DD290786A7 - Messzellenkonfiguration zur bestimmung des elektrokinetischen stroemungspotentials an plattenfoermigen oder aufstreichfaehigen substraten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Meszzellenkonfiguration zur Bestimmung des elektrokinetischen Stroemungspotentials an plattenfoermigen oder aufstreichfaehigen Substraten. Zur reproduzierbaren Bestimmung von Zetapotentialen an plattenfoermigen Substrat/Elektrolyt-Systemen wird eine Meszzellenkonfiguration vorgeschlagen, die im Gebrauch sicher, nach auszen abgeschlossen und leicht handhabbar ist. Die konzipierte Apparatur eignet sich bevorzugt zur Messung an plattenfoermigen Substraten, wobei die bekannten Nachteile anderer Meszzellen, wie die dort auftretenden Schnittstellen zwischen Probenkammer und Elektrodenteilen wegfallen. Mit der erstellten Meszapparatur besteht die Moeglichkeit Stroemungspotentiale sind besonders zur elektrokinetischen Charakterisierung der auftretenden Wechselwirkungen zwischen den im Offsetdruck auftretenden Grenzflaechen und den eingesetzten Feuchtmitteln geeignet. Die Meszapparatur kann zur Charakterisierung der Wechselwirkungen aller Vorgaenge eingesetzt werden, bei denen ebene Materialien mit fluiden Systemen kontaktiert werden.{Meszzellenkonfiguration; Stroemungspotential; Zetapotential; elektrokinetisch, reproduzierbar; Probenkammer; Grenzflaeche; Feuchtmittel; Substrat, plattenfoermig, aufstreichfaehig}

Description

den Anschraubvorgang der beiden Zellenhälften und deren Verschraubung mit dnn Elektrodenkammern Materialermüdungserscheinungen, die zur schnellen Zerstörung der Apparatur beitragen. Dadurch ist eine routinemäßige Nutzung des Meßgerätes erschwert oder gar unmöglich. Zusätzlich sind aufgrund der erforderlichen Verbindungsstellen zwischen Meßspalt und den Elektrodenkammern Turbulenzen im Fluidstrom nicht ausgeschlossen, wodurch die Forderung nach Laminarität der Flüssigkeitsströmung und Entwicklung eines gleichgewichts-parabolischen Strömungsprotils gestört ist. Da der Elektrolyt durch die Art die in dor DD PS 213513 beschriebenen Anordnung ohne Verwendung von Dichtstoffen trotz fester Verschraubung der beiden Zollhälften an der Probenrückselto entlangfließt, waren insbesondere bei Einsatz von polymerbeschichteten Metallsubstraten durch das Auftreten von „elektrischen Durchschlagen" keine reproduzierbaren Messungen erzielbar. Der Gebrauch von Bienenwachs erweist sich deshalb zur Abdichtung des Spaltes zwischen Frobenrückseite und Zeilenwand wie in van Wagenen, R.A.; Andrade, J. D.: Flat Plate Streaming Potential Investigations: Hydrodynamics and Electrokinetic Equivalency, J. of Colloid and Interface Science 76 (1980) 2,305-314 beschrieben noch wie vor als unumgänglich.

Zur Liquidierung oder Minimierung derartiger Fehlerquellen und zur Absicherung der Meßwerte ist es deshalb notwendig, eine im Gebrauch sichere, dicht nach außen abgeschlossene sowie leicht handhabbare Meßzellenkonfiguration zu erstellen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Meßzolienkonfiguration mit deren Hilfe die reproduzierbare Bestimmun g von Zetapotentialen an plattenförmigen Substrat/Elektrolyt-Systemen möglich ist, die im Gebrauch sicher, nach außen abgeschlossen und leicht handhabbar ist und die Nachteile bekannter Meßzellen, wie die dort auftretenden Schnittstellen zwischen Probenkammer und Elektrodenteilen ausschließt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine Meßzellenkonfiguration zu entwickeln, durch die eine reproduzierbare Ermittlung des Strömungs- und Zetapotentials an plattenförmigen Substraten routinemäßig realisiert worden kann. Dazu ist es notwendig, den Aufbau der Zelle so zu gestalten, daß die Apparatur durch Vermeidung von lösbaren Verbindungen zwischen Meßspalt und Elektrodenkammern gegen unerwünschten Flüssigkeitsaustritt abgesichert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die aus chemisch inertem Material bestehende Meßzelle aus einer Röhre besteht, die über zwei gegenüberliegende Öffnungen, mit zwei Elektrodenkammern unlösbar sowie nach außen hermetisch abgeschlossen, verbunden ist (Fig. 1). Zwei in der Röhre gleitbar gelagerte Kolben, in deren parallel zueinander stehenden Frontflächen sich jeweils ein Kanal definierter Tiefe und Breite zur Einbettung und Befestigung der plattenförmigen Proben (Probenkanal) befindet (Fig. 2), schließen die Öffnungen seitlich in der Weise im rechten Winkel ein, daß ein Spalt entsteht, dessen Geometrie einen hergestellten, stationären und laminaren Flüssigkeitsstrom (Poiseuille'sche Bedingung) zuläßt.

Nach van Wagenen, R. A.; Andrade, J. D.: Flat Plate Streaming Potential Investigations: Hydrodynamics and Elektrokinetic Equivalency, J. of Colloid and Interface Science /6 (1980) 2,305-314 ist für eine laminare Strömung zwischen zwei Platten, die die Entfernung 2 b (Spaltbreite) voneinander besitzen, die Mindestlänge U zur Ausbildung eines gleichgewichts-parabolischen Strömungsprofils durch den Ausdruck

L, = 0,026 b Re

mit Re als Reynold'scher Zahl gegeben.

Eine mechanische Fixierung der Spaltbreite wird durch eine Arretierung der Kolben, die auf der Rückseite mit Positioniereinrichtungen fest verbunden werden können, erreicht. An den Elektrodenkammern befinden sich Öffnungen für den in die Meßzelle einfließenden bzw. ausfließenden Elektrolyten

sowie zum Anschluß eines Flüssigkeitsdruckmessers. In den beiden Elektrodenkammern erfolgt durch das Elektrodenpaar die

Messung des bei der laminaren Durchströmung des Spaltes mit einem Elektrolyten entstehende Strömungspotential (Fig. 1). Üblicherweise werden zur Durchführung der elektrochemischen Messungen Kalomel-, Quecksilberoxyd-, Silberchlorid- oder Silbersulfatelektroden eingesetzt. Der Einsatz dieser Elektroden ist von der untersuchten Flüssigkeit abhängig, die den Spalt

durchströmt. Eine synchrone Messung des hydrostatischen Druckabfalls in der Meßzelle sowie des Strömungspotentialsgewährleistet die Nutzung eines Differential-Druck-Übertragers.

Ausführungsbeispiel

In der zeichnerischen Darstellung sind die Teile einer erfindungsgemäßen Strömungspotentialmeßzelle veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1: die Seitenansicht der Strömungspotentialmeßzelle Fig. 2: die Draufsicht auf den Kolben mit Arretierungsvorrichtung Fig. 3: die Seitenansicht des Kolbens mit Arretierungsvorrichtung Fig.4: Darstellung des Meßspaltes mit Kolben

Die Substrate (9) wurden mit Bienenwachs in den Probenkanälen (8) befestigt, in der Weise, daß mit den jeweiligen Kolbenfrontseiten eine ebene Fläche gebildet wird. Vor der Einführung der Kolben (4) in die Röhre (1) werden auf eine der beiden Kolbenfrontseiten (5) Abstandsplättchen (10) mit definierter Dicke aufgebracht, wobei die Substratoberfläche ausgespart ist und

somit die Meßspaltöffnung (11) realisiert Ist. Die Meßzelle wird anschließend über die Bohrungen (6) fest verschraubt. Bei der Instillation der Moßelektroden in die Elektrodenkammern (3) ist darauf zu achten, daß sich die entsprechenden Schliffdiaphragmon über bzw. unter den Meßspaltöffnungen (11) befinden. Anschließend erfolgt der Anschluß der Elektroden an das Spannungsmeßgerät.

Durch Öffnen eines Ventils wird die im Vorratsbehälter befindliche flüssige Phase durch den Strömungskanal (2) und die Meßspaltöffnung (11) geleitet. Hierbei sollte ein Höhenunterschied zwischen Vorratsbehälter und Meßzelle von ca. 0,8-1 m eingehalten werden, wobei sich der Vorratsbehälter über der Meßzelle befindet. Nach Einstellung des Druckgleichgewichtes wird mit dem Meßvorgang begonnen.

Claims (1)

1. Meßzellenkonfiguration zur Bestimmung des elektrokinetischen Strömungspotentials an plattenförmigen oder aufstreichfähigen Substraten aus elektrisch nicht leitenden, chemisch inertem Material, bestehend aus einer Röhre, die über zwei gegenüberliegende Öffnungen mit zwei Elektrodenkammern unlösbar sowie nach außen hermetisch abgeschlossen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die sich berührenden ebenen Frontflächen zweier Kolben (4), die in an sich bekannter Weise in der Röhre (1) gloitbar gelagert sind, jeweils symmetrisch von einem Kanal (f.) zur Einbettung und Befestigung des Substrats durchschnitten werden.

   Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung eignet sich zur Charakterisierung der Wechselwirkungen von Vorgängen, bei denen ebene Materialien mit fluiden Systemen kontaktiert werden. Zur Charakterisierung der Wechselwirkungen dient die beschriebene Meßzellenkonfiguration in der das Strömungspotential an plattenförmigen Substrat/Elektrolyt-Systemen bestimmt wird.

   Charakteristik des bekannten Standes der Technik

   Zur Charakterisierung der zwischen elektrisch nicht leitenden Feststoffoberfläche und einem Elektrolyten ausgehenden Wechselwirkungskräfte dienen Strömungspotentialmossungen. Bekanntlich besteht zwischen dem Strömungspotential Es und dem elektrokinetischen Potential ζ die Beziehung

   ^ζ e ^β νΔΡ

   die meistens als Helmholtz-Smoluchowskische Gleichung bezeichnet wird. Darin bedeuten η die Viskosität, ε die elektrische Permittivität und εβ dia spezifische elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit, die ein gegebenes Porensystem oder ein einziges Kapillarrohr durchfließt. Danach läßt sich das elektrokinetische Potential aus der Neigung der Geraden berechnen, die man beim Auftragen des Strömungspotentials gegenüber dem Druck erhält. Natürlich bezieht sich diese Gleichung auf stationäre Verhältnisse, d. h. der Konvektionsstrom der Doppelschicht muß gleich dem Strom sein, der durch die elektrische Leitfähigkeit der flüssigen Phase hervorgerufen wird.

   Der Vorteil der angewendeten Methode (Elektroosmose, Strömungspotential, Elektrophorese) liegt vorwiegend darin, daß bei verhältnismäßig niedrigem Aufwand der Einfluß verhältnismäßig geringer adsorbierter Substanzen auf die Substrateigenschaften erfaßt werden kann. So führt z. B. die Sorption von ca. 10~⁵mol/g eines Kationtensids an synthetischen Faserstoffen nach Flath, H.-J.; Saleh, N.: Zur Bedeutung des Zetapotentials von Faserstoffen für den Färbeprozeß, Acta Polymerika 31 (1980) 8,510-517 zu charakteristischen Änderungen der Hafteigenschaften. Die Messung des Strömungspotentials liefert Informationen über das Zetapotential und die Nettoladungsdichte an der hydrodynamischen Scherebene. Derartige elektrische Parameter können wichtige Faktoren sein, die z.B. auch bei der Bioverträglichkeit von Protheseneinrichtungen bei Einwirkung von Blut oder Gewebeflüssigkeiten von Wichtigkeit sind. Das Strömungs- und damit das Zetapotential sind nur dann unabhängig von der Strömungsgeometrie, wenn die Meßzellenkonfiguration so beschaffen ist, daß bestimmten hydrodynamischen Bedingungen entsprochen wird, d.h. der Fluidstrom muß stationär, inkompressibel, laminar und hergestellt sein. Die beiden letzten Bedingungen schränken gewöhnlich die Anwendbarkeit von Strömungspotentialmeßzellen auf lange Kapillarrohre oder poröse Pfropfen aus verdichteten Teilchen oder Fasern ein. Demzufolge läßt sich die untersuchte Oberfläche nicht ohne weiteres durch verschiedene andere quantitative Oberflächenverfahren untersuchen. In van Wagenen, R. A.; Andrade, J. D.: Flat Plate Streaming Potential Investigations: Hydrodynamics and Electrokinetic Equivalency, J. of Colloid and Interface Science 76 (1980) 2,305-314 und in der DD PS 213 513 wird vorgeschlagen, eine Strömungsmeßzellenkonfiguration anzuwenden, die auf einer Strömung eines Elektrolyten zwischen zwei flachen parallelen Platten, auf denen die Substrate aufgebracht wurden, beruht. Durch diese Anordnung erzielt man eine Vereinfachung der Subitratvorbereitung. Hauptvorteil ist jedoch die Möglichkeit, eine Vielzahl anderer quantitativer Oberflächenanalysoverfahren bei der Untersuchung der Substratoberflächen, z. B. Ellipsometrie, totale innere Roflexionsflureszens, ATR, Licht- und Elektronenmikroskopie, Röntgenfotoelektronenspektroskopie einzusetzen. In van Wagenen, R.A.; Andrade, J. D.: Flat Plate Streaming Potential Investigations: Hydrodynamics and Elektrokinetic Equivalency, J. of Colloid and Interface Science 76 (1980) 2,305-314 werden die hydrodynamischen Verhältnisse bei der Messung des Strömungspotentials in von Elektrolyten durchströmten Plattensystemen analysiert. Hierbei wurde gezeigt, daß bei Einhaltung bestimmter geometrischer Verhältnisse ein stationärer und laminarer Flüssigkeitsstrom in der Meßzelle hergestellt werden kann.

   In der DD PS 213513 werden zur Einstellung und Stabilisierung des Meßspaltes Schraubverbindungen verwendet. Damit ist die Realisierung einer flüssigkeitsdichten Meßanordnung nicht gewährleistet. Darüber hinaus muß der Meßspalt mit den beiden Elektrodenkammern verbunden werden, wobei die stabile Befestigung wiederum durch Anschrauben erfolgt. Diese Art der Zellenkonfiguration besitzt den Nachteil, daß durch die zwischen Meßzelle und Elektrodenkammern entstandenen Schnittflächen die Gefahr des Auftretens undichter Stellen besteht, was zu einer erheblichen Verfälschung des Meßergebnisses beiträgt. Bei mehrmaliger Verwendung dieser Meßzellenanordnung entstehen infolge der mechanischen Beanspruchung durch