Tropfenvolumen-Tensiometer

Ein Tropfenvolumen-Tensiometer ist ein Messgerät zur Bestimmung der dynamischen Grenzflächenspannung. Dabei werden Tropfen einer Flüssigkeit an einer senkrechten Kapillare in einer umgebenden, zweiten Flüssigkeit erzeugt. Gemessen wird das Volumen, bei dem sich die Tropfen von der Kapillarspitze lösen. Durch Messung in Luft als umgebende Phase kann außerdem die dynamische Oberflächenspannung gemessen werden.

Hintergrund

Bei der Tropfenvolumen-Methode wird eine Flüssigkeit durch eine Kapillare in eine umgebende Phase eingebracht. An der Kapillarspitze bildet sich ein Tropfen, der durch die Auftriebskraft nach oben strebt.

Messprinzip eines Tropfenvolumen-Tensiometers

Möglich ist auch die umgekehrte Anordnung, bei der Tropfen der schwereren Phase von der Kapillarspitze abfallen.
Aufgrund der Grenzflächenspannung γ ist der Tropfen bestrebt, die Grenzfläche mit der umgebenden Phase möglichst klein zu halten. Da beim Ablösen des Tropfens am Kapillarausgang eine neue Grenzfläche entsteht, muss die entsprechende Grenzflächenspannung überwunden werden. Der Tropfen löst sich erst dann ab, wenn die Auftriebs- oder Gewichtskraft die Kraft kompensiert, die aus der Grenzflächenspannung an der benetzten Länge der Kapillare, dem Umfang, resultiert. Die Formel für diese Beziehung lautet:

g = Erdbeschleunigung, V = Tropfenvolumen, d = Innendurchmesser der Kapillare,
Δp = Dichtedifferenz zwischen den Phasen

Tensiometertypen

Herkömmlich wird bei der Messung die Zahl der Tropfen ermittelt, auf die sich ein gegebenes Gesamtvolumen aufteilt, oder es wird die Masse der aufgefangenen Tropfen erfasst (Stalagmometer). Die Fließgeschwindigkeit kann dabei in der Regel nicht vorgegeben werden. Sie ergibt sich aus der Viskosität und der Höhe der Flüssigkeitssäule des Vorratsvolumens, wodurch sie sich während der Messung ändert.
Beim Tropfenvolumen Tensiometer – DVT50 wird mittels einer Lichtschranke die Zeit zwischen zwei sich ablösenden Tropfen bei eingestelltem Volumenstrom registriert. Dadurch kann durch Variation des Volumenstroms das Grenzflächenalter (Zeit vom Beginn der Tropfenbildung bis zum Moment der Ablösung) vorgegeben werden. Die Grenzflächenspannung wird so als Funktion des Grenzflächenalters gemessen.

Abhängigkeit der Grenzflächenspannung vom Grenzflächenalter

Diese Abhängigkeit spielt für den Einsatz von Tensiden eine wichtige Rolle, da der Gleichgewichtswert der Grenzflächenspannung bei vielen Prozessen aufgrund der zum Teil geringen Diffusions- und Adsorptionsgeschwindigkeit von Tensiden gar nicht erreicht wird.