Kurzinfo

  • Kontaktwinkel zwischen einer Flüssigkeit und einem Festkörper
  • Freie Oberflächenenergie aus Kontaktwinkeln mehrerer Testflüssigkeiten nach allen gängigen Modellen
  • Statischer Kontaktwinkel, Fortschreit- und Rückzugswinkel
  • Messung der Oberflächenspannung und der Flüssig-flüssig-Grenzflächenspannung mit der Pendant-Drop-Methode
  • Einfaches und schnelles Verfahren um die Benetzbarkeit von Oberflächen zu bewerten
  • Untersuchung der Polarität von Oberflächen

Anwendungsbereiche:

  • Charakterisierung von Oberflächenvorbehandlungen
  • Untersuchung der Adhäsion und Stabilität von Verklebungen und Beschichtungen
  • Prüfung der Benetzbarkeit von Kunststoff, Glas, Keramik, Papier, Holz oder Metall
  • Qualitätskontrolle für Wafer und Mikroelektronik
  • Prüfung der Oberflächenreinheit

Technische Daten

Technische Daten

  • Kontaktwinkel: 1-180°, Auflösung ca. 0,1°
  • Oberflächenspannung: 0,01 bis 1000 mN/m, Auflösung ca. 0,01 mN/m
  • Probentisch: manuell beweglich in x-y-z Richtung
  • Max. Probengröße: 300 x 300 x 50 mm (B x T x H)
  • Laterale Auflösung: ca. 3 mm

Details

Als Kontaktwinkel (auch Rand– oder Benetzungswinkel) wird der Winkel bezeichnet, den ein Flüssigkeitstropfen auf der Oberfläche eines Festkörpers zu dieser Oberfläche bildet. Er ist ein Maß für die Benetzbarkeit der Oberfläche. Die Größe des Kontaktwinkels zwischen Flüssigkeit und Feststoff hängt von der Wechselwirkung zwischen den Substanzen an der Grenzfläche ab. Je schwächer diese Wechselwirkung ist, desto größer wird der Kontaktwinkel.

Der Kontaktwinkel

Definition des Kontaktwinkels

Aus der Bestimmung der Kontaktwinkel können bestimmte Eigenschaften der Oberfläche eines Feststoffes bestimmt werden, z.B. die Oberflächenenergie. Im Spezialfall der Verwendung von Wasser als Flüssigkeit bezeichnet man bei geringen Kontaktwinkeln (ca. 0°) die Oberfläche als hydrophil (= wasserliebend), bei Winkeln um 90° als hydrophob (wasserabstoßend) und bei noch größeren Winkeln als superhydrophob. Letzteres wird bei sehr hohen Winkeln (ca. 160°) auch als Lotuseffekt bezeichnet und entspricht einer extrem geringen Benetzbarkeit.

Durch Oberflächenbehandlung kann der Kontaktwinkel verändert werden.


Die Kontaktwinkelmessung

Kontaktwinkelmessungen geben Aufschluss über die Benetzbarkeit einer Oberfläche, oder auch über die Oberflächenspannung (aus der Young’schen Gleichung). Diese Größen sind oft hilfreich bei der Bewertung des Zustandes einer Oberfläche z.B. nach einer Vorbehandlung oder einem Reinigungsschritt.

Links benetzt die gewählte Prüftinte, rechts nicht.

Neben der direkten Messung des Kontaktwinkels werden oft auch Prüftinten eingesetzt. Auf die zu prüfende Oberfläche wird mittels Pinsel eine gefärbte Flüssigkeit („Tinte“) mit definierter Oberflächenspannung aufgetragen. Wenn die Oberfläche von der Tinte benetzt wird (d. h. der Pinselstrich bleibt für mehr als 3 Sekunden bestehen, ohne sich zusammenzuziehen), ist die Oberflächenspannung der geprüften Oberfläche gleich oder größer als die der Prüftinte. Zieht sich der Pinselstrich dagegen innerhalb von 3 Sekunden zusammen, ist die Oberflächenspannung der geprüften Oberfläche kleiner als die der Prüftinte.

Auf diese Weise kann die Oberfläche grob charakterisiert werden. Eine genauere Messung ist hingegen durch Verwendung eines Kontaktwinkelmessgerätes möglich.

Der Kontaktwinkel ist überall dort wichtig, wo die Intensität des Phasenkontakts zwischen flüssigen und festen Stoffen kontrolliert oder bewertet werden soll, z.B. Coating/Lackierung, Reinigung, Bedrucken, hydrophobe oder hydrophile Beschichtung, Kleben, Dispergierung.


Durchführung der Messung

Kontaktwinkelmessgerät

Eine weite Verbreitung zur Messung von Kontaktwinkeln haben Geräte zur Tropfen-Konturanalyse.

Dazu wird ein Tropfen einer Prüfflüssigkeit auf die zu testende Oberfläche abgesetzt. Mit Hilfe einer Kamera wird der liegende Tropfen abgebildet. Eine spezielle Software misst anhand des Bildes die Kontur des Tropfens und die Basislinie des Substrates. In der Abbildung ist die auf diese Weise bestimmte Kontur grün, die Basislinie rot dargestellt.

In einem weiteren Schritt kann dann mit Hilfe mathematischer Modelle (z.B. Kegelschnitt-, Polynom- oder Young-Laplace-Methode) der Kontaktwinkel oder auch die Oberflächenspannung berechnet werden.


Anwendung von Kontaktwinkelmessungen

Der Einsatz von Druck-, Verklebungs- oder Beschichtungssubstanzen verlangt optimale Vorbehandlungsschritte für hydrophobe Kunststoffoberflächen.

Die unterschiedlichen Methoden wie Koronaverfahren, Flammbehandlung oder Plasmabehandlung sowie chemische Einwirkung von Ozon oder Fluor erhöhen die freie Oberflächenenergie und sorgen so für verbesserte Benetzung, Anfangshaftung und Langzeitstabilität.

Die Effektivität solcher Maßnahme lässt sich mit Hilfe von Kontaktwinkelmessungen quantifizieren.

Darüber hinaus können aus systematischen Messungen Parameter gewonnen werden, welche eine Vorhersage über die Benetzbarkeit der Oberfläche mit Flüssigkeiten bekannter Oberflächenspannung erlauben.

Tropfen-Konturanalyse

Zusammenhang zur Reinheit von Oberflächen

Messverfahren zur Sicherstellung der Qualität von Reinigungsprozessen sind von besonderem Interesse in der Teilereinigung.

Kontaktwinkelmessungen bzw. Messungen der Oberflächenspannung erlauben zum einen eine Charakterisierung von wässrigen Tensidlösungen. Zum anderen können gereinigte Teile in bestimmten Fällen anhand von Kontaktwinkelmessungen bezüglich der Reinigungsqualität Produktionslinienbegleitend geprüft werden.


Ergänzende Analytische Methoden

Kontaktwinkelmessung können auf vergleichsweise einfache Art und Weise Benetzungsunterschiede zwischen verschiedenen Oberflächen nachweisen. Um jedoch konkrete Informationen zu den zugrundeliegenden chemischen Unterschieden der Oberflächen zu erhalten, stehen verschiedene ergänzende Messverfahren zur Verfügung:

Mit diesen Methoden ist es beispielsweise möglich herauszufinden, welches Gleitmittel durch ein Reinigungsverfahren mit beseitigt werden konnte, oder ob eine Vorbehandlung die Oberfläche wie gewohnt aktivieren konnte.