Grenzflächenspannung

Im weiteren Sinne wird als Grenzflächenspannung die Arbeit bezeichnet, die aufgewendet werden muss, um die Grenzfläche zwischen zwei angrenzenden, sich nicht vollständig mischenden Phasen zu vergrößern. Im engeren Sinne (und in diesem Glossar) bezieht sich der Begriff auf die Phasengrenzen flüssig/flüssig und flüssig/fest, während für die Grenzfläche flüssig/gasförmig von Oberflächenspannung und für fest/gasförmig von freier Oberflächenenergie gesprochen wird.
Die Grenzflächenspannung hat als Arbeit pro Fläche bzw. Kraft pro benetzter Länge die Einheit mN/m und trägt das Formelzeichen σ oder γ (kleines Sigma oder Gamma).

Hintergrund

Bei einer Phasengrenze sind die Wechselwirkungen mit den Molekülen derselben Phase in der Summe größer als die mit Molekülen der jeweils anderen Phase. Entsprechend finden Moleküle an der Grenzfläche weniger attraktive Wechselwirkungspartner vor als in der Volumenphase. Daher bilden die Phasen ohne äußere Krafteinwirkung die kleinstmögliche Grenzfläche. Um die Grenzfläche zu vergrößern, muss Arbeit geleistet werden.

Umgebung von Molekülen in der Volumenphase und an der Grenzfläche

Wie bei der Oberflächenspannung wird zwischen der statischen Grenzflächenspannung (gemessen im Gleichgewicht bei mechanisch unveränderter Grenzfläche) und der dynamischen Grenzflächenspannung (gemessen während der Änderung der Grenzfläche) unterschieden.

Bedeutung

Für viele Prozesse und Phänomene, bei denen verschiedene Phasen einander berühren, spielt die Grenzflächenspannung eine wichtige Rolle:

  • Emulsionen und Emulgierbarkeit: Die Grenzflächenspannung beeinflusst die Emulgierbarkeit und die Neigung zur Phasentrennung.
  • Flutung (zum Beispiel bei der tertiären Erdölförderung): Wird die Grenzflächenspannung durch Tenside herabgesetzt, kann die organische Phase durch Flutung mit Wasser mobilisiert werden.
  • Qualitätstests hydrophober Flüssigkeiten: Das Altern einer hydrophoben Flüssigkeit geht häufig mit der Verringerung der Grenzflächenspannung mit Wasser einher. Die Grenzflächenspannungsmessung ist in solchen Fällen ein wichtiger Qualitätstest, zum Beispiel bei Transformatorenöl.
  • Bei Fest-flüssig-Phasengrenzen beeinflusst die Grenzflächenspannung die Langzeitstabilität des Grenzflächenkontakts, zum Beispiel beim Kleben und Beschichten.

Messmethoden

Flüssig-flüssig-Grenzfläche:

  • Ringmethode nach Du Noüy: Gemessen wird die an einem optimal benetzbaren Ring wirkende Kraft, die beim Bewegen des Ringes von einer in die andere Phase durch die Spannung der herausgezogenen Flüssigkeitslamelle wirkt.
  • Plattenmethode nach Wilhelmy: Gemessen wird die Kraft, die auf eine optimal benetzbare, senkrecht in die untere Phase eingetauchte Platte wirkt.
  • Stabmethode: Wie Plattenmethode, wobei für die Messung mit kleinerem Flüssigkeitsvolumen ein zylindrischer Stab mit kleinerer benetzter Länge verwendet wird.
  • Tropfenvolumen-Methode: Gemessen wird das Volumen eines an einer senkrechten Kapillare erzeugten Tropfens einer Flüssigkeit in einer anderen Flüssigkeit im Moment seines Abreißens.
  • Spinning-Drop-Methode: Eine waagerechte Kapillare, gefüllt mit einer umgebenden Phase und einer Tropfenphase, wird in Rotation versetzt. Der Durchmesser des durch die Fliehkraft in die Länge gezogenen Tropfens korreliert mit der Grenzflächenspannung.
  • Methode des hängenden Tropfens (Pendant Drop): Die Form eines an einer Kanüle befindlichen Tropfens in einer umgebenden flüssigen Phase wird u. a. durch die Grenzflächenspannung bestimmt. Aus dem Bild des Tropfens kann per Tropfenkonturanalyse die Grenzflächenspannung ermittelt werden.

Flüssig-fest-Grenzfläche:

  • Messung des Kontaktwinkels: Aus dem Kontaktwinkel mehrerer Flüssigkeiten mit einem Festkörper kann neben dessen freier Oberflächenenergie auch die Grenzflächenspannung mit den jeweiligen Flüssigkeiten berechnet werden.