Plattenmethode nach Wilhelmy

Messmethode zur Messung der Oberflächenspannung (OFS) einer Flüssigkeit, der Grenzflächenspannung (GFS) zwischen zwei Flüssigkeiten und des Kontaktwinkels zwischen einer Flüssigkeit und einem Festkörper. Gemessen wird die an einer senkrecht eingetauchten Platte wirkende Kraft.

Hintergrund

Berührt eine senkrecht aufgehängte Platte eine flüssige Oberfläche oder Grenzfläche, dann wirkt auf diese Platte eine Kraft F, die nach folgender Gleichung mit der Oberflächenspannung bzw. Grenzflächenspannung σ sowie mit dem Kontaktwinkel θ korreliert:

Schematische Darstellung der Wilhelmy-Plattenmethode.

Die benetzte Länge L der Platte entspricht dabei ihrem Umfang. Zur Messung der Kraft F befindet sich die Platte am Kraftsensor eines Tensiometers.

Messmethoden

  • Messung der Oberflächenspannung oder Grenzflächenspannung: Bei der Messung der OFS oder GFS wird als Material für die Platte Platin verwendet, weil es chemisch inert und leicht zu reinigen ist und weil es aufgrund seiner sehr hohen freien Oberflächenenergie optimal benetzbar ist und deshalb mit Flüssigkeiten generell einen Kontaktwinkel θ von 0° (cos θ = 1) ausbildet. Aus der gemessenen Kraft kann die gesuchte Größe σ direkt berechnet werden. Anders als die quasi-statische Ringmethode nach du Noüy, bei der die Oberfläche während der Messung verformt wird, ist die Plattenmethode rein statisch. Dadurch kann die zeitliche Änderung der OFS oder GFS registriert und der Endwert nach dem Erreichen des Gleichgewichts erfasst werden. Messgeräte: K100, K11, K20
  • Messung des Kontaktwinkels: Zur Messung des Kontaktwinkels wird die – in der Regel plattenförmige – Festkörperprobe in eine Flüssigkeit mit bekannter OFS eingetaucht. Durch Umstellung der Wilhelmy-Gleichung nach θ kann der Kontaktwinkel aus der gemessenen Kraft berechnet werden:


In der Regel wird mit der Wilhelmy-Methode durch langsames Eintauchen und anschließendes Herausziehen des Festkörpers ein dynamischer Kontaktwinkel gemessen. Bei der Benetzung wird der Fortschreitwinkel und bei der Entnetzung der Rückzugswinkel ermittelt.

Die benetzte Länge L des Festkörpers (Umfang auf Ebene der Flüssigkeitsoberfläche) muss bekannt sein und darf nicht von der Eintauchtiefe abhängen. Um die benetzte Länge zu ermitteln, kann eine Messung mit einer optimal benetzenden (spreitenden) Flüssigkeit mit bekannter OFS durchgeführt werden, bei der der Kontaktwinkel 0° beträgt (cos θ = 1).

Ergebnisse für den Wilhelmy-Kontaktwinkel können zur Bestimmung der freien Oberflächenenergie des Festkörpers verwendet werden.