Extended-Fowkes-Methode

Die Extended-Fowkes-Methode (erweiterte Fowkes-Methode) ist eine Methode zur Berechnung der freien Oberflächenenergie eines Festkörpers aus dem Kontaktwinkel mit mehreren Flüssigkeiten. Die freie Oberflächenenergie wird dabei in einen polaren Anteil und einen dispersiven Anteil aufgespaltet, wobei für den polaren Anteil zusätzlich ein Wasserstoffbrückenbindungsanteil ausdifferenziert wird.

Hintergrund

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:

Um die freie Oberflächenenergie aus dem Kontaktwinkel berechnen zu können, muss die zweite unbekannte Größe σsl bestimmt werden.
Anknüpfend an die Methode nach Fowkes und Owens, Wendt, Rabel und Kaelble wird die Grenzflächenspannung σsl anhand der beiden Oberflächenspannungen σs und σl und der gleichartigen Wechselwirkungen zwischen den Phasen berechnet. Diese Wechselwirkungen werden als geometrischer Mittelwert eines dispersiven Anteils σD, eines Wasserstoffbrückenbindungsanteils σH und eines Anteils sonstiger polarer Wechselwirkungen σP der Oberflächenspannung bzw. freien Oberflächenenergie interpretiert:

Zur Bestimmung der freien Oberflächenenergie des Festkörpers werden mindestens drei Flüssigkeiten benötigt, wobei mindestens eine der Flüssigkeiten einen polaren Anteil und eine einen Wasserstoffbrückenbindungsanteil > 0 aufweisen muss.
Die Extended-Fowkes-Methode wird bislang selten für die Materialprüfung verwendet. Für die Abschätzung der Adhäsion zweier Phasen ist sie aber von Wert, da Wasserstoffbrückenbindungen im Vergleich zu dispersiven und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen größere Bindungsenergien haben. Die Benetzbarkeit eines Festkörpers durch Wasser hängt im hohen Maße von der Fähigkeit des Festkörpers ab, Wasserstoffbrückenbindungen auszubilden.

Literatur

Chen Jie-Rong; T. Wakida, Studies on the Surface Free Energy and Surface Structure of PTFE Film Treated with Low Temperature Plasma. In: Appl. Poly. Sci 63,13 (1997), P. 1733-1739.