Washburn-Methode

Die Washburn-Methode ist eine Methode zur Messung des Kontaktwinkels und der freien Oberflächenenergie von porösen Substanzen wie z.B. geschüttete Pulver oder Pigmente sowie von saugfähigen Materialien wie Papier oder Textilien.

Hintergrund

Bei einer Washburn-Messung berührt ein z.B. mit einem Pulver gefülltes Glasröhrchen mit Filterboden eine Testflüssigkeit. Aufgrund der Kapillarität wird die Flüssigkeit nach oben gezogen. Bei der Messung wird die zeitliche Massenzunahme des an einem Kraftsensor hängenden Röhrchens bestimmt. Wird die Pulverschüttung als Bündel Kapillaren aufgefasst, dann lässt sich der Vorgang durch die Washburn-Gleichung beschreiben:

(m = Masse; t = Fließzeit; σ = Oberflächenspannung der Flüssigkeit; c = Kapillarkonstante des Pulvers; ρ = Dichte der Flüssigkeit; θ = Kontaktwinkel; η = Viskosität der Flüssigkeit)

Die Konstante c umfasst die Zahl der Mikrokapillaren und deren mittleren Radius und ist von der Beschaffenheit des Pulvers und auch des Messröhrchens abhängig.

Die Auftragung des Quadrats der Masse m2 gegen die Zeit t zeigt einen linearen Bereich, dessen Steigung bei bekannten Flüssigkeitseigenschaften (σ, ρ und η) nur die beiden Unbekannten c und θ enthält.

Zur Bestimmung der Konstanten c wird eine Messung mit einer optimal benetzenden (spreitenden) Flüssigkeit (z.B. n-Hexan) durchgeführt, bei der der Kontaktwinkel θ 0° beträgt (cos θ = 1). Der Wert für c wird in die Gleichung eingesetzt, um den Kontaktwinkel θ mit Hilfe anderer Flüssigkeiten zu bestimmen. Der so gemessene Kontaktwinkel ist ein Fortschreitwinkel, da er im Zuge der Benetzung gemessen wird. Mit Hilfe verschiedener Modelle kann aus den Kontaktwinkeldaten die freie Oberflächenenergie des Pulvers berechnet werden.

Da c von der Schüttdichte abhängt, muss für alle Messungen an demselben Pulver auf eine einheitliche Packung des Pulvers geachtet werden.
Kontaktwinkel über 90° können mit der Methode nicht gemessen werden, da keine Benetzung des Pulvers stattfindet. Alternativ können Kontaktwinkelmessungen mittels Tropfenkonturanalyse auf einem Pulverbett durchgeführt werden.

Literatur

Washburn, E.W., Phys. Rev. 17, 374 (1921)