Dynamische Oberflächenspannung

Die dynamische Oberflächenspannung (OFS) oder Grenzflächenspannung (GFS) ist der auf ein bestimmtes Oberflächenalter oder Grenzflächenalter bezogene Wert der OFS oder GFS, der sich bei Flüssigkeiten mit oberflächenaktiven Substanzen (Tensiden) vom Gleichgewichtswert unterscheiden kann.

Hintergrund

Tenside bewirken aufgrund ihrer Adsorption an der Ober- oder Grenzfläche eine Absenkung der OFS oder GFS. Unmittelbar nach der Entstehung der Oberfläche entsprechen OFS oder GFS den Werten der reinen Flüssigkeit(en). Dann sinkt der Wert bis zur Erreichen eines Gleichgewichtswertes. Die dafür benötigte Zeit hängt von der Diffusionsgeschwindigkeit und Adsorptionsgeschwindigkeit des Tensids ab.

Schematischer Verlauf der Diffusion und Adsorption eines Tensids

Es besteht ein Unterschied zwischen der dynamischen OFS/GFS und dem Gleichgewichtswert einerseits und dynamischen und statischen Methoden anderseits. Bei einem dynamischen Tensiometer (z.B. Tropfenvolumentensiometer oder Blasendrucktensiometer) verändert sich die Größe der Grenzfläche während der Messung. Trotzdem kann bei hinreichend langsamer Veränderung neben den zeitabhängigen Werten oft auch ein Gleichgewichtswert gemessen werden. Im Gegenzug kann auch bei statischen Methoden, bei der sich die Grenzflächengröße nicht ändert (z.B. Wilhelmy-Plattenmethode), der zeitliche Verlauf der Einstellung des Gleichgewichts verfolgt werden.

Untersuchung von hochdynamischen Prozessen und Qualitätskontrolle von tensidhaltigen Bädern

Bei Prozessen wie Sprühen, Schäumen, Reinigen, Drucken, Emulgieren oder Beschichten werden Grenzflächen sehr schnell erzeugt. Bei solchen Vorgängen ist nicht nur der Gleichgewichtswert der Oberflächenspannung, sondern auch die Kinetik der Grenzflächenbildung von entscheidendem Einfluss. Die Teilchenbeweglichkeit der verwendeten Tenside wird dabei zu einem wesentlichen Faktor für die Ausbildung der OFS oder GFS.

Messungen der dynamischen Oberflächenspannung mit einem Blasendrucktensiometer werden auch für die indirekte Bestimmung des Gehalts von Reinigern oder Netzmitteln in industriellen Bädern herangezogen, in denen die Konzentration in der Regel oberhalb der CMC liegt. In einem bestimmten Oberflächenalterbereich korreliert die dynamische OFS mit der Tensidkonzentration and kann daher für die Gehaltsbestimmung grenzflächenaktiver Substanzen verwendet werden.

Messmethoden

  • Blasendruckmethode: Gemessen wird der maximale Innendruck einer Gasblase, die über eine Kapillare in einer Flüssigkeit gebildet wird.
  • Tropfenvolumenmethode: Gemessen wird das Volumen eines an einer senkrechten Kapillare erzeugten Tropfens einer Flüssigkeit im Moment seines Abreißens. Wird vorrangig zur Messung der Grenzflächenspannung eingesetzt.
  • Grenzflächenrheologie: Messung des Verlaufs der OFS oder GFS an einem Tropfen, dessen Größe in sinusförmigen Zyklen verändert wird. Die Messung erfolgt per Tropfenkonturanalyse an einem Pendant Drop (hängenden Tropfen) oder durch Messung des Laplace-Drucks an einem kugelförmigen Tropfen.