auch durch die Oberflächenrauheit beeinflusst werden.
Eine dynamische Kontaktwinkelmessung ist eine Messung des Kontaktwinkels an einem sich bewegenden Tropfen. Dazu gehören unter anderem Kippplatten-Kontaktwinkelmessungen, Volumenaddition und -subtraktion sowie zeitabhängige Untersuchungen.
Zeitabhängige dynamische Studien
Forscher beobachten häufig den Kontaktwinkel im Laufe der Zeit, um die Auswirkungen von Absorption, Verdunstung und ungewöhnlicheren Phänomenen wie dem Übergang von Cassie zu Wenzel zu untersuchen. Andere zeitabhängige Forschungen untersuchen, wie sich der Kontaktwinkel im Laufe der Zeit ändert, wenn sich die Umgebungsbedingungen (wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit) ändern. In manchen Fällen wird der Tropfen durch die Zugabe einer Chemikalie verändert, die die Oberflächenspannung erhöht oder senkt.
Viele Wissenschaftler haben sich in den letzten Jahren mit dem Cassie- und dem Wenzel-Zustand beschäftigt, um die Superhydrophobie besser zu verstehen. Im Cassie-Zustand liegt ein Tropfen auf Unebenheiten, mit Luftlücken darunter, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
Kippplattenmethode
Bei der Kippplattenmethode werden die Kontaktwinkel sowohl auf der linken als auch auf der rechten Seite eines sessilen Tropfens gemessen, während die feste Oberfläche in der Regel zwischen 0° und 90° geneigt wird. Da die Oberfläche geneigt ist, führt die Schwerkraft dazu, dass der Kontaktwinkel auf der abwärts gerichteten Seite größer wird.
Messen des Kontaktwinkels mit einem DSX1000 Mikroskop
Untersuchung des Kontaktwinkels einer Holzoberfläche mit Beschichtungen
Der Kontaktwinkel von Wasser auf verschiedenen Beschichtungen wurde mit einem DSX1000 Mikroskop mit schwenkbarem Stativ und einem 3-fach-Objektiv gemessen.
Die leistungsstarke Software des DSX1000 Systems ermöglicht eine einfache Messung von Kontaktwinkel und Oberflächenrauheit. Hier konzentrieren wir uns auf den Kontaktwinkel.
Die Kontaktmessung erfolgt wie folgt.
Aus den obigen Ergebnissen lässt sich ableiten, dass die Änderungen der Kontaktwinkelwerte von der Beschichtung abhängen, was die relative Stärke der molekularen Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit, Feststoff und Dampf widerspiegelt.
Wir untersuchten auch den Kontaktwinkel auf rohem Mangoholz und den Kontaktwinkel nach der Beschichtung.
Wir haben den gleichen niedrigen Kontaktwinkel auf der Oberfläche ohne Beschichtung beobachtet.
Erweiterte Messfunktion: Oberflächenrauheit
Unser DSX1000 Mikroskop kann auch die Oberflächenrauheit von Holz vor und nach der Beschichtung messen.
Die Standardparameter Ra und Sa des Linienprofils und der Flächenrauheit können aus dem vom Mikroskop erfassten 3D-Bild ausgewertet werden.
Teile dieses Inhalts wurden aus „Olympus DSX1000 Microscope a Contact Angle Goniometer“ übernommen, ursprünglich verfasst von Gyanesh Singh, Application Specialist at IR Technology Services Pvt. Ltd. Das Original finden Sie unter www.irtech.in/uncategorized/olympus-dsx1000-microscope-a-contact-angle-goniometer/
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