4 Hersteller von Messgeräte zur Messung der Oberflächenspannung im Jahr 2024

Was ist ein Oberflächenspannungsmesser?

Ein Oberflächenspannungsmesser ist ein Gerät, mit dem man die Spannung (Oberflächenspannung) messen kann, die eine Flüssigkeit oder ein Festkörper erzeugt, wenn er versucht, seine Oberfläche so klein wie möglich zu machen.

Nehmen wir zum Beispiel an, dass sich eine Flüssigkeit in einem Glas befindet. Die Flüssigkeit im Glas ist stabil, weil sich die zwischenmolekularen Kräfte zwischen den umgebenden Molekülen anziehen und gegenseitig aufheben, aber die Flüssigkeit an der Oberfläche des Glases und der Luft hat eine leicht abgerundete, geschwollene Form, weil die zwischenmolekularen Kräfte, die sie von der Luftseite her anziehen, gering sind.

Dies ist die Oberflächenspannung, und je größer die Oberflächenspannung ist, desto größer ist die Ausdehnung der Flüssigkeit. Diese Kraft ist relativ groß und stellt eine wichtige physikalische Eigenschaft bei Reinigungsmitteln und beim Tintenstrahldruck dar.

Anwendungen von Oberflächenspannungsmessern

Oberflächenspannungsmesser werden in der Qualitätskontrolle sowie in der Forschung und Entwicklung von Reinigungsmitteln, Lebensmitteln und Lot verwendet. Sie sind wichtig bei der Untersuchung der Benetzung von Tintenstrahl- und Beschichtungslösungen und Lot sowie in den Bereichen Beschichtung und Mikrofluidik.

Die Messung und korrekte Kontrolle der Oberflächenspannung kann die Schaumbildung und die Leichtigkeit des Rührens während der Produktion und des Gebrauchs sowie das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Beschichtungsfehlern verändern. Bei der Auswahl eines Oberflächenspannungsmessers ist es wichtig, die Genauigkeit der Auswertung, die Messzeit, die Art der Flüssigkeit und den Messbereich zu berücksichtigen.

Funktionsweise der Oberflächenspannungsmesser

Es wurden viele Methoden zur Messung der Oberflächenspannung entwickelt, darunter die Suspensionsmethode, bei der die Oberflächenspannung anhand von Tröpfchen berechnet wird; die Plattenmethode, bei der die Kraft gemessen wird, mit der eine Oberfläche eine Platte zieht; die Ringmethode, bei der ein Ring mit der Flüssigkeitsoberfläche in Kontakt gebracht und die Kraft gemessen wird, mit der der Ring gezogen wird; und die Kapillarmethode, bei der die Höhe der durch ein Kapillarrohr aufsteigenden Flüssigkeit gemessen wird.

1. Die Plattenmethode (Wilhelmy-Methode)

Bei der Messung wird die Platte aus dem Kontakt mit der zu messenden Flüssigkeit gehoben. Die zum Anheben der Platte erforderliche Kraft wird gemessen, und die Oberflächenspannung wird aus dem Kontaktwinkel zwischen der Platte und der zu messenden Flüssigkeit sowie den Abmessungen der Platte bestimmt. Auch wenn der Kontaktwinkel nicht bekannt ist, kann er gemessen werden, wenn die Platte vollständig benetzt ist, da θ gleich Null ist.

Die Platte kann auch gemessen werden, wenn sie stillsteht, so dass sowohl die dynamische als auch die statische Oberflächenspannung gemessen werden kann. Andererseits muss die Platte bis zu einem gewissen Grad benetzt werden, und in der Regel müssen mehr als 30 ml Flüssigkeit vorbereitet werden.

2. Die Ringmethode

Wie bei der Plattenmethode wird das ringförmige Messgerät aus dem Kontakt mit der zu messenden Flüssigkeit gehoben und die zum Heben erforderliche Kraft gemessen. Anders als bei der Plattenmethode wird die Kraft zu jedem Zeitpunkt überwacht und die Kraft, wenn sich Ring und Flüssigkeit trennen, zur Messung der Oberflächenspannung verwendet.

Lösungen, deren Oberflächenspannung sich im Laufe der Zeit ändert, wie z. B. Tensidlösungen, können damit nicht gemessen werden. Mit der Ringmethode kann auch die Lamellenlänge gemessen werden. Lamellen sind dünne Schaumfilme innerhalb einer Blase. Längere Lamellenlängen bedeuten, dass die Blasen nicht verschwinden, wenn sie gedehnt werden, so dass es für die Blasen einfacher ist, stabil zu bleiben.

3. Suspensionsmethode

Bei dieser Methode wird die Oberflächenspannung gemessen, indem die zu messende Flüssigkeit als Tröpfchen fixiert und die Form des Tröpfchens anhand von Gleichungen usw. analysiert wird. Die Genauigkeit hängt von der Leistung der Messkamera und dem verwendeten Algorithmus ab, da die Messung auf einer Bildverarbeitung beruht.

Diese Methode eignet sich für die Messung von Flüssigkeiten mit hoher Viskosität, die mit der Plattenmethode schwer zu messen sind, und für die Messung der Grenzflächenspannung zwischen Flüssigkeiten wie geschmolzenen Polymeren oder Öl und Wasser.

4. Kapillarmethode

Die Oberflächenspannung wird durch Messung der Höhe der in einem Kapillarrohr aufsteigenden Flüssigkeit und der Dichte der Flüssigkeit berechnet. Das Kapillarphänomen wird genutzt.

5. Methode des maximalen Blasendrucks

Gas wird durch eine eingeführte Kapillare in die Probenflüssigkeit geleitet, um Blasen zu erzeugen. Der maximale Druck, der bei der Blasenbildung auftritt (maximaler Blasendruck), wird gemessen und die Oberflächenspannung berechnet.

Die Zeit zwischen der Bildung einer neuen Blase an der Spitze und dem maximalen Blasendruck wird als Blasenlebensdauer bezeichnet. Während dieser Zeit nimmt der Druck ab, wenn ein Tensid adsorbiert wird, so dass die dynamische Oberflächenspannung durch die Prüfung bei verschiedenen Blasenlebensdauern gemessen werden kann.

Wie wählt man einen Oberflächenspannungsmesser aus?

Jeder Oberflächenspannungsmesser hat seine eigenen Anforderungen an das Flüssigkeitsvolumen und die Stärken und Schwächen der Flüssigkeit. Wählen Sie den geeigneten Oberflächenspannungsmesser, indem Sie die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit, die Sie messen möchten, und die Menge, die Sie sicherstellen können, prüfen.

Weitere Informationen über Oberflächenspannungsmesser

Statische und dynamische Oberflächenspannung

Die Oberflächenspannung kann in statische und dynamische Oberflächenspannung unterteilt werden. Die dynamische Oberflächenspannung ist im Allgemeinen größer und nimmt mit der Zeit ab. Das liegt daran, dass sich Tenside mit hydrophilen und hydrophoben Gruppen im Laufe der Zeit an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche ansammeln und an der Oberfläche adsorbiert werden.

Da sich die hydrophoben Gruppen an der Wasseroberfläche ansammeln, geht der Wert der Oberflächenspannung von einem hohen Wert für Wasser auf einen Wert nahe dem von hydrophobem Öl über. Die Konzentration bei einer bestimmten Oberflächenlängenkraft nach ausreichender Zeit wird als kritische Mizellenkonzentration bezeichnet, und mit Geräten, die die dynamische Oberflächenspannung messen können, lässt sich auch diese kritische Mizellenkonzentration bestimmen.