Kontaktwinkel

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Definition

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

Bedeutung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

unterschiedliche Oberflächen und zugehörige Kontaktwinkel für Wasser

Aus der Messung der Kontaktwinkel, z. B. mit einem Kontaktwinkel-Goniometer, können bestimmte Eigenschaften der Oberfläche eines Feststoffs bestimmt werden, z. B. die Oberflächenenergie.

Die Größe des Kontaktwinkels zwischen Flüssigkeit und Feststoff hängt ab von der Wechselwirkung zwischen den Stoffen an der Berührungsfläche: je geringer diese Wechselwirkung, desto größer der Kontaktwinkel.

Im Spezialfall der Verwendung von Wasser als Flüssigkeit bezeichnet man die Oberfläche:

  • bei geringen Kontaktwinkeln (ca. 0°, Bild 3a) als hydrophil ("wasserliebend")
  • bei Winkeln um 90° (Bild 3b) als hydrophob (wasserabweisend)
  • bei Winkeln über 90° (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. In bestimmten Formen der Oberflächenstrukturierung entstehen omniphobe Eigenschaften, die sowohl hydrophob als auch lipophob sind.[1] Das Gegenteil ist die Amphiphilie.

Theorie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Youngsche Gleichung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Kontaktwinkel θC an der Phasengrenze
liegender Tropfen mit Kontaktwinkel und den Größen der Oberflächenspannung

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

mit den Grenzflächenspannungen

  • zwischen fest und gasförmig
  • zwischen fest und flüssig
  • zwischen flüssig und gasförmig.

Bei feinstrukturierten Oberflächen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Flüssigkeitszustände bei zunehmender Feinstrukturierung

Bei feinstrukturierten Oberflächen beobachtete R. Wenzel die Änderung des Kontaktwinkels zu :[3]

mit r als Verhältnis der tatsächlichen zur projizierten Fläche.

Dabei verstärkt die Feinstrukturierung die bereits vorhandenen Eigenschaften der Oberfläche: eine hydrophobe Oberfläche (d.h. mit einem Kontaktwinkel über 90°) wird noch wasserabweisender, z. B. beim Lotoseffekt, während eine hydrophile Oberfläche noch hydrophiler wird.[4]

Cassie und Baxter beobachteten die Änderung des Kontaktwinkels zu , wenn der Tropfen nur noch auf den Erhebungen der feinstrukturierten Oberfläche aufliegt:

mit als Kontaktfläche zwischen fest und flüssig.[5]

Dabei muss die folgende Ungleichung erfüllt sein:[6]

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:

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:

mit dem Wenzel-Zustand:

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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Oberflächenspannung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  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.