Kontaktwinkel

Kontaktwinkel

1 - Definition

Als Kontaktwinkel $ \Theta $ (Theta; auch Rand- oder Benetzungswinkel) wird der Winkel bezeichnet, den ein Flüssigkeitstropfen auf der Oberfläche eines Feststoffs zu dieser Oberfläche bildet (siehe Bild 1).

Bedeutung

Die Größe des Kontaktwinkels zwischen Flüssigkeit und Feststoff hängt ab von der Wechselwirkung zwischen den Stoffen an der Berührungsfläche. Je geringer diese Wechselwirkung ist, desto größer wird der Kontaktwinkel. Aus der Bestimmung der Kontaktwinkel können bestimmte Eigenschaften der Oberfläche eines Feststoffs bestimmt werden, z. B. die Oberflächenenergie.

3 - Beispiele

In Bild 2 ist der Kontaktwinkel eines liegenden Tropfens mit den Größen der Oberflächenspannung abgebildet. Im Spezialfall der Verwendung von Wasser als Flüssigkeit bezeichnet man bei geringen Kontaktwinkeln (ca. 0°, Bild 3a) die Oberfläche als hydrophil, bei Winkeln um 90° (Bild 3b) als hydrophob und bei noch größeren Winkeln (Bild 3c) als superhydrophob. Letzteres wird bei sehr hohen Winkeln (ca. 160°) auch als Lotoseffekt bezeichnet und entspricht einer extrem geringen Benetzbarkeit. Durch Oberflächenbehandlung kann der Kontaktwinkel verändert werden, hydrophobe Oberflächen sind wasserabweisend. In bestimmten Formen der Oberflächenstrukturierung entstehen omniphobe Eigenschaften, die sowohl hydrophob als auch lipophob sind.[1] Das Gegenteil ist die Amphiphilie. Der Kontaktwinkel θ kann mit einem Kontaktwinkel-Goniometer gemessen werden.

Theorie

Kontaktwinkel θC an der Phasengrenze
Flüssigkeitszustände bei zunehmender Feinstrukturierung

Im Jahr 1805 definierte Thomas Young den Kontaktwinkel θ von gasumgebenen Flüssigkeiten auf einer festen Oberfläche als den Winkel an der Phasengrenze der gasförmigen, flüssigen und festen Phasen:[2]

$ \gamma_{SG}\ =\gamma_{SL}+\gamma_{LG}\cos{\theta} $

mit

$ \gamma_{SG}\ $ = Grenzflächenspannung zwischen fest und gasförmig
$ \gamma_{SL}\ $ = Grenzflächenspannung zwischen fest und flüssig
$ \gamma_{LG}\ $ = Grenzflächenspannung zwischen flüssig und gasförmig

R. Wenzel beobachtete die Änderung des Kontaktwinkels bei feinstrukturierten Oberflächen zu $ \theta_W* $, mit einer Verstärkung der Eigenschaften der feinstrukturierten Oberfläche:[3]

$ \cos{\theta}_W* = r \cos{\theta} $

mit r als Verhältnis der tatsächlichen Fläche zur projizierten Fläche. Eine hydrophobe Oberfläche (mit einem Kontaktwinkel von über 90°) wird wasserabweisender, z. B. beim Lotus-Effekt, während eine hydrophile Oberfläche hydrophiler wird.[4]

Cassie und Baxter beobachteten die Änderung des Kontaktwinkels zu $ \theta_{CB}* $, wenn der Tropfen auf der feinstrukturierten Oberfläche aufliegt.

$ \cos{\theta}_{CB}* $ = φ(cos θ + 1) – 1

mit φ als Kontaktfläche zwischen fest und flüssig.[5] Dabei muss die folgende Ungleichung erfüllt sein:[6]

cos θ < (φ-1)/(r - φ)

Alternative Kriterien für den Cassie-Baxter-Zustand sind: Die Kontaktlinienkräfte müssen die Gravitation übersteigen und die Feinstrukturen müssen lang genug sein, um eine Ausbildung von Brücken zur Grundfläche zu verhindern.[7] Der Kontaktwinkel besitzt dabei eine Hysterese, die von der Heterogenität der Oberfläche bestimmt wird.[8]

Ein Modell zur Vorhersage der Oberflächeneigenschaften verwendet die Kontaktliniendichte Λ,[9] bei vier Kontaktpunkten ist Λ = 4x/y2.

Die kritische Kontaktliniendichte Λc wird durch folgende Gleichung beschrieben:

$ \Lambda_{C} = \frac{-\rho{g}{V^{1/3}} \left(\left(\frac{1-\cos\left(\theta_{a}\right)}{\sin(\theta_{a})}\right)\left(3+\left(\frac{1-\cos(\theta_{a})}{\sin(\theta_{a})}\right)^2\right)\right)^{2/3}}{(36\pi)^{1/3}\gamma \cos(\theta_{a,0}+w-90)} $

mit

ρ = Dichte der Flüssigkeit
g = Gravitation
V = Volumen der Flüssigkeit
θa = letzter Kontaktwinkel vor einer Bewegung
θa,0 = letzter Kontaktwinkel vor einer Bewegung auf glatter Oberfläche
γ = Grenzflächenspannung der Flüssigkeit
w = tower wall-Winkel

Wenn Λ > Λc ist, befindet sich die Flüssigkeit im Cassie-Baxter-Zustand, sonst im Wenzel-Zustand. Die veränderten letzten Kontaktwinkel vor einer Bewegung werden durch folgende Gleichung beschrieben:

$ \theta_{a} = \lambda_{p}(\theta_{a,0}+w)+(1-\lambda_{p})\theta_\text{Gas} $
$ \theta_{r} = \lambda_{p}\theta_{r,0}+(1-\lambda_{p})\theta_\text{Gas} $

mit dem Wenzel-Zustand:

$ \theta_{a} = \lambda_{p}(\theta_{a,0}+w)+(1-\lambda_{p})\theta_{a,0} $
$ \theta_{r} = \lambda_{p}(\theta_{r,0}-w)+(1-\lambda_{p})\theta_{r,0} $

mit

λp = linearer Anteil der Kontaktlinie zur Unebenheit
θr,0 = Rückkehrender Kontaktwinkel auf einer glatten Oberfläche
θGas = Kontaktwinkel zwischen Flüssigkeit und Luft (als 180° angenommen)

Versuch

Die Kontaktwinkelmessung erfolgt an einer beschichteten Siliciumkarbid-Pfanne. Die Messung erfolgte an dem in direktem Kontakt stehenden Pfannenboden und dem Pfannenrand. Die Messungen erfolgten in der TH Köln. Campus Gummersbach. Institut für Werkstoffkunde und Angewandte Mathematik.

Versuch mit 1 Tropfen -

Pfannenboden

Versuch mit 1 Tropfen -

Pfannenrand

Versuch mit 5 Tropfen -

Pfannenboden

Versuch mit 5 Tropfen -

Pfannenrand

Tröpfchenversuch am Pfannenboden - 1 Tropfen.jpg Tröpfchenversuch am Pfannenrand - 1 Tropfen.png Tröpfchenversuch am Pfannenboden - 5 Tropfen.jpg Tröpfchenversuch am Pfannenrand - 5 Tropfen.jpg

Siehe auch

Weblinks

 <Lang> Commons: Oberflächenspannung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. T. L. Liu, C. J. Kim: Repellent surfaces. Turning a surface superrepellent even to completely wetting liquids. In: Science. Band 346, Nummer 6213, November 2014, S. 1096–1100, ISSN 1095-9203. doi:10.1126/science.1254787. PMID 25430765.
  2. T. Young: An Essay on the Cohesion of Fluids. In: Phil. Trans. R. Soc. Lond.. 95, 1805, S. 65–87. doi:10.1098/rstl.1805.0005. (Volltext)
  3. RN Wenzel: Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water. In: Ind. Eng. Chem.. 28, Nr. 8, 1936, S. 988–994. doi:10.1021/ie50320a024.
  4. Pierre-Gilles de Gennes: Capillarity and Wetting Phenomena 2004, ISBN 0-387-00592-7.
  5. ABD Cassie, S. Baxter: Wettability of Porous Surfaces. In: Trans. Faraday Soc.. 40, 1944, S. 546–551. doi:10.1039/tf9444000546.
  6. D Quere: Non-sticking Drops. In: Reports on Progress in Physics. 68, Nr. 11, 2005, S. 2495–2532. bibcode:2005RPPh...68.2495Q. doi:10.1088/0034-4885/68/11/R01.
  7. C Extrand: Criteria for Ultralyophobic Surfaces. In: Langmuir. 20, 2004, S. 5013–5018.
  8. RE Johnson, Robert H. Dettre: Contact Angle Hysteresis. In: J. Phys. Chem.. 68, Nr. 7, 1964, S. 1744–1750. doi:10.1021/j100789a012.
  9. C Extrand: Model for contact angles and hysteresis on rough and ultraphobic surfaces. In: Langmuir. 18, Nr. 21, 2002, S. 7991–7999. doi:10.1021/la025769z.

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