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Adhäsionsenergie - Wie bestimmt man die Oberflächenspannung eines Festkörpers?

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Zur Bestimmung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten existieren eine ganze Reihe von Möglichkeiten: Blasendruckmethode, Ringmethode (nach DE NOÜY), die Steighöhenmethode. Wesentlich schwieriger gestaltet sich die Ermittlung
der Oberflächenspannung eines Feststoffes. Die Festkörper-Oberflächenspannung kommt in der YOUNGschen Gleichung vor: der rote Pfeil entspricht gamma(s/g), der rosafarbene Pfeil entspricht gamma(s/l) (Grenzflächenspannung) und der blaue Pfeil entspricht gamma(l/g) (Flüssigkeits-Oberflächenspannung). Die Differenz aus Festkörper- und Grenzflächenspannung
ist mit dem Randwinkel Theta und der Flüssigkeits-Oberflächenspannung verknüpft. Wir vergleichen diese Differenz (delta(gamma)=gamma(s/l)-gamma(l/s)) mit der Flüssigkeits-Oberflächenspannung (gamma(l/s)). Besitzt die Flüssigkeit eine große Oberflächenspannung, ist der Quotient delta(gamma)/gamma(l/s) klein - der Kontaktwinkel Theta ist relativ groß. Wir erniedrigen die Oberflächenspannung der Flüssigkeit, kommen mit gamma(l/s) immer näher an die Differenz delta(gamma) heran, und der Winkel Theta wird immer kleiner. Schließlich wird die Differenz delta(gamma) identisch mit der Flüssigkeits-Oberflächenspannung: Theta wird 0°, die Flüssigkeit spreitet. ZISMAN bezeichnet diesen Wert von gamma(l/s) als "kritische Oberflächenspannung". Die Ermittlung der kritischen Oberflächenspannung können wir nach und nach mit
Flüssigkeiten verschiedener Oberflächenspannung die Festkörperoberfläche testen und den Verlauf des Kontaktwinkels verfolgen. Wenn der Kontaktwinkel 0° erreicht wird und die Flüssigkeit spreitet, haben wir die kritische Oberflächenspannung erreicht. Mit Hilfe eines Sets von Testtinten lässt sich somit die kritische Oberflächenspannung einfach ermitteln. Wir können die Versuchsreihe auch
quantitativer auswerten: Wir ermitteln mit Flüssigkeiten verschiedener Oberflächenspannung explizit den Kontaktwinkel und tragen den Cosinus dieses Winkels gegen die Flüssigkeits-Oberflächenspannung auf. Im Idealfall liegen die Messpunkte auf einer Gerade, deren Schnittpunkt mit der Horizontale bei Cosinus(theta)=1 die kritische Oberflächenspannung anzeigt. Wenn wir zwei Phasen (flüssig und fest) voneinander trennen, erzeugen wir zwei neue Oberflächen und zerstören eine Grenzfläche; hierzu müssen wir zweimal Oberflächenarbeit aufbringen (gamma(s/g) und gamma(l/g)) und erhalten einmal Grenzflächenspannung (gamma(l/s)) - insgesamt
ergibt sich die Adhäsionsarbeit W(ad). Diese Definitionsgleichung kann mit der Gleichung von YOUNG kombiniert werden; für die Adhäsionsarbeit ergibt sich dann gamma(l/g) mal Cosinus(Theta) plus 1
(YOUNG-DUPRÉ). Wir haben auch in dieser Gleichung noch zwei Unbekannte: gamma(s/g) und gamma(l/s) (gamma(l/g) kann man leicht messen). Es gibt aber verschiedene Theorien, wie gamma(s/g) und gamma(l/s) zusammenhängen. Wir erhalten somit Auswertungsmethoden zur Ermittlung der Festkörper-Oberflächenspannung gamma(s/g) aus Kontaktwinkelmessungen. Eine gängige Theorie spaltet die Adhäsionsarbeit
in zwei Anteile auf: ein disperser Anteil (unpolare Wechselwirkungen zwischen Festkörper
und Flüssigkeit) und einen polaren Anteil. Entsprechend beinhaltet dann auch
jede Oberflächenspannung einen dispersen und einen polaren Anteil. In Tabellen sind diese Anteile für viele Flüssigkeiten zusammengestellt: Die
Oberflächenspannung von Wasser besitzt z.B. einen relativ hohen Anteil an polaren Wechselwirkungen. Demgegenüber besitzt die Oberflächenspannung von Dekan ausschließlich einen dispersen Anteil. FOWKES schlägt für den einfachen Fall ausschließlich
disperser Wechselwirkungen folgende Beziehung vor: Adhäsionsarbeit gleich 2*Wurzel(gamma(D)(l/s)*gamma(D)(s/g) kombiniert mit der Gleichung von YOUNG-DUPRÉ erhalten wir damit eine Möglichkeit, den dispersen Anteil der Festkörper-Oberflächenspannung (gamma(D)(s/g)) zu ermitteln: Wir tragen
Cosinus(theta) gegen 1 durch Wurzel(gamma(D)(l/s)) auf und erhalten (wenn die FOWKES-Gleichung anwendbar ist) Punkte, die auf einer Geraden liegen. Die Trendlinie besitzt den Achsenabschnitt (minus 1) und die Steigerung 2*Wurzel(gamma(D)(l/s)). Ein beliebter Ansatz zur Ermittlung der Festkörper-Oberflächenspannung stammt von OWENS, WENDT, KÄLBLE und RABEL (OWKR) Aufbauend auf dem Ansatz von FOWKES wird einfach mit den polaren Anteilen der Oberflächenspannung genauso verfahren wir mit den dispersen Anteilen: Adhäsionsarbeit ist hier
aus zwei Wurzel-Ausdrücken zusammengesetzt, in denen hier disperse UND polare Gamma-Werte stehen. Wir setzen die Adhäsionsarbeit nach OWKR in die YOUNG-DUPRÉ-Gleichung ein und formen um: Die sog. OWKR-Auftragung
gamma(l/g)*(cos(theta)+1- )/(2*Wurzel(gamma(D)(l/g))) gegen Wurzel(gamma(P)(l/g)*gamma(D)(l/g))) liefert Punkte, die auf einer Gerade liegen. Aus den Kenngrößen der Trendlinie (Steigung und Achsenabschnitt) können polarer und disperser Anteil der Festkörper Oberflächenspannung ermittelt werden. Der OWKR-Achsenabschnitt entspricht Wurzel(gamma(D)(s/g)) Der OWKR-Steigung entspricht Wurzel(gamma(P)(s/g)).
Hier wurde die Oberflächenspannung einer PEEK-Oberfläche untersucht. Die Kontaktwinkel dreier Flüssigkeiten auf der Oberfläche wurden ermittelt und nach OWKR ausgewertet. Der Achsenabschnitt der Trendlinie beträgt 5,6 Wurzel(mN/m) Der disperse Anteil der Festkörperoberflächenspannung ist also (5,6)² = 31,6 mN/m. Die Steigung der Trendlinie beträgt 2,2 Wurzel(mN/m). Der polare Anteil der
Festkörperoberflächenspannung ist also (2,2)² = 4,9 mN/m. Die gesamte Oberflächenspannung des Festkörpers entspricht der Summe (36,5 mN/m). FOWKES und OWKR versuchen die Adsorptionsarbeit
Delta
Grenzflächenspannung
Grenzfläche
Vorlesung/Konferenz
Grenzflächenspannung
Vorlesung/Konferenz
Iodoform
Ethylenglykol
Ethylenglykol
Vorlesung/Konferenz
Ansatz <Physiologie>
Vorlesung/Konferenz
Vorlesung/Konferenz

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Adhäsionsenergie - Wie bestimmt man die Oberflächenspannung eines Festkörpers?
Serientitel Einführung in die Oberflächenanalytik
Teil 3
Anzahl der Teile 12
Autor Lauth, Günter Jakob
Mitwirkende Lauth, Anika (Medientechnik)
Lizenz CC-Namensnennung - keine kommerzielle Nutzung 3.0 Deutschland:
Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt zu jedem legalen und nicht-kommerziellen Zweck nutzen, verändern und in unveränderter oder veränderter Form vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, sofern Sie den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen.
DOI 10.5446/15744
Herausgeber Günter Jakob Lauth (SciFox)
Erscheinungsjahr 2013
Sprache Deutsch
Produktionsjahr 2013
Produktionsort Jülich

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Physik, Chemie

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