Oberflächenspannung
Die Durchführung einer korrekten Oberflächenspannungsanalyse ist in vielen Anwendungsbereichen entscheidend: Elektronik, Formenbau, Lackierung, Pharmazie, Petrochemie, Chemie, Textilien, Kosmetik, Lebensmittel, Optik, Automobil und Verpackung.
Um das Konzept der Oberflächenspannung zu verstehen, ist das Beispiel eines halbvollen Glases mit Wasser hilfreich.
- Unter der Flüssigkeitsoberfläche ist jedes Molekül vollständig von anderen Wassermolekülen umgeben, die dazu neigen, es anzuziehen. Auf das Molekül wirken Anziehungskräfte in alle Richtungen, und die resultierende Kraft, die auf das Molekül ausgeübt wird, ist gleich Null.
- Das Wassermolekül an der Oberfläche hingegen wird nur von den anderen Wassermolekülen unter der Flüssigkeit und auf demselben Niveau angezogen, während es darüber von Luftmolekülen umgeben ist. In diesem Fall ist die Kraft, die auf das Molekül ausgeübt wird, ungleich Null, da es natürlich nach innen gezogen wird.
Schüttet man einen sehr kleinen Wassertropfen auf eine Ebene, nimmt er eine kugelförmige Gestalt an: Diese Form ist die Folge der Kohäsionskraft zwischen den Molekülen. Wie bereits erwähnt, werden die Moleküle im Inneren der Flüssigkeit von anderen Molekülen in alle Richtungen angezogen, während die Moleküle an der Oberfläche nur von den darunter liegenden Molekülen angezogen werden und sich somit zum Zentrum hin bewegen, was die Kugelform erklärt.
Das Beispiel hilft zu verstehen, dass es notwendig ist, der Kraft, die ein Molekül von innen nach außen zieht, Energie entgegenzusetzen.
Oberflächenenergie
Im Gegensatz zu Flüssigkeiten können Feststoffe ihre Form nicht verändern, aber sie können die Art und Weise beeinflussen, wie Flüssigkeiten mit ihrer Oberfläche interagieren. Die Oberflächenenergie ist das Ausmaß, in dem ein Feststoff eine flüssige Substanz an seiner Oberfläche haften lässt.
Materialien können eine hohe, niedrige oder sehr niedrige freie Oberflächenenergie haben. Materialien wie Metalle, Metalloxide oder Glas haben hohe Oberflächenenergien; im Gegensatz dazu haben die meisten Polymere und Kunststoffe im Allgemeinen einen niedrigeren Wert der freien Oberflächenenergie.
Dispergierte und polare Moleküle
Bringt man eine Flüssigkeit mit einer festen Oberfläche in Kontakt, kann man die Wechselwirkung zwischen dispergierten Molekülen und polaren Molekülen beobachten. Ein unterschiedliches Verhältnis zwischen der Anzahl der dispergierten Moleküle und der Anzahl der polaren Moleküle verändert das Ergebnis des Kontakts eines Feststoffs mit verschiedenen Flüssigkeiten völlig.
Wenn wir beispielsweise Öl auf eine antihaftbeschichtete Bratpfanne aus Teflon (der Handelsname für Polytetrafluorethylen) gießen, wird es schnell und gleichmäßig auf die Oberfläche der Pfanne tropfen, weil die Zusammensetzung der beiden Elemente die Bildung einer chemischen Verbindung begünstigt. Gießt man dagegen Wasser in dieselbe Schale, so zieht sich die Flüssigkeit zusammen und bildet Tröpfchen. Dieses Phänomen ist darauf zurückzuführen, dass Teflon und Wasser nur schwer miteinander interagieren können, da es sich um zwei Elemente unterschiedlicher Zusammensetzung handelt (das eine ist durch dispergierte Moleküle, das andere durch polare Moleküle gekennzeichnet).
Oberflächenspannung und Oberflächenenergie sind durch die Dupré-Regel miteinander verbunden, die besagt, dass:
- Wenn die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit geringer ist als die Oberflächenenergie des Festkörpers, auf den sie aufgetragen werden soll, haftet die flüssige Substanz an dem Festkörper.
- Wenn die Oberflächenenergie niedriger ist als die Oberflächenspannung, kann die Flüssigkeit nicht an der festen Oberfläche haften.
In diesem Zusammenhang kommen die Corona- und Plasmabehandlungen ins Spiel: Sie erhöhen die Oberflächenenergie von Oberflächen , und verbessern die Fähigkeit einer Flüssigkeit, sich vollständig auf einer flachen, horizontalen Oberfläche zu verteilen, um die Haftung zu verbessern.