Kontaktwinkel

Bei einer Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit und einem Feststoff wird der Winkel zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und dem Umriss der Kontaktfläche als Kontaktwinkel θ (kleines Theta) bezeichnet. Der Kontaktwinkel ist ein Maß für die Benetzbarkeit eines Festkörpers durch eine Flüssigkeit.

Hintergrund

Bei vollständiger Benetzung (Spreitung) beträgt der Kontaktwinkel 0°. Zwischen 0° und 90° gilt der Festkörper als benetzbar, über 90° als nicht benetzbar. Bei ultrahydrophoben Materialien mit dem so genannten Lotuseffekt nähert sich der Kontaktwinkel dem theoretischen Grenzwert von 180°.

Bild: Kontaktwinkel auf versch. Materialien

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

Schematische Darstellung des Kontaktwinkels

Der Kontaktwinkel mit einer oder mehreren Flüssigkeiten kann zur Bestimmung der freien Oberflächenenergie eines Festkörpers herangezogen werden.

Bedeutung

Der Kontaktwinkel ist überall dort wichtig, wo die Intensität des Phasenkontakts zwischen flüssigen und festen Stoffen kontrolliert oder bewertet werden soll: Coating, Lackierung, Reinigung, Drucken, hydrophobe oder hydrophile Beschichtung, Kleben, Dispergierung.

Messmethoden

  • Tropfenkonturanalyse (Drop shape analysis, DSA): Der Kontaktwinkel wird anhand des Bildes eines liegenden Tropfens an den Schnittpunkten (Dreiphasenpunkten) zwischen der Tropfenkontur und der Projektion der Oberfläche (Basislinie) gemessen. Messgeräte: DSA100, DSA30, DSA25, MSA, MobileDrop
  • Wilhelmy-Plattenmethode: Gemessen wird die Kraft, die bei der senkrechten Bewegung eines plattenförmigen Festkörpers in einer Flüssigkeit in Zugrichtung wirkt. Außer von der Oberflächenspannung und von der benetzten Länge hängt diese Kraft vom Kontaktwinkel ab. Messgerät: K100
  • Pulverkontaktwinkelmessung nach der Washburn-Methode: Gemessen wird die zeitliche Gewichtszunahme eines eingetauchten, mit Pulver gefüllten Röhrchens. Die Geschwindigkeit des Anstiegs der Flüssigkeitssäule 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