Rauheit

Die Rauheit (veraltet "Rauigkeit") ist der Grad der Unebenheit einer Festkörperoberfläche unterhalb der Größenskala ihrer Form oder Welligkeit, aber oberhalb der Unregelmäßigkeit von Kristallgitterstrukturen. Der Grad der Rauheit hat Einfluss auf die Benetzbarkeit eines Festkörpers.

Rauheitsparameter

Neben der Benetzbarkeit sind viele weitere Vorgänge und Materialeigenschaften durch die Rauheit beeinflusst, zum Beispiel die Reibung oder die Strömung durch Rohre. Deshalb ist die Charakterisierung von Oberflächen hinsichtlich ihrer Rauheit von großer technischer Bedeutung. Als Kennzahlen für die Rauheit eines Festkörpers dienen u. a.:

  • Die mittlere Rauheit, auch Mittenrauwert Ra . Sie gibt den mittleren Abstand der tatsächlichen Oberflächenhöhe von der mittleren Höhenlinie an. Die Mittellinie wird dabei so gelegt, dass die Summe der Höhenabweichungen den geringsten Wert annimmt.
  • Die quadratische Rauheit Rq. Diese entspricht der Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der Abweichungen von der mittleren Höhenlinie.
  • Der Rauheitskoeffizient r’ (s. u.). Dieser gibt das Größenverhältnis der Gesamtoberfläche zur geometrisch auf eine Ebene projizierten Oberfläche an und ist für die Benetzbarkeit von besonderer Bedeutung.

Messung der Rauheit

Ergebnisparameter für die Rauheit und geeignete Messverfahren sind in der Norm ISO 25178 definiert. Hervorzuheben sind dabei zerstörungsfreie Messungen durch berührungslose, optische Verfahren, zum Beispiel Weißlichtinterferometrie oder konfokale Mikroskopie. Andere Methoden verwenden zum Beispiel einen Luftstrom oder auch Vakuum und machen sich die Gasdurchlässigkeit beim Kontakt zwischen einer glatten und einer rauen Oberfläche zunutze.

Rauheit und Benetzbarkeit

Da Rauheit mit einer vergrößerten Oberfläche einhergeht, hat sie Auswirkungen auf die Benetzbarkeit eines Festkörpers, und auf den Kontaktwinkel (KW) einer Flüssigkeit sowie auf die Adhäsion. Ob die Rauheit die Benetzbarkeit erhöht oder verringert, hängt vom Grad der Benetzbarkeit des glatten Materials ab. Die folgenden Betrachtungen setzen voraus, dass die Größenskala der Rauheit deutlich unterhalb der Tropfengröße der Flüssigkeit liegt.

Einfluss der Rauheit bei benetzbaren Oberflächen (KW < 90°)

Ein Festkörper gilt als benetzbar durch eine gegebene Flüssigkeit, wenn sich ein Kontaktwinkel unter 90° ausbildet. Auf einer rauen Oberfläche desselben Materials wird der Kontaktwinkel kleiner, das Material ist also noch besser benetzbar. Die Ausbildung einer Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Festkörper ist in diesem Fall energetisch günstig, sodass sich die Vergrößerung der Oberfläche positiv auf die Benetzung auswirkt. 

Die Nutzung dieses Effekts gehört zum praktischen Alltagswissen, wenn zum Beispiel Bauteile vor dem Lackieren oder Verkleben angeschliffen werden. Dabei wird im gleichen Zuge auch die Haftung von Kleb-und Beschichtungsstoffen erhöht. Für Messungen der Oberflächenspannung mit der Wilhelmy-Plattenmethode wird die Platin-Platte aufgeraut, um die Benetzung durch die Probe zu optimieren.

Laut Wenzel besteht folgende Beziehung zwischen Rauheit und Kontaktwinkel:

            cosθ* = r' cosθ

θ* = gemessener (scheinbarer) Kontaktwinkel; θ = Kontaktwinkel auf der glatten Oberfläche;
r’ = Rauheitskoeffizient (s.o.)

Einfluss der Rauheit bei nicht benetzbaren Oberflächen (KW  > 90°)

Bildet eine Flüssigkeit auf einem glatten Festkörper Kontaktwinkel über 90° aus, ist der Festkörper nicht benetzbar. Auf einer rauen Oberfläche desselben Materials wird der Kontaktwinkel größer.

Diesen Sachverhalt gibt schon die oben genannte Gleichung nach Wenzel wieder. Da cos θ bei Kontaktwinkeln über 90° negative Werte annimmt, wird der scheinbare Kontaktwinkel laut dieser Gleichung größer. Allerdings kann die Wenzel-Gleichung nur bedingt angewendet werden, da nicht davon auszugehen ist, dass bei geringer Benetzung alle Kapillaren im Inneren einer rauen Oberfläche mit Flüssigkeit gefüllt sind. Cassie und Baxter haben die folgende Beziehung für einen Zustand formuliert, bei dem sich nur Teile der gesamten Oberfläche mit der Flüssigkeit in Kontakt befinden:

cosθ* = r' f  cosθ + f -1       (f = Anteil der tatsächlich benetzten Fläche)

Grundzustände der Benetzung nach Wenzel und Cassie-Baxter

Grundzustände der Benetzung nach Wenzel und Cassie-Baxter

Bekannt ist dieses Benetzungsverhalten als Lotuseffekt, da das Lotusblatt eine der am wenigsten benetzbaren, nicht technischen Oberflächen ist. Extrem geringe Benetzbarkeit, auch Super­hydrophobie genannt, entsteht durch die raue Oberflächentextur eines Materials mit niedriger freier Oberflächenenergie. Es gibt vielfältige industrielle Anwendungen für superhydrophobe Materialien oder Beschichtungen, zum Beispiel für Fouling- und Nässeschutz oder für selbstreinigende Textilien oder Gebäudewände.

Literatur

R. N. Wenzel, Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water. In: Ind. Eng. Chem. 28, Nr. 8, 1936, S. 988–994
A.B. D. Cassie, S. Baxter, Wettability of Porous Surfaces. In: Trans. Faraday Soc. 40, 1944, S. 546–551