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Benetzungsanalysen auf kleinsten Oberflächen – Und wie groß ist Ihre Probe?

Kontaktwinkelmessung, zerstörungsfreie optische Oberflächenanalyse, Benetzungseigenschaften

Dr. Michaela Laupheimer, Dina Otto

Ob für die Homogenitätsprüfung von Beschichtungen oder die Benetzungsfähigkeit von Tintentropfen auf Papier – mit den optischen Kontaktwinkelmessgeräten und Tropfenkonturanalysesystemen von DataPhysics
Instruments lassen sich Oberflächen und Flüssigkeiten zerstörungsfrei und präzise auf Benetzungseigenschaften hin untersuchen und bewerten. Mit der neuesten Nano- und Picoliter Dosiertechnologie können Sie nun auch kleinste Oberflächen, wie zum Beispiel elektronische Bauteile, genau analysieren.

Kontaktwinkelmessung erlaubt Oberflächencharakterisierung

In Forschung und Entwicklung wie auch in der Qualitätssicherung gilt es immer wieder, die Eigenschaften von neu entwickelten Materialien oder Beschichtungen zerstörungsfrei am Endprodukt zu testen. Das stellt besonders im Hinblick auf Form und Größe der Probe mitunter eine Herausforderung dar. Während das Rohmaterial oftmals reichlich verfügbar ist, sind die relevanten Flächen am Bauteil nicht selten nur wenige Quadratmillimeter oder gar Quadratmikrometer klein, so wie beispielsweise Sensorklebeflächen, Schraubgewindestücke oder Mikrochips.

Die optischen Kontaktwinkelmessgeräte von DataPhysics Instruments eignen sich hervorragend für die Durchführung von Benetzungsanalysen auch auf derartig minimalen Festkörperoberflächen. Über ein Spritzenmodul wird ein Flüssigkeitstropfen dosiert und auf der zu untersuchenden Oberfläche abgesetzt. Die am Gerät montierte Kamera filmt den Vorgang und sendet die Bilder an einen Computer mit der Auswertesoftware. Die Tropfenbasis sowie die Tropfenkonturlinie werden automatisch erkannt und angepasst und der Kontaktwinkel wird direkt berechnet. Mit Wasser als Testflüssigkeit kann sofort eine Aussage über bestimmte Oberflächeneigenschaften getroffen werden: Niedrige Wasserkontaktwinkel < 90° zeugen von Hydrophilie, während man auf hydrophoben Oberflächen kugelförmige Wassertropfen mit Kontaktwinkeln > 90° beobachtet. Kontaktwinkelmessungen mit mehreren unterschiedlichen Testflüssigkeiten ermöglichen darüber hinaus die Bestimmung der Oberflächenenergie. Als Pendant zur Oberflächenspannung von Flüssigkeiten werden über die Berechnung der Oberflächenenergie auch die dispersen und polaren Anteile der Oberfläche definiert; zusätzlich lassen sich mit diesem Wissen wiederum Rückschlüsse auf die Oberflächenchemie des Materials ziehen.

Schematische Darstellung eines Tropfens auf einer Festkörperoberfläche

Abbildung 1 zeigt schematisch einen Kontaktwinkel θC auf einer Festkörperoberfläche, mit der Oberflächenspannung der Flüssigkeit σL, der Oberflächenenergie des Festkörpers σS und der fest-flüssig-Grenzflächenenergie σSL.

Innovative Dosiertechnologie für kleinste Oberflächen

Soll nun der Kontaktwinkel auf sehr kleinen Oberflächen gemessen werden, erfordert diese Anwendung auch eine entsprechende Modifikation des Messsystems, insbesondere ein deutlich kleineres Volumen des dosierten Flüssigkeitstropfens. DataPhysics Instruments hat zu diesem Zweck neben der Standarddosierung mit Glas- oder Einwegspritzen zur Erzeugung von Mikrolitertropfen zwei innovative Dosiersysteme entwickelt: die Nanoliterdosierung sowie die Pikoliterdosierung PDDS. Die Größenverhältnisse kann man sich wie folgt vorstellen: Ein Mikrolitertropfen benetzt eine Fläche mit einem Durchmesser von einigen Millimetern – das entspricht in etwa der Größe eines Stecknadelkopfes oder einer Reißzwecke.

Nanolitertropfen im Gewindegang einer Schraube

Mit der Nanoliterdosierung werden bereits hundertmal kleinere Tropfen als gewöhnlich erzeugt (V = 10 nl). Diese passen zum Beispiel auf den Rand einer 2-Cent-Münze oder in die Gewindegänge einer Schraube.

Picolitertropfen auf Feindrähten eines Koronarstents

Mit der Pikoliterdosierung lassen sich noch dreißigmal kleinere Tropfen dosieren (V = 30 pl), beispielsweise auf eine Glasfaser oder auf die Feindrähte eines Koronarstents.

Und wie groß ist Ihre Probe? – Die Oberflächenexperten bei DataPhysics Instruments beraten Sie gerne und konfigurieren für Sie das passende Messsystem.

 

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