DE202004012573U1

DE202004012573U1 - Computergesteuertes Einhand-Blasendrucktensiometer

Info

Publication number: DE202004012573U1
Application number: DE200420012573
Authority: DE
Original assignee: Kruess GmbH Wissenschaftliche Laborgeraete
Current assignee: Kruess GmbH Wissenschaftliche Laborgeraete
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2014-08-11

Abstract

Einhand-Blasendrucktensiometer zur Messung der dynamischen Oberflächenspannung von Flüssigkeiten nach der Methode des maximalen Blasendruckes, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Messung wahlweise am Gerät oder über einen PC erfolgen kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Einhand-Blasendrucktensiometer, welches zur dynamischen Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten, Bädern oder Lösungen eingesetzt werden kann, wie sie z.B. in Waschanlagen, Galvanikbädern, Entfettungsbädern oder anderen Anwendungen – insbesondere mit oberflächenaktiven Substanzen – eingesetzt werden kann.
Theoretischer Hintergrund/Problem
Da viele industrielle Prozesse bei sehr hohen Geschwindigkeiten ablaufen, sind die an diesen Prozessen beteiligten flüssigen Ober- und Grenzflächen weit von der Gleichgewichtseinstellung entfernt. Während eine Gleichgewichtseinstellung wenige Sekunden bis zu einigen Stunden in Anspruch nehmen kann, so werden bei vielen technischen Prozessen hingegen Oberflächen im Millisekundenbereich erzeugt oder zerstört. Die verwendeten oberflächenaktiven Substanzen können Millisekunden, Sekunden, Minuten oder – bei Makromolekülen – sogar Stunden benötigen, um ein Gleichgewicht bezüglich der Adsorption und Diffusion an der/zur Grenzfläche zu erreichen. Die technischen Anwendungen jedoch fallen häufig in den selben Zeitbereich der Oberflächenbildung / -zerstörung. Ink Jet-Printing findet im Zeitbereich– -der Mikro- und Millisekunden statt, Auftragen von Beschichtungen auf Substrate mittels Gießvorhang oder Rollentransfer im Bereich meist unter einer Sekunde. Viele Reinigungsanwendungen spielen sich ebenfalls im Zeitbereich unterhalb weniger Sekunden ab. Aus diesen Gründen ist zur Beschreibung und Optimierung solcher Prozesse die Oberflächenspannung in Abhängigkeit des Alters der Oberflächen – die sogenannte dynamische Oberflächenspannung – von wesentlich größerem Interesse als die Gleichgewichtsoberflächenspannung – die sogenannte Statische.
Die Oberflächenspannung nach ca. 0.5 bis zu 1 Sekunde ist der wichtigste Parameter, wenn es um die Benetzung von Textilien bei der Wäsche geht. Die Oberflächenspannung nach wenigen Millisekunden ist der Schlüsselparameter zur Optimierung von schnellen Beschichtungs- oder Druckprozessen.
Während der dynamischen Messung der Ober – oder Grenzflächenspannung wird die Form und/oder die Größe der Ober- oder Grenzfläche verändert; dieser Vorgang ist– im Gegensatz zu den sogenannten statischen Methoden – integraler Bestandteil jedes einzelnen Messvorgangs oder Messwerts. Die Rate der Oberflächenvergrößerung– das Oberflächenalter – und die dazugehörige Ober-/Grenzflächenspannung werden simultan bestimmt. Somit ergeben die Daten solcher Experimente immer eine Grafik der Oberflächenspannung gegen das Oberflächenalter oder einer entsprechenden Hilfsgröße.
Da die Zeitspanne, die ein Molekül benötigt, um innerhalb einer Mischung oder Lösung zur Grenzfläche zu diffundieren, von dessen Konzentration, Größe des Moleküls, der Ladung etc. abhängt, ist die Bedeckung der Oberfläche mit diesem Molekül umso geringer, je kleiner das Oberflächenalter ist. Als Folge steigt die Oberflächenspannung mit geringer werdendem Oberflächenalter an.
Die Methode des maximalen Blasendrucks
Gemäß der Laplace-Gleichung steigt die Druckdifferenz zwischen Innen- und Außenseite einer Gasblase mit fallendem Diameter der Blase, d.h. mit stärker werdender Krümmung der Blasenoberfläche. Wird eine Blase an der Spitze einer Kapillare in einer Flüssigkeit erzeugt, so verändert sich ihr Radius mit dem angelegten Druck. Geht man von einem flachen Meniskus aus, so erreicht der Druck ein Maximum bei Geometrie einer Halbkugelform (entspricht dem minimalen Radius •und der maximalen Krümmung der Oberfläche). Dieses Druckmaximum ist direkt proportional der Oberflächenspannung der Flüssigkeit.

σ_d = dynamische Oberflächenspannung
P_max = maximaler Druck in der Blase
P₀ = hydrostatischer Druck an der Kapillare durch die Eintauchtiefe

r = Radius der Halbkugel (entspricht dem Radius der Kapillaröffnung) Wird der komplette Druck/Zeitverlauf einer Blase aufgezeichnet, so kann aus der Zeitdifferenz zwischen t bei P₀ und t bei P_max das Alter der Oberfläche und aus der Druckdifferenz zwischen P₀ und P_max die dazugehörige dynamische Oberflächenspannung berechnet werden (siehe obige Formel und 1).
Wird der Volumenstrom des Gases durch die Kapillare erhöht, so wird das Oberflächenalter der Blasen jeweils erniedrigt. Die Zeit, die Molekülen zur Verfügung steht, zur Oberfläche zu diffundieren und dort zu adsorbieren, wird somit kleiner. Dies führt zu einer immer unvollständiger werdenden Bedeckung der gebildeten Oberfläche, je kürzer diese Zeiten sind. Als Konsequenz davon steigt die Oberflächenspannung mit kürzer werdendem Oberflächenalter an.
Die üblichen Oberflächenspannungen bis zu 100mN/m sind mit der Methode des maximalen Blasendrucks zugänglich. Die Spanne der zugänglichen Oberflächenalter beträgt etwa 5ms bis zu 60s.
Eine komplette Charakterisierung eines handelsüblichen Tensides ist 2 zu sehen. Wird die dynamische Oberflächenspannung in Abhängigkeit der Konzentration gemessen, so ist dies die vollständige, dreidimensionale Charakterisierung eines Tensides bezüglich der zeitlichen Leistungsfähigkeit.
Dieses Diagramm erlaubt es, die für die Anwendung angemessene Konzentration des Tensides zu wählen oder umgekehrt die Konzentration des Tensids in einer unbekannten Lösung zu ermitteln. Eine andere Möglichkeit besteht in dem Vergleich verschiedener Tensid-Typen bei gleicher Konzentration, um den für die Benetzung schnellsten Kandidaten ausfindig zu machen.
Ist z.B. bekannt, dass ein Festkörper mit einer Oberflächenspannung von 40mN/m innerhalb von 100ms vollständig benetzt werden soll, so ist in obigem Beispiel nur eine Lösung mit mindestens 1.75g/L des angegebenen Tensids in der Lage, dies zu bewerkstelligen.
Ist also der Zeitrahmen und die Applikation bekannt, so kann mit dieser Methode der korrekte Konzentrationsbereich und/oder die wirksamste Tensidmischung ausgewählt werden.
Je geringer die Steigung einer dynamischen Kurve und je tiefer sie in solchem Diagramm liegt, desto schneller ist ein Tensid. Ist die Molmasse vergleichbar, so ergibt sich bezüglich der Geschwindigkeit in der Regel eine Tendenz von anionisches Tensid > kationisches Tensid > nichtionisches Tensid (Daumenregel für klassische Tenside).
Am Markt gibt es einen Trend nach mobilen Messgeräten, die ebenso stationär im Labor mit der vollen Funktionalität und dem hohen wissenschaftlichen Anspruch von dort eingesetzten Geräten und Software eingesetzt werden können.
Die Ansprüche sollen daher ein Messgerät schützen, das zum einen portabel und handlich ist und zum anderen auch im Labor stationär mit den Vorzügen der PC-Steuerung sowie der Messdatenerfassung- und verarbeitung wissenschaftlich korrekt arbeitet.
Beschreibung/Ausführung der Erfindung
Ziel dieses Einhand-Blasendrucktensiometers ist es, dem Benutzer die Messung der Oberflächenspannung an beliebigen Orten, d. h. an Orten ohne Laborinfrastruktur– insbesondere ohne Netzanschluss, Laborstativ und stationär in einem Labor mit Laborinfrastruktur ermöglicht. Dies soll mobile Messungen in Produktionsbetrieben, an Waschanlagen, Waschbädern, Galvanikbädern, Produktionsgefäßen sowie den stationären Einsatz im Labor mit dem vollen Leistungsspektrum einer modernen PC-Messdatenertassung- und auswertesoftware gewährleisten.
Die Aufgabe der wahlweisen mobilen Messung bzw. stationären computergesteuerten Messung wird durch den Anspruch 1 gelöst.
Im Fall der mobilen Messung erfolgt die Bedienung des Messinstrumentes mit Hilfe der am Gerät befindlichen Tasten. Im Fall der computergesteuerten Messung erfolgt die Regelung des Messinstrumentes mit Hilfe der Tastatur des Computers, wobei zuvor eine Datenverbindung über die serielle Schnittstelle zwischen Computer und Messgerät hergestellt werden muss.
Die Aufgabe des Messgerätes mit einer modernen PC-Mess- und Auswertesoftware zu harmonieren, wird durch die Ansprüche 2 bis 7 gelöst.
Die computergestützte Steuerung erfolgt wahlweise auf Basis des Blasenalters (in Millisekunden) oder auf Basis der Blasenfrequenz (in Hertz). Die für die Messung erforderlichen Voreinstellungen am Meßgerät werden halbautomatisch vorgenommen, d.h. bestimmte Einstellungen wie der Meßbereich werden vom Benutzer per Hand getätigt. Die Meßskripte fordern den Benutzer zum entsprechenden Zeitpunkt auf, die erforderlichen Voreinstellungen vorzunehmen.
Die aufgenommenen Meßdaten werden sowohl in tabellarischer Form als auch als Grafik angezeigt. Die folgende Datenspalten sind vorhanden:

– Laufenden Nummer des Datensatzes
– Zeit in [ms] nach Start der Messung
– Blasenalter in [ms]
– Blasenfrequenz [Hz]
– Oberlächenspannung [mN/m]
– Temperatur [°C]

Claims

Einhand-Blasendrucktensiometer zur Messung der dynamischen Oberflächenspannung von Flüssigkeiten nach der Methode des maximalen Blasendruckes, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Messung wahlweise am Gerät oder über einen PC erfolgen kann.
Einhand-Blasendrucktensiometer nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Steuerung der Messung über einen PC wahlweise das Blasenalter (in Millisekunden) und die Blasenfrequenz (in Hertz) als Basis verwendet werden kann und dass die diesen beiden Messmodi zugrunde liegenden Meßmethoden in Form von Gerätesteuerungsskripten zur Verfügung gestellt werden.
Einhand-Blasendrucktensiometer nach Schutzanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gewünschte Meßbereich des Blasenalters oder der Blasenfrequenz durch den Benutzer vorgegeben werden kann.
Einhand-Blasendrucktensiometer nach Schutzanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die laufende Nummer des Datensatzes, die Zeit nach Start der Messung, das Blasenalter, die Blasenfrequenz, die Oberlächenspannung und die Temperatur als Datenwerte zum PC übermittelt werdene und in tabellarischer und graphischer Form angezeigt werden.
Einhand-Blasendrucktensiometer nach Schutzanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe von Skript-Dateien die Steuerung des Messgerätes an beliebige Anforderungen und Anwendungen angepaßt werden kann.
Einhand-Blasendrucktensiometer nach Schutzanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe von Skript-Dateien Messdaten in externe Programme wie z.B. Microsoft Word und Excel exportiert werden können.
Einhand-Blasendrucktensiometer nach Schutzanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Messdaten in Textform exportiert werden können, um diese von anderen Programmen einlesen zu können.