Blasendruck-Tensiometer

Ein Blasendruck-Tensiometer ist ein Messgerät zur Bestimmung der dynamischen Oberflächenspannung. Gemessen wird der maximale Innendruck einer Gasblase, die über eine Kapillare in einer Flüssigkeit gebildet wird.

Hintergrund

Der Innendruck p einer kugelförmigen Gasblase (Laplace-Druck) hängt nach der Young-Laplace-Gleichung vom Krümmungsradius r und von der Oberflächenspannung σ ab:

Wird eine Gasblase an der Spitze einer Kapillare in einer Flüssigkeit erzeugt, nimmt die Krümmung zunächst zu und dann wieder ab, wodurch ein Druckmaximum auftritt. Die größte Krümmung und damit der größte Druck treten auf, wenn der Krümmungsradius dem Kapillarradius entspricht.

Druckverlauf bei der Blasendruckmessung, Lage des Druckmaximums

Bei bekanntem Kapillarradius kann aus dem Druckmaximum pmax die Oberflächenspannung berechnet werden. Da die Kapillare in die Flüssigkeit eintaucht, muss vom gemessenen Druck der hydrostatische Druck p0 subtrahiert werden, der aus der Eintauchtiefe und der Dichte der Flüssigkeit resultiert (erfolgt bei modernen Messinstrumenten automatisch). Daraus ergibt sich folgende Formel für die Blasendruck-Methode:

Analyse des dynamischen Verhaltens von Tensiden

Der Messwert entspricht der Oberflächenspannung bei einem bestimmten Oberflächenalter, der Zeit vom Beginn der Blasenbildung bis zum Auftreten des Druckmaximums. Durch Variation der Erzeugungsgeschwindigkeit der Blasen kann die Abhängigkeit der Oberflächenspannung vom Oberflächenalter erfasst werden.

Diragramm Oberflächenspannung vs. Oberflächenalter

Abhängigkeit der Oberflächenspannung vom Oberflächenalter

Diese Abhängigkeit spielt für den Einsatz von Tensiden eine wichtige Rolle, da der Gleichgewichtswert der Grenzflächenspannung bei vielen Prozessen aufgrund der zum Teil geringen Diffusions- und Adsorptionsgeschwindigkeit von Tensiden gar nicht erreicht wird.
Mit Hilfe von Blasendruckmessungen können Geschwindigkeitsparameter von Tensiden berechnet werden: der Diffusionskoeffizient und der Adsorptionskoeffizient.

Bestimmung des Tensidgehalts in Reinigungs- und Beschichtungsbädern

Messungen der dynamischen Oberflächenspannung dienen auch der indirekten Bestimmung der Konzentration von Reinigern oder Netzmitteln in industriellen Bädern. Die Konzentration in solchen Bädern liegt in der Regel oberhalb der kritischen Mizellkonzentration (CMC), d. h. in einem Bereich, wo die statische OFS sich mit ansteigender Konzentration nicht mehr ändert. Das gilt jedoch nicht für die dynamische SFT, die bei kürzeren Oberflächenaltern eine starke Abhängigkeit von der Konzentration zeigt. Wenn Messkurven in einem breiten Dynamikbereich von kurzen zu langen Oberflächenaltern bei verschiedenen Konzentrationen aufgenommen werden (s. Abbildung oben), dann können den Daten das optimale Oberflächenalter für die Konzentrationsbestimmung sowie eine Kalibrierkurve entnommen werden. Diese Informationen werden dann für Einpunkt-Messungen im Rahmen der Qualitätskontrolle von Reinigungs- und Beschichtungsbädern verwendet.