Messung der Oberflächenspannung

Warum bilden Flüssigkeiten Tropfen? Warum haftet Klebstoff auf manchen Oberflächen gut und auf anderen schlecht? Diese Phänomene sind auf die Oberflächenspannung zurückzuführen, die in vielen Bereichen von Wissenschaft und Industrie von wichtiger Bedeutung ist.

In diesem Ratgeber möchten wir Ihnen erläutern, was Oberflächenspannung eigentlich ist, wie sie entsteht, warum sie so wichtig ist und welche Verfahren zur Messung der Oberflächenspannung existieren.

Was ist Oberflächenspannung?

Oberflächenspannung ist die Energie, die benötigt wird, um die Oberfläche einer Flüssigkeit zu vergrößern. Sie tritt auf, weil die Moleküle an der Oberfläche weniger Nachbarn haben, mit denen sie interagieren können, als Moleküle im Inneren der Flüssigkeit.

Dies führt dazu, dass an der Oberfläche eine Art "elastische Haut" entsteht, die die Flüssigkeit zusammenhält. Diese Haut ist verantwortlich dafür, dass Tropfen ihre Form bewahren oder einige Insekten auf Wasser laufen können.

Wie entsteht die Oberflächenspannung?

Die Oberflächenspannung entsteht durch die Kohäsionskräfte zwischen den Molekülen einer Flüssigkeit. Im Inneren einer Flüssigkeit werden Moleküle gleichmäßig von ihren Nachbarn angezogen, was zu einem Gleichgewicht führt.

An der Oberfläche jedoch sind die Moleküle nur nach unten und zur Seite hin von anderen Molekülen umgeben, wodurch eine nach innen gerichtete Nettoanziehung entsteht. Diese Anziehungskraft führt zur Minimierung der Oberfläche und dadurch entstehen die Tropfen.

Warum ist die Oberflächen­spannung so wichtig?

Die Oberflächenspannung spielt eine wichtige Rolle in vielen industriellen und wissenschaftlichen Prozessen. Unterschiedliche Oberflächenspannungen können zu Problemen bei der Verarbeitung und Anwendung führen, besonders in Industrien, die auf präzise Materialbehandlungen angewiesen sind.

Beispielsweise beeinflusst die Oberflächenspannung die Qualität von Lackierungen, die Effektivität von Klebstoffen und die Haltbarkeit von Drucktinten. Eine unangemessene Oberflächenspannung kann zu ungleichmäßigen Beschichtungen, schlechter Haftung und letztendlich zu einem fehlerhaften Produkt führen.

Branchen, für die Oberflächenspannung relevant ist

  • Chemie und Pharmazie: Optimierung von Formulierungen für Medikamente und chemische Reagenzien.
  • Druckindustrie: Gewährleistung der Qualität von Druckfarben auf verschiedenen Substraten.
  • Automobilindustrie: Entwicklung von Beschichtungen und Lacken, die haltbar und wetterbeständig sind.
  • Elektronik: Sicherstellung der Reinheit und Funktionalität von Leiterplatten und Komponenten.

Mess-Verfahren der Oberflächenspannung

Es gibt verschiedene Methoden zur Messung der Oberflächenspannung, sowohl über direkte als auch über indirekte Messverfahren. Die bekanntesten sind:

  • Tensiometer: Diese Geräte messen die Kraft, die benötigt wird, um einen Ring (Ring-Methode nach Du Noüy), einen Bügel (Bügelmethode nach Lenard) oder eine Platte (Plattenmethode nach Wilhelmy) aus einer Flüssigkeit zu ziehen, oder den Druck, der notwendig ist, um einen Tropfen aus einer Düse zu extrudieren. Über dieses Verfahren lässt sich die Oberflächenspannung präzise ermitteln.
  • Berechnung mit dem Kapillareffekt: Hier wird die Höhe gemessen, bis zu der eine Flüssigkeit in einem dünnen Rohr gegen die Schwerkraft steigt, um daraus die exakte Oberflächenspannung abzuleiten.
  • Kontaktwinkelmessung: Mit der Kontaktwinkelmessung lässt sich die Oberflächenenergie von festen Oberflächen ermitteln, in dem der Winkel gemessen wird, den ein Flüssigkeitstropfen mit einer festen Oberfläche bildet. Der deutsche Hersteller Krüss ist für seine Hard- und Software für Randwinkelmessungen bekannt.

Oberflächenspannung mit Testtinten bestimmen

Ein einfacher und schneller Weg zur Messung der Oberflächenspannung von festen Oberflächen ist der Einsatz von Testtinten. Dieses Verfahren basiert darauf, dass Tinten verschiedener bekannter Oberflächenspannungen auf die gewünschte Oberfläche aufgetragen und das Verhalten des Tintenstrichs beobachtet wird. Die Art und Weise, wie die Tinte sich ausbreitet oder zusammenzieht, gibt Aufschluss über die Oberflächenspannung des Materials.

Testtinten sind besonders nützlich, weil sie schnell und ohne spezielle Ausrüstung angewendet werden können und sich ideal zur Kontrolle vor und nach einer Oberflächenbehandlung (zum Beispiel mit Plasma- oder Corona-Behandlungssystem) eignen.

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Welche Methoden gibt es, um die Oberflächenspannung verschiedener Materialien zu verändern?

Die Oberflächenspannung von Materialien wie Kunststoff, Metall oder Glas (oft auch als Oberflächenenergie bezeichnet) ist in der Industrie oftmals nicht ideal, weshalb sie modifiziert bzw. vorbehandelt werden müssen, bevor Sie beispielsweise bedruckt, beschichtet, beklebt oder lackiert werden.

Generell breiten sich Flüssigkeitstropfen wie zum Beispiel Druckfarben auf Festkörperoberflächen erst dann aus, wenn die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen des Festkörpers und denen der Flüssigkeit die innere Oberflächenspannung der Flüssigkeit übertreffen. Dieses Verhalten liegt bei vielen Materialien aber von Natur aus nicht vor, weshalb zunächst eine Oberflächenbehandlung durchgeführt werden muss.

Um Oberflächen zu behandeln, können verschiedene Verfahren angewendet werden, die wir Ihnen hier kurz vorstellen:

Thermische Behandlung:

Hitzebehandlungen können die Oberflächenspannung eines Festkörpers ebenfalls beeinflussen. Durch Erhitzen und kontrolliertes Abkühlen können Veränderungen in der Kristallstruktur oder der Mikrostruktur der Oberfläche induziert werden, was die Oberflächenspannung und damit die Adhäsionseigenschaften verändert.

Chemische Behandlung:

Durch das Auftragen von Chemikalien kann die Oberflächenspannung von Festkörpern verändert werden. Diese Chemikalien bilden eine dünne Schicht auf der Oberfläche und verändern deren chemische und physikalische Eigenschaften, um die Benetzungseigenschaften zu verbessern. Da dieses Verfahren den Einsatz giftiger Chemikalien erfordert, kommt es heutzutage eher seltener zum Einsatz.

Mechanische Bearbeitung:

Physikalische Methoden wie Schleifen, Polieren oder Strahlen können ebenfalls verwendet werden, um die Oberflächenspannung zu beeinflussen. Durch diese Behandlungen wird die Oberflächenstruktur verändert, was zu einer Veränderung der Oberflächenspannung führen kann.

Oberflächenbehandlung durch Plasma oder Corona:

Eine der effektivsten Methoden zur Veränderung der Oberflächenspannung von Festkörpern ist die Plasmabehandlung oder Coronabehandlung. Dabei werden die Oberflächen unter Einfluss von Plasma ionisiert, was zu einer Veränderung der chemischen Eigenschaften führt. Diese Methode wird häufig angewendet, um die Haftung von Farben, Klebstoffen oder Beschichtungen zu verbessern.

Plasma- und Corona-Behandlung in der Elektronik­industrie

Unsere Lösungen zur Oberflächenbehandlung

Bei Tantec spezialisieren wir uns auf die Entwicklung individueller Plasma- und Corona-Systeme zur Oberflächenbehandlung von Kunststoffen, Metallen, Glas und mehr. Unsere Behandlungsanlagen modifizieren die Oberflächen verschiedenster Komponenten, damit sie bestmöglich für nachfolgende Prozesse wie die Bedruckung, Beschichtung oder Lackierung geeignet sind.

Als einer der führenden globalen Anbieter für Plasma- und Corona-Anlagen sind wir in der einzigartigen Position, aus einem breiten Spektrum an Technologien die optimalen Behandlungslösungen für unsere Kunden auszuwählen. Wir entwickeln maßgeschneiderte Lösungen für Branchen wie die Automobilindustrie, die Medizintechnik, die Elektronikbranche, die Verpackungstechnologie und viele weitere.

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Fazit

Die Messung der Oberflächenspannung ist ein wichtiger Faktor in vielen Branchen, um die Qualität und Funktionalität von Produkten zu sichern. Durch das Verständnis und die Kontrolle dieser Eigenschaft können Materialien und Prozesse optimiert werden, um die besten Ergebnisse zu erzielen.

Durch die Anwendung der verschiedenen Messverfahren kann die Oberflächenspannung effektiv bestimmt und gesteuert werden, was zu besseren Produktleistungen und höherer Effizienz führt.

Wir beraten Sie gerne

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