Freie Oberflächenenergie

Als freie Oberflächenenergie wird die Arbeit bezeichnet, die aufgewendet werden muss, um die Oberfläche einer Phase zu vergrößern. Die freie Oberflächenenergie hat als Energie pro Fläche die Einheit mJ/m2, wobei häufig die äquivalente Einheit mN/m verwendet wird. Das Formelzeichen lautet σ (kleines Sigma).

Der Begriff freie Oberflächenenergie wird in der Regel für Festkörperoberflächen verwendet. Handelt es sich um eine flüssige Phase, wird zumeist (und in diesem Glossar) von der Oberflächenspannung (OFS) gesprochen.

Hintergrund

Kontaktwinkel und freie Oberflächenenergie

Da die Arbeit zur Vergrößerung der Oberfläche messtechnisch schwer von der Verformungsarbeit zu unterscheiden ist, wird die freie Oberflächenenergie in der Regel indirekt mit Hilfe des Kontaktwinkels, zumeist mit mehreren Flüssigkeiten, gemessen.

Gemäß der Young’schen Gleichung besteht ein Zusammenhang zwischen der freien Oberflächenenergie σs des Festkörpers, dem Kontaktwinkel θ, der Oberflächenspannung der Flüssigkeit σl, und der Grenzflächenspannung σsl zwischen Flüssigkeit und Festkörper:

Schematische Darstellung des Kontaktwinkels

Es existiert eine Vielzahl von Modellen, mit deren Hilfe aus Kontaktwinkeldaten die freie Oberflächenenergie berechnet werden kann. Bei den meisten Modellen wird eine zweite Gleichung zur Berechnung der Grenzflächenspannung aufgestellt, die folgende allgemeine Form hat:

Die Modelle unterscheiden sich darin, wie diese Wechselwirkungen interpretiert werden und welche Wechselwirkungskomponenten der einzelnen Phasen für die Entstehung der Oberflächenspannung bzw. freien Oberflächenenergie σ verantwortlich gemacht werden.

Modelle zur Berechnung der freien Oberflächenenergie

Modell nach Autor(en)Wechselwirkungungskomponenten der OFS
FowkesDispersiver Anteil und nicht-dispersiver Anteil
Owens-Wendt-Rabel & KaelbleDispersiver und polarer Anteil
WuDispersiver und polarer Anteil
SchultzDispersiver und polarer Anteil, Messung in umgebender flüssiger Phase
Oss, Good (acid-base)Lewis-Säure-Anteil und Lewis-Base-Anteil
Extended FowkesDispersiver und polarer Anteil und Anteil der Wasserstoffbrückenbindungen
Zismankeine Zerlegung in Komponenten; Bestimmung der kritischen Oberflächenspannung
Neumann (Zustandsgleichung; Equation of State)keine Zerlegung in Komponenten

Bedeutung

Die freie Oberflächenenergie eines Festkörpers hat entscheidenden Einfluss auf seine Benetzbarkeit. Ihre Kenntnis erlaubt zudem eine abschätzende Voraussage des Kontaktwinkels, der Adhäsionsarbeit und der Grenzflächenspannung mit Flüssigkeiten mit bekannten Eigenschaften. Diese Informationen sind relevant für Prozesse wie Coating, Lackierung, Reinigung, Drucken, hydrophobe oder hydrophile Beschichtung, Kleben, Dispergierung…

Messmethoden

  • Wilhelmy-Plattenmethode: Gemessen wird die Kraft, die bei der senkrechten Bewegung eines plattenförmigen Festkörpers in einer Flüssigkeit in vertikaler richtung wirkt. Außer von der Oberflächenspannung und von der benetzten Länge hängt diese Kraft vom Kontaktwinkel ab. Messgerät: K100

  • Pulverkontaktwinkelmessung nach der Washburn-Methode: Ein an einer Waage hängendes, pulvergefülltes Röhrchen wird eingetaucht. Aufgrund der Kapillarkraft steigt die Flüssigkeit im Röhrchen hoch und die gemesse Gewichtskraft nimmt mit der Zeit zu. Die Geschwindigkeit des Gewichtsanstiegs hängt u. a. vom Kontaktwinkel ab. Messgerät: K100

  • Aufsichtdistanzmethode: Die mit dem Kontaktwinkel verbundene Krümmung der Tropfenoberfläche wird anhand des Abstandes von Lichtpunkten gemessen, die an der Oberseite einer Tropfenoberfläche reflektiert werden. Messgerät: TVA100