DE3542928A1

DE3542928A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des beruehrungswinkels eines auf einen horizontalen, festen oder fluessigen traeger aufgebrachten tropfens

Info

Publication number: DE3542928A1
Application number: DE19853542928
Authority: DE
Inventors: Dominique Le Plessis Robinson Ausserre; Catherine Allain Sceaux Dumoulin; Francis Antony Rondelez
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1984-12-04
Filing date: 1985-12-04
Publication date: 1986-06-26
Anticipated expiration: 2005-12-05
Also published as: FR2574180B1; DE3542928C2; FR2574180A1; US4688938A

Description

Verfahren und Vorrichtung" zur 3esti.nuio.Jng de's--Berührungswinkels eines auf einen horizontalen, festen oder flüssigen Träger aufgebrachten Tropfens

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Berührungswinkels, den ein Flüssigkeitstropfen mit einem horizontalen, festen oder flüssigen Träger bildet, auf dem dieser angeordnet ist, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Messung des Berührungswinkels wird üblicherweise verwendet, um die .Oberflächeneigenschaften von festen oder flüssigen Stoffen zu kennzeichnen. Es ist bekannt, daß der Wert des Berührungswinkels zwischen einem Flüssigkeitstropfen und dem festen oder flüssigen Träger, auf dem dieser Tropfen angeordnet ist, von den Kräften abhängt, die an der Grenzschicht zwischen Flüssigkeit und Festkörper oder Flüssigkeit und Flüssigkeit herrschen.

Diese Messungen werden nicht nur bei flüssigen Trägern angewandt, um die Grenzschichtspannung zwischen zwei Flüssigkeiten zu messen, sondern vor allem bei festen Trägern, um ihre Grenzschiehteigenschaften und somit ihre Benetzungsfähigkeiten zu messen.

Es ist bekannt, daß sich im Falle einer vollkommenen oder vollständigen Benetzung der Flüssigkeitstropfen auf dem Träger ausbreitet und der Berührungswinkel dann Null ist, während im Fall einer teilweisen Benetzung dieser Berührungswinkel dann zwischen 0 und 18O° liegt.

Wenn man beispielsweise e'irien ·'f lüsöi-gen Warsse-rtropf en nimmt, der von seinem Dampf umgeben und auf einem festen Träger angeordnet ist, so ist bekannt, daß der Berührungswinkel θ an der Grenzlinie der drei Phasen

5 oder Dreiphasenlinie ein einziger Wert für glatte, homogene und isotrope Oberflächen des Trägers ist. Sein Wert ist durch die Young'sche Gleichung verknüpft:

^SV -^TXL ^=YLV ^{COS θ}
10

Mit der freien Energie Ύ _v an der Grenzschicht festdampfförmig, der freien Energie Ύ „. an der Grenzschicht fest-flüssig und der Spannung Y . „ an der Grenzschicht flüssig-dampfförmig. Es wird darauf hingewiesen, daß Zisman den Schwerpunkt auf die Idee einer kritischen Oberflächenspannung ' „ für die Benetzung gelegt hat, welche ein Merkmal jeder festen Oberfläche ist. So sind Glas und Metalle Beispiele für Oberflächen erhöhter Energie, auf denen sich die meisten Flüssigkeiten unmittelbar ausbreiten, wobei der Winkel θ dam zu Null neigt. Im Gegensatz hierzu haben Kunststofffe, wie Tetrafluorethylen, typische Oberflächen geringer Energie, obgleich auf diese Oberflächen aufgebrachte Flüssigkeiten in der Form von Tröpfchen mit endlichen Berührungswinkeln bleiben, so lange Ύ _c unter T τ_v bleibt.

Die Messung von Berührungswinkeln wird nicht nur bei der Grundlagenforschung oder angewandten Forschung verwendet, sondern auch in der Industrie, um Routineuntersuchungen über den Oberflächenzustand gewisser Stoffe durchzuführen.

Diese Messungen sind für eine große Anzahl Unternehmen sehr unterschiedlicher Bereiche von Belang.

Davon betroffen sind Unternehmen, die Untersuchungen des Oberflächenzustandes an verschiedenen Werkstoffen durchführen, Unternehmen, die auf dem Gebiet dünner Kunststoff- und Polymerschichten bzw. -folien von Tensiden und Detergenzien, Textilien, Tinten bzw. Farben, Klebstoffen, zusammengesetzten Werkstoffen und speziellen Werkstoffen, wie beispielsweise Stoffe auf dem biomedizinischen Gebiet, Kontaktlinsen, Produkten für die Zähne usw., arbeiten. Ferner sind ebenso Unternehmen betroffen, die auf dem Gebiet des Aufbringens dünner Schichten arbeiten , um die Oberflächeneigenschaften eines gegebenen Werkstoffes zu ändern, wie beispielsweise das Aufbringen von Tetrafluorethylen in dünner Schicht auf Metalltrommeln, die beim Offsetdruck verwendet werden. Andere Industriegebiete sind ebenfalls betroffen, wie beispielsweise die Erdölindustrie.

Es gibt heutzutage eine gewisse Anzahl von experimentellen Verfahren, um den Berührungswinkel zu messen.

Die meisten dieser Verfahren beruhen auf der Beobachtung eines auf einem Träger angeordneten Tropfens, was den Vorteil hat, nur geringe Flüssigkeitsmengen und Trägeroberflächen von weniger als einigenQuadratmillimetern zu benötigen.

Bei den am häufigsten verwendeten Verfahren projiziert man das Bild des Tropfens als Silhouette und mißt punktweise den Winkel des Tropfens mit Hilfe eines Teleskops und eines Winkelmessers bzw. einer Prüflehre, was eine visuelle Abschätzung der Tangente voraussetzt. Die mit solchen Verfahren erhaltene Wiederholbarkeit ist klein und sicher unterhalb von - 2°, wenn man die erhaltenen Werte, sei es bei aufeinanderfolgenden Tropfen, sei es bei mehreren Projektionsansichten des gleichen Tropfens vergleicht.

^ Dieser Mangel der Wiederhel_bäri<e'it^wi;rd *nOcK„durch die örtliche Heterogenität und Rauhigkeit der verwandten, festen Träger erschwert. Da diese Schwierigkeit dem Träger selbst zueigen ist, ist diese stets vorhanden, wie groß auch die von dem Untersuchenden aufgewandte

Sorgfalt ist. Die einzige Möglichkeit, die Streuung der Ergebnisse zu verringern, besteht dann darin, ein Mittel einer großen Anzahl von Einzelmessungen zu bilden, was offensichtlich eine besonders ermüdende und empfindliche ₁q Aufgabe darstellt.

Bei einem anderen bekannten Verfahren erzeugt man Interferenzstreifen an einer Flüssigkeitsecke, die von dem Rand des Tropfens gebildet ist, und man leitet den Be-₁,-rührungswinkel von den Interferenzstreifen ab. Dieses Verfahren kann aber nur zur Bestimmung sehr kleiner Berührungswinkel angewandt werden.

Ferner ist ein anderes Meßverfahren bekannt, das darin besteht, eine sehr örtliche Auto-Kollimation von Licht am Rand des Tropfens mittels eines Lichtbündels durchzuführen ,dessen Einfallswinkel man in Bezug auf den Träger verändert. Man beobachtet die Intensität des von dem Tropfen reflektierten Bündels, um den Zustand festzustellen, bei dem sich die Auslöschung des Lichtbündels 25

ereignet. Die Lage des Winkels des einfallenden Bündels erlaubt, unmittelbar den Berührungswinkel des Tropfens mit dem Träger zu ermitteln. Der Nachteil bei diesem Verfahren besteht darin, daß es, wie die vorhergehenden

Verfahren, eine Messung an einem besonderen Abschnitt 30

des Tropfens verlangt, was hier auch zu einer schlechten Wiederholbarkeit der Messungen führt.

Das Verfahren, welches Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, erlaubt, die vorgenannten Nachteile zu 35

vermeiden, da der Berührungswinkel zwischen dem aufge-

ΛΑ

brachten oder aufsitzenden Tropfen*und" dem" Träger gleichzeitig über den gesamten Umfang des Tropfens bestimmt wird .

Die Bestimmung der Berührungswinkel läßt sich schnell und genau durchführen, wobei die Genauigkeit typischerweise bei 0,1° statt 1 bis 2° wie bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik liegt.

Das Verfahren erlaubt auch eine objektive Messung, da es keine visuelle Abschätzung einer Tangente an das Profil des Tropfens am Berührungspunkt verlangt, so daß die Messungen auch nicht zwischen Beobachtern variieren können .

Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt kein optisches Mikroskop wie bei den meisten bisherigen Verfahren; es ermöglicht eine unmittelbare visuelle Bestimmung von schlechtgeformten Tropfen, was mit einem bisherigen Verfahren unmöglich ist und zu einer fehlerhaften Messung führen würde.

Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt auch eine unmittelbare Prüfung der Homogenität des Trägers aufgrund der Form des Tropfens (Asymmetrie, Unregelmäßigkeit der Kontur) .

Ferner ermöglicht das Verfahren eine Automatisierung und eine fortwährende Messung, wobei darauf hingewiesen wird, daß diese Messung besonders einfach durchzuführen ist, wie es sich beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung ergibt.

Das Verfahren nach der Erfindung zum Bestimmen des Berührungswinkels eines Flüssigkeitstropfens, der auf einen horizontalen, festen oder flüssigen Träger aufge-

bracht ist, umfaßt im wesentlrcherrare·Schritte, die darin bestehen, daß:

a) auf einen Träger senkrecht ein paralleles Primärlichtbündel gerichtet wird, welches einen Bereich beleuchten kann, der die Grenzschicht zwischen dem Umfang des Tropfens und dem Träger umfaßt, wobei das Primärbündel mit dem Tropfen und dem Träger wechselwirkt, um wenigstens ein Sekundärbündel zu erzeugen;

b) die Ausdehnung des Beleuchtungsübergangs bzw. Beleuchtungsdurchgangs, den das Sekundärbündel aufweist, in Zuordnung zu dem Umfang des Tropfens auf wenigstens einer Empfangsoberfläche gemessen wird, die dieses Bündel an einer Stelle in Bezug auf den Träger und eine bekannte Geometrie schneidet,

was die Bestimmung des Berührungswinkels aufgrund der Messung sowie der von der Empfangsoberfläche erhaltenen Lage und Geometrie ermöglicht.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird das Sekundärbündel durch Wechselwirkung des Primärbündels mit dem Tropfen und dem Träger erhalten, wobei der Tropfen dann als ein konvexer Spiegel wirkt.

Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann das Primärbündel auf die Seite des Trägers, auf der der Tropfen angeordnet ist, oder auch auf die Seite des Trägers, die der Seite gegenüberliegt, auf der der Tropfen angeordnet ist, gerichtet werden, wobei das Substrat dann transparent ist.

In dem Fall, bei dem das Primärbündel auf die Seite des Trägers gerichtet ist, auf der der Tropfen angeordnet ist, kann das Sekundärbündel gemäß drei unterschiedlichen

Arten erzeugt werden, welche von dem Bereich der Berührungswinkel und der Art des Trägers abhängen.

Bei einer ersten Form wird das Sekundärbündel durch einfache Reflexion des Primärbündels auf der konvexen Oberfläche des Tropfens erzeugt, wobei die Art des Trägers dann unerheblich ist, was ermöglicht, Berührungswinkel zwischen 0°und 45° zu bestimmen.

Bei einer zweiten Form wird das Sekundärbündel durch Reflexion des Primärbündels auf der konvexen Oberfläche des Tropfens erzeugt, gefolgt von einem Durchgang durch den Träger, wobei letzterer durchscheinend ist, was ermöglicht, Berührungswinkel· zwischen 45°und 90° zu bestimmen.

Bei einer dritten Form wird das Sekundärbündel· durch Refiexion des Primärbündeis auf der konvexen überwache des Tropfens erzeugt, gefolgt von einer Reflexion auf dem Träger, wobei letzterer als ein Planspiegel· wirkt, was ermöglicht, Berührungswinkel zwischen 45°und 90° zu bestimmen.

Bei der ersten Ausführungsform und dem Fall·, daß der Träger durchscheinend ist und das Primärbündel auf die Seite des Trägers gerichtet wird, die derjenigen gegenüberliegt, auf der der Tropfen angeordnet ist, kann man Berührungswinkel zwischen 90°und 18O° bestimmen.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird das Sekundärbündel durch Wechselwirkung des Primärbündels mit dem Tropfen und dem Träger erzeugt, wobei der Tropfen wie eine plankonvexe Linse wirkt und der Träger durchscheinend ist, was die Bestimmung von Winkeln zwisehen 0° und 90° ermöglicht.

Die zur Durchführung des eri incrungs*geMäßen "Verfahrens verwandte Empfangsoberfläche kann insbesondere eine ebene Fläche sein, die parallel zu dem Träger angeordnet ist, eine allgemein zylindrische Oberfläche, deren Achse senkrecht zu dem Träger ausgerichtet ist und durch die Mitte des Tropfens hindurchgeht, oder auch eine Oberfläche in der Form einer halbkugelförmigen Kalotte, die über dem Tropfen zentriert ist und deren Äquatorlinie horizontal angeordnet ist. Die Verwendung einer Empfangsoberfläche in der Form einer halbkugelförmigen Kalotte ist besonders vorteilhaft, da sie ein unmittelbares Ablesen des Berührungswinkels erlaubt, wenn diese halbkugelförmige Kalotte mit einer geeigneten Winkelgradeinteilung versehen ist.

Die Empfangsoberflache kann auch Teil einer automatischen Erfassungsvorrichtung sein, beispielsweise einer mit einem Rechner gekoppelten Videokamera, oder auch eine opto-elektronische Erfassungsvorrichtung von der Art eines Fotowiderstandes, und wenn möglich mit einer stark nichtlinearen Kennlinie.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei diese Vorrichtung im wesentlichen umfaßt eine Stütze, die zum horizontalen Halten eines Trägers geeignet ist, eine Lichtquelle, Mittel, um ausgehend von der Quelle ein Primärbündel parallelen Lichtes zu bilden, Mittel, um dieses Bündel senkrecht auf den Träger zu richten und wenigstens eine Empfangsoberfläche in einer Lage in Bezug auf den bekannten Träger und eine bekannte Geometrie,um das Sekundärbündel zu schneiden, welches durch Wechselwirkung des Primärbündels mit dem Tropfen und dem Träger erzeugt wird.

Die bei der Vorrichtung verwandten Mittel, um das Primärbündel senkrecht auf den Träger zu richten, umfassen vorteilhafter Weise Orientierungsmittel, um das Primärbündel entweder in Richtung zu der Seite des Trägers, auf der der Tropfen angeordnet ist, oder im Gegensatz zu der entgegengesetzten Richtung zu richten.

Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der ins einzelne gehenden, folgenden Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematisehe Darstellung einer

Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Berührungswinkels eines auf einem Träger angeordneten Flüssigkeits

tropfens ,

Fig. 2 eine Einzelheit der Fig.1, die besonders die Anordnung des Primärbündels und der Sekundärbündel zeigt, die von dem

Flüssigkeitstropfen reflektiert und gebrochen werden.

Fig.3 bis 6 der Fig.2 entsprechende Figuren, die die Anordnung des Primärbündels und des

Sekundärbündels bei verschiedenen Arten und Abwandlungen zur Durchführung des Verfahrens darstellen,

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Meßvorrichtung

nach der Erfindung,

©AD ORIGiMAL

Fig. 8

eine Schnit-tdar-stel-iuirg- längs-*der Linie VIII-VIII in Fig.7,

Fig. 9

ein "Brechungsbild", welches mit einer Vorrichtung nach der Erfindung auf einer ebenen Empfangsoberflache von der Art einer fotografischen Platte erhalten wird,

Fig. 10

ein "Brechungsbild", welches bei den gleichen Bedingungen wie das "Bild" der Fig.9 erhalten wird, wobei die Nadel zum Aufbringen des Tropfens bei dem Meßvorgang in ihrer Lage verbleibt,

Fig. 11

eine Kurve, die die Änderung des Kosinus des Berührungswinkels θ als Funktion der Grenzschichtsspannung Flüssigkeit-Dampf für eine Reihe von n-Alkanen bei Umgebungstemperatur aufgrund einer Meßreihe zeigt, die nach der Erfindung auf einem Träger aus Polytetrafluoroethylen durchgeführt wurde, und

Fig. 12 eine Kurve, die unter den gleichen Bedingungen wie die Kurve der Fig.11 erhalten wurde, wobei jedoch als Träger eine Platte aus Borsilikatglas verwendet wurde, die mit einer Monoschicht aus Hexadecanol bedeckt war. 30

In Fig.1 ist ein fester, horizontaler Träger dargestellt, der hier aus einer Glasplatte 10 gebildet ist, die beispielsweise ein Mikroskopplättchen sein kann. Auf der oberen Seite der Platte 10 ist ein Flussigkeitstropfen 12 aufgebracht, der mit dem Träger einen Berührungs-

winkel θ bildet (siehe Fig.2). Wi'e" es" Fig. 1 zeigt, sendet eine Lichtquelle 14, beispielsweise eine, die einen Laserstrahl aussenden kann, eir. Lichtbündel parallel und horizontal aus, -Jessen Durchmesser mittels zweier Linsen 18 und 20, die in afokaler Konfiguration angeordnet sind, geweitet ist. Der Durchmesser des Bündels 16 wird somit vergrößert, um ein Bündel 18 zu bilden, welches auf einer, unter einem Winkel von 45° in Bezug zur Horizontalen angeordneten Spiegel 20 gerichtet ist, derart, daß ein Primärbündel 22 von parallelem Licht in Richtung zu dem Träger 10 ausgesandt wird. Dieses Lichtbündel muß einen solchen Durchmesser und eine solche Ausrichtung haben, daß es einen Bereich erleuchten kann, der die Grenzschicht zwischen dem Umfang des Tropfens und dem Träger umfaßt. Praktisch gesehen richtet man sich so ein, daß das Bündel 22 senkrecht auf und zu dem Tropfen zentriert gerichtet wird, wobei es dabei einen größeren Durchmesser als der Durchmesser D , des Tropfens aufweist.

Beispielsweise kann die Quelle 14 eine Helium-Neon-Laser-Quelle mit einer Wellenlänge von 632,8 nm sein, die ein Laserbündel mit einem Durchmesser von 1,5 mm aussenden kann. Dieses Bündel kann derart geweitet werden, daß es beispielsweise einen Durchmesser von 1 cm aufweist, d.h. einen Durchmesser, der ausreicht, um einen Tropfen vollständig zu umfassen, bei dem man den Berührungswinkel mit einem Träger messen möchte.

Während dieses weiter unten unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 8 beschrieben wird, ist es auch vorteilhaft, Mittel vorzusehen, damit das Primärbündel 22 zu dem Träger gerichtet werden kann, aber auf dessen Seite, die der den Tropfen tragenden,gegenüberliegt. Auf diese Weise stellt man eine Beleuchtung des Tropfens von unten

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dar, wie dies noch gezeigt wird

Das Primärbündel 22 wechselwirkt mit dem Tropfen 12 und dem Substrat 10, um wenigstens ein Sekundärbündel zu erzeugen.

Tatsächlich wirkt die Oberfläche des Tropfens wie ein konvexer Spiegel, der ein Sekundärbündel 2m reflektiert, welches von einer. Lichtkonus gebildet wird, dessen Öffnungswinkel gleich *4 θ ist, wobei der Berührungswinkel am Umfang des Tropfens als" konstant angenommen wird (siehe Fig.2). Das reflektierte Bild wird auf einer Empfangsoberfläche aufgefangen, die von bekannter Geometrie und in einer in Bezug auf den Träger bekannten Lage angeordnet ist. Dies ermöglicht das Ausmaß des Beleuchtungsüberganges, welcher das Sekundärbündel 24 darstellt , in Entsprechung zu dem Umfang des Tropfens 12 zu messen.

Wie die Fig.1 zeigt, wird das Bild auf einer Empfangsoberfläche 26 aufgefangen, die von einem horizontal und in einem Abstand h von dem Träger angeordneten Schirm gebildet wird. Man erhält somit auf dem Schirm einen allgemein kreisförmigen Leuchtfleck, der einen Durchmesser D aufweist. Man kann ohne weiteres zeigen, daß der Durchmesser D mit θ durch die Beziehung verknüpft ist.

D - D

tg 2 θ --

2h

Man kann somit, da der Wert h bekannt ist und nach dem Messen der Werte D, und D den gesuchten Wert θ erhalten

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Als Abwandlung ist es möglich, das Sekundärbündel 24 auf eine" allgemein zylindrischen Oberfläche 28 aufzufangen, deren Achse senkrecht zu dem Träger verläuft und durch die Mitte des Tropfens hindurchgeht.

Bei einer anderen Abänderung, die weiter unten beschrieben wird, kann die Empfangsoberfläche von einer halbkugelförmigen Kalotte gebildet werden, deren Mitte mit der Mitte des Tropfens zusammenfällt. 10

Das Sekundärbündel 24 wird durch einfache Reflexion des Primärbündels 22 an der konvexen Oberfläche des Tropfens erzeugt, welche wie ein Spiegel wirkt, wobei dann die Art des Trägers ohne Belang ist. Dies ermöglicht Berührungswinkel zwischen 0° und 45° zu bestimmen.

Abgesehen von der Tatsache, daß der Tropfen 12 einen Spiegel bildet, kann er ebenfalls als plan-konvexe Linse wirken, wenn der Träger 10 im Hinblick auf das Bündel 22 transparent ist. In diesem letzteren Fall kann man ein gebrochenes Bündel 30 erzeugen, welches auf einer Empfangsoberflache 32 aufgefangen wird, die beispielsweise von einer fotografischen Platte gebildet wird, die horizontal und mit einem Abstand h' in Bezug auf die Seite des Trägers 10 angeordnet ist, auf der der Tropfen aufgebracht ist. Es wird darauf hingewiesen, daß die Oberfläche 32 unterhalb des Trägers 10 angeordnet sein muß und daß man ebenfalls auf dieser Oberfläche 32 einen allgemein kreisförmigen Fleck mit einem Außendurchmesser D' beobachtet (siehe Fig.1).

Wenn der Brechungsindex η der den Tropfen bildenden Flüssigkeit bekannt ist, ist D¹ mit dem Wert h¹ und dem Berührungswinkel Θ durch die folgenden Beziehungen verknüpft:

_BA0

tg θ = ^{sin θ}"

(n²-sin²9") ¹

D' + D , tg θ" -- -

2h

wobei θ" der Brechungswinkel am höchsten Punkt des Tropfens ist (siehe Fig.2). Das Sekundärbündel 30 kann jQ ebenfalls auf der zylindrischen Oberfläche 28 oder auf einer Empfangsoberfläche von der Art einer Kugelkalotte aufgefangen werden.

Bei der vorgenannten Abänderung der Ausführung, bei ,g der man ein von dem Tropfen gebrochenes Sekundärbündel 30 verwendet, kann man Berührungswinkel zwischen und 90° bestimmen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig.3 wird das Primärbündel 22 ebenfalls auf die Seite des Trägers 10 gerichtet, auf die der Tropfen aufgebracht ist. Das Sekundärbündel 34 wird durch eine Reflexion des Primärbündels 22 an der konvexen Oberfläche des Tropfens gebildet, eine Reflexion, die von einem Durchgang durch den Träne &^er 10 gefolgt wird, der transparent ist. Dies erlaubt Berührungswinkel zwischen 45° und 90° zu bestimmen. Bei diesem Fall muß die Empfangsoberfläche 32 offensichtlich in dem Bereich angeordnet werden, der sich unter dem Träger 10 befindet.

Man kann zeigen, daß der Wert θ aus der Beziehung tg 2 θ = - ( -) abgeleitet werden kann, woraus in-

ΤΊ Η

folgedessen 2 θ -X- arctg (—irr) folgt.In dieser Beziehung bezeichnet D den Durchmesser des Bildes auf der Empfangsoberfläche, d den Durchmesser des Tropfens und h den Abstand zwischen dem Träger und der Empfangsoberfläche .

Bei der Ausführungsform gemäß Fig.4 wird das Primärbündel 22 ebenfalls auf die Seite des Trägers 10 gerichtet, auf der der Tropfen aufgebracht ist. Das Sekundärbündel 36 wird hier durch eine Reflexion des Primärbündels auf der konvexen Oberfläche des Tropfens erzeugt, gefolgt von einer weiteren Reflexion an den Träger 10, wobei letzterer wie ein Planspiegel wirkt, was ermöglicht, Berührungswinkel zwischen «5° und 90° zu bestimmen, bei dieser Ausführungsform muß die Empfangsoberfläche 26 in dem oberen Raumbereich in Bezug auf den Träger 10 angeordnet werden.

Der Wert θ folgt aus der Beziehung 2 θ = X -arctg (-οΐ—), wobei D, d und h wie vorhergehend definiert sind.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig.5 ist der Träger 10 transparent und das Primärbündel wird auf die Seite des Trägers gerichtet, die derjenigen gegenüberliegt, auf der der Tropfen angeordnet ist. Bei diesem Fall der Fig.5, wo der Berührungswinkel θ zwischen 90° und 135° liegt, wird das Sekundärbündel 38 in den oberen Raumbereich in Bezug auf den Träger 10 reflektiert. Es ist daher zweckmäßig , eine Empfangsoberfläche 26 in diesem Raumbereich anzuordnen. Der Wert θ wird aus der Beziehung 2 β = Tf + arctg (—ir^ abgeleitet, wobei D, d und h wie vorhergehend definiert sind.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig.6, die derjenigen der Fig.5 sehr ähnlich ist, da der Träger transparent ist und das Primärbündel auf die Seite des Trägers gerichtet wird, die derjenigen gegenüberliegt, auf die der Tropfen aufgebracht ist, mißt man Berührungswinkel zwischen 135° und 18O°. Jedenfalls wird bei diesem besonderen Fall das Sekundärbündel 40 in den unteren Raumbereich in Bezug auf den Träger 10 reflektiert. Es

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ist deshalb zweckmäßig, in diesem""unt^vereri"Be"reicfi" e"ine Empfangsoberfläche 32 anzuordnen. Der Wert θ wird in diesem Fall aus der Beziehung 2 0 = 2 χ - arctg ( ) erhalten, wobei D, d und h in der vorhergehenden Weise definiert sind. Wenn man somit den Aufbau gemäß Fig.5 oder Fig.6 verwendet,kann man Berührungswinkel zwischen 90° und 18O° bestimmen.

Die vorhergehend angegebenen Beziehungen, die die Werte θ ergeben, sind in Bezug auf ebene Empfangsoberflächen von der Art eines Schirmes erstellt worden. Jedenfalls können bei den verschiedenen Ausführungsformen die unter Bezugnahme auf die Fig.3 bis 6 beschrieben worden sind, die Empfangsoberflächen in der gleichen Weise wie weiter oben unter Bezugnahme auf die Fig.1 und 2 angegeben, ausgebildet werden.

Es wird nun auf die Fig. 7 und 8 Bezug genommen, um eine Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zu beschreiben.

Diese Vorrichtung umfaßt ein Gestell 42, welches mittels fest mit dem Gestell (nicht dargestellt) verbundener Einstellfüße horizontal anzuordnen ist. Dieses Gestell 42 wird von 2 parallelen Seiten 44 und 46 begrenzt, die sich in zwei nichtparallele Seiten 48 und 50 fortsetzen, um einen sich verjüngenden Abschnitt (siehe Fig.7) zu bilden. Dieses Gestell 42 bildet somit einen Tisch großer Dicke dar, in dem eine Öffnung 52 allgemein kreisförmiger Form in dem Bereich zwischen den Seiten 44 und 46 und ein offener Längsschlitz 54 in dem Bereich zwischen den zwei Seiten 48 und 50 (siehe Fig.7) ausgebildet ist. Im Inneren der Öffnung 52 ist eine Stütze oder Probenträger 56 angeordnet, der höhenmäßig einstellbar ist und dazu dient, einen Träger 10 aufzunehmen, auf dessen oberer Seite ein Flüssigkeitstropfen 12 aufzubringen ist. Um diesen Flüs-

sigkeitstropfen 12 aufzubringen, verwendet man eine Mikrospritze 58, die an dem Gestell 42 fest angebracht ist und die mittels einer flexiblen Leitung 6ü mit einem Ende einer Hohlnadel 62 verbunden ist, deren anderes Ende 6^Ü umgebogen ist, um den Tropfen 12 auf den Träger 10 aufzubringen. Die Nadel 62 ist um eine horizontale Achse 66 verschwenkbar angebracht und in ihrer Lage mittels einer Düsennadel 68 einstellbar, die auf die vertikale Verschiebung eines Anschlages 70 wirkt, der mit der Nadel 62 in der Nähr ihres mit der Leitung 60 verbundenen Endes zusammenwirkt. Die Horizontaleinstellung des Gestells 42 kann mittels einer Wasserwaage 72 erhalten werden, die in einer Ausnehmung der oberen Seite des Gestells 42 angeordnet ist.

Im Inneren des Schlitzes 54 ist eine Quelle 7 4, wie eine Helium-Neon-Laser-Quelle angeordnet, die ein horizontal gerichtetes Bündel 76 aussenden kann. Der Durchmesser des Bündels 76 wird mittels eines Bündelerweiterers 78 vergrößert, der aus zwei Linsen 80 und 82 in afokaler Konfiguration besteht. Auf diese Weise erzeugt man ein Bündel 84 parallelen Lichtes. Dieses Bündel 84 kann dank einer optischen Einrichtung, die insgesamt durch das Bezugszeichen 86 gezeichnet ist, in zwei unterschiedliehe Richtungen abgelenkt werden. Diese optische Einrichtung umfaßt ein vertikales Rohr 88 mit quadratischem Querschnitt, welches in seinem mittleren Bereich mit einer öffnung 90 versehen ist, um das Einführen des Primärbündels 84 zu erlauben. Das Rohr 88 ist an seinem oberen Abschnitt mit einem horizontalen Rohr 92 und an seinem unteren Abschnitt mit einem horizontalen Rohr 94 verbunden, die beide einen quadratischen Querschnitt aufweisen. Die Verbindung zwischen dem Rohr 88 und dem Rohr 92 und zwischen dem Rohr 88 und dem Rohr 94 erfolgt jeweils mittels einer unter 45° angeordneten, geneigten Platte 96 bzw. 98. Das Rohr 92 begrenzt eine

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horizontale Öffnung 100, die oberhalb und irr Ausrichtung zu dem Bereich des Trägers angeordnet ist, der den Tropfen aufnehmen soll . In gleicher Weise begrenzt das Rohr 94 eine horizontale Öffnung 102, die ebenfalls in Ausrichtung und in Gegenüberlage zu den", vorgenannten Bereich angeordnet ist. Den Öffnungen 100 und 102 benachbart, sind die Rohre 92 und 94 von unter einem Winkel von 45° angeordneter,, geneigten Platten 10*1 und 106 begrenzt. Im Inneren des vertikalen Rohres 88 ist der Öffnung 90 ge-

!0 genüberliegend ein Prisma (oder ein Spiegel) 108 angeordnet, der um eine horizontale Achse 110 mittels einer Handhabe 112 derart ausrichtbar ist, daß ein Bündel 11*4 ausgesa-ndt wird, welches entweder nach oben oder nach unten gerichtet werden kann. Im Falle der Fig.8 ist das

j_g Bündel 114 nach oben gerichtet dargestellt. Das Bündel 114 wird um 90° von einem Prisma 1 16 umgelenkt, welches an der Schnittstelle der Rohre 88 und 92 derart angeordnet ist, daß ein horizontales Bündel 118 ausgesandt wird, dessen Richtung von einem weiteren Prisma 120 umgelenkt wird. Dieses Prisma 120 ist im Inneren des Rohres 92 und der Öffnung 100 gegenüberliegend derart angeordnet, daß ein Primärbündel 122 parallelen Lichtes ausgesandt wird, welches vertikal und in Richtung des Tropfens 12 und des Trägers 10 gelenkt wird. Die Vertikaleinstellung des Bündels 122 wird durch Schrauben 123 oder entsprechende Mittel erhalten, die durch die geneigte Platte 104 hindurchgehen und auf die Halterung des Prismas 120 wirken, um dessen Ausrichtung zu ändern.

oQ Selbstverständlich sind zwei andere Prismen, die den Prismen 116 und 120 entsprechen, an der Schnittstelle des Rohres 88 und des Rohres 94 bzw. im Inneren des Rohres 94 der Öffnung 102 gegenüberliegend angeordnet.

qt- Am Ausgang des Prismas 120 gelangt das Primärbündel 122 gegebenenfalls durch eine Blende 125 hindurch, bevor es

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auf den Tropfen und den Träger gerichtet wird.

Der Träger 10 kann eine Platte, beispielsweise eine Glasplatte sein, die eine ebene und polierte Oberfläche aufweist, um den Flüssigkeitstropfen aufzunehmen. Er kann auch feste Träger, wie eine Folie, oder ein flüssiger Träger wie eine mit der den Tropfen bildenden Flüssigkeit nichtmischbaren Flüssigkeitsschicht sein. Bei der folgenden, ins einzelne gehende Beschreibung,wird angenommen, daß der Träger eine Glasplatte ist.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig.8 wird das Primärbündel 122 von der konvexen Oberfläche des Tropfens 12 reflektiert, der wie ein Spiegel wirkt, um ein Sekundärbündel 124 zurückzuschicken, welches von einer Empfangsoberfläche aufgefangen wird.

Eine erste Empfangsoberfläche 126 in der Form einer zu dem Tropfen 12 zentrierten, halbkugelförmigen Kalotte ist oberhalb des Trägers 42 derart angeordnet, daß ihre Äquatorlinie horizontal verläuft und auf dem Gestell 42 ruht. Die Lage des Trägers wird derart eingestellt, daß sich seine obere Seite in der Äquatorebene der halbkugelförmigen Kalotte befindet.

Eine zweite Empfangsoberfläche 128, ebenfalls in der Form einer zu dem Tropfen zentrierten, halbkugelförmigen Kalotte, ist derart angeordnet, daß ihre Äquatorlinie horizontal verläuft und sich auf der unteren Seite des Gestells 42 abstützt. Die Empfangsoberfläche 126 in der Form einer Kugelkalotte weist einen größeren Durchmesser als derjenige der Empfangsoberfläche 128 auf und diese ganzen beiden Oberflächen sind aus einem streuenden Material hergestellt und vorteilhafterweise mit Gradeinteilungen versehen, die ermöglichen, unmittelbar die Winkelöffnung des Sekundärbündels oder der Sekundärbündel zu erhalten.

Die Oberfläche 126 ist abdichtend mittels eines Dichtungsringes 130 mit dem Gestell 42 verbunden und kann von dem Gestell mit Hilfe von Griffen 132 entfernt werden.

Die Empfangsoberflache 128 ist ebenfalls abdichtend mittels eines Dichtungsringes 134 mit dem Gestell verbunden. Die Oberfläche 128 ist normalerweise dazu bestimmt, in ihrer Lage an dem Gestell zu verbleiben, kann jedoch, wenn erforderlich, entfernt werden.

Diese beiden Empfangsoberflächen 126 und 128 begrenzen somit um den Tropfen 112 herum einen dichten Raum, der ermöglicht, daß der Flüssigkeitstropfen im Gleichgewicht mit seinem Dampf bleibt. Deshalb ist ein Behälter 138 zur Aufnahme eines Lösungsmittels zur Sättigung der Atmosphäre im Inneren des Raumes in Richtung der Dicke des Gestells 42 und in dem Ringbereich vorgesehen, der von der Öffnung 52 und dem Umfangsrand der Empfangsoberfläche 126 umfaßt wird. Der Behälter 138 kann mittels einer Entleerungsöffnung geleert werden,die von einem entfernbaren Stopfen 140 verschlossen ist.

Wenn erforderlich, kann die Vorrichtung Heizmittel umfassen, um die Flüssigkeit des Tropfens auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur zu bringen. Solche Heizmittel sind bereits bekannt und werden bei anderen Meßeinrichtungen für den Berührungswinkel verwendet.

Bei einer nichtdargestellten, abgewandelten Ausführungsform kann die optische Vorrichtung 86 von einem einfachen, abgewinkelten Arm gebildet sein, der von dem oberen Abschnitt des Rohres 88 und dem Rohr 92 gebildet wird, welches um eine horizontale Achse in der Verlängerung der Richtung des Bündels 76 und des Bündels 84 verschwenkbar befestigt ist. Diese Vorrichtung kann dann in zwei

unterschiedliche Lagen gebracht werden, d.h. eine Lage oberhalb des Gestells und eine Lage unterhalb des Gestells .

Es wird auch darauf hingewiesen, daß die Vorrichtung
gemäß den Fig.7 und 8 mit unterschiedlichen Empfangsoberflächen ausgerüstet werden könnte, insbesondere mit Empfangsoberflächen in der Art eines ebenen Schirmes
oder eines zylindrischen Schirmes, wie es vorhergehend unter Bezugnahme auf die Fig.1 beschrieben worden ist. Die Empfangsoberflächen könnten auch Teil einer automatischen Erfassungsvorrichtung sein, wie dies vorhergehend angegeben wurde.

Die in den Fig.9 und 10 dargestellten Bilder sind zwei Beispiele gebrochener Bilder, die mit einer Vorrichtung
gemäß der Fig.8 erhalten wurden, wobei jedoch ein ebener Schirm von der Art einer fotographischen Platte entsprechend dem Schirm 32 der Fig.1 verwendet wurde, d.h. unterhalb des Trägers und parallel zu diesem angeordnet.

Die Fig.9 entspricht dem Fall, bei dem die Nadel 62 entfernt worden ist und der Tropfen 12 die Form einer nichtgestörten Kugelkalotte aufweist. Wenn man dieses Bild, ausgehend von seiner Mitte betrachtet, kann man unterscheiden :

einen dunklen Kreis 142, der dem projizierten Schatten des Tropfens entspricht, der ein Bild im Maßstab
des Tropfens gibt;

einen leuchtenden Kreis 144, der dem Auftreffen des Laserlicht-Primärbündels auf der fotografischen Platte entspricht. Man stellt fest, daß bei diesem besonderen Fall der Durchmesser des Bündels ungefähr dreimal derjenige des Tropfens ist, was von dem Durchmesser der ein-

z8

ι stellbaren Blende 125 abhängt; - - -'.■- '..'..'

ein Quadrat 1*16, welches die Ränder eines Neutralfilters begrenzt, das eine Überbelichtung des Films c durch das unmittelbar übertragene Laserbündel vermeidet;

ein gebrochenes und ausgeweitetes "Bild" 148 des aufsitzenden Tropfens. Dieses Bild ermöglicht, unmittelbar

,Q den Außendurchmesser D' zu messen, um den Winkel Θ" und somit den Berührungswinkel θ zu berechnen (siehe Fig.1 und 2). Die Beugungsringe, die man beobachten kann, stammen.von einer Beugung durch die Ränder des Tropfens und sind unabhängig von dem wirklichen Berührungswin-

-,. kel auf der Höhe der Dreiphasenlinie. Diese Ringe dürfen nicht mit Interferenzringen verwechselt werden, die aufgrund der Kombination zweier Reflexionen an der Grenzfläche fest-flüssig bzw. flüssig-dampfförmig entstehen. Sie können leicht unterdrückt werden, indem man paralle-

_o_ les, weißes Licht verwendet, was etwas die Genauigkeit der Bestimmung von D' verbessert. Die Verwendung einer weißen Lichtquelle macht auf alle Fälle ein Wärmefilter erforderlich.

Die Fig.10 entspricht dem Fall, bei dem die Nadel 62 den aufsitzenden Tropfen berührt. Die Berührung der Nadelspitze mit dem Tropfen verursacht eine Verformung der Form der Kugelkalotte des Tropfens. Tatsächlich benetzt die Flüssigkeit das die Nadel bildende Material

(nichtrostender Stahl) und der Berührungswinkel mit der 30

Nadel ist praktisch gesehen Null. Andererseits wird die Form des Tropfens in dem Berührungsbereich mit dem festen Träger durch die Energieen der drei Grenzschichten bestimmt und nicht durch die Form der Grenzschicht flüssigdampfförmig auf der Höhe der Dreiphasenlinie. 35

Es ergibt sich somit, daß der Flüssigkeitsbereich in der Nähe der Berührungslinie mit dem festen Körper durch die von der Nadelspitze hervorgerufene Oberflächenverformung unbeeinträchtigt bleibt. Das Endergebnis besteht daher darin, daß man die Messung mit sich in ihrer Lage befindenden Nadel durchführen kann. Auf alle Fälle wird daraufhingewiesen, daß sich bei dieser Geometrie der Einfallswinkel zwischen dem Primärbündel, welches vertikal verläuft und der Normalen, an der GrenzschichtLuft-Flüssigkeit kontinuierlich mit der Lage des Bündeis verändert. Er geht von dem wahren Wert θ des Berührungswinkels auf der Dreiphasenlinie aus. Er nimmt dann zu einem von Null verschiedenen Wert am Umkehrpunkt ab, dessen Lage von der Größe der von der Nadel hervorgerufenen Störung abhängt. Nach Überschreiten dieses Punktes steigt er erneut an, um 90° an der Nadelspitze zu erreichen.

Die Eigenschaften des gebrochenen Bündels folgen dieser Änderung.

Der Brechungswinkel weist einen Wert Θ", der mit θ verknüpft ist, an der Dreiphasenlinie auf, geht durch einen minimalen Wert am Umkehrpunkt hindurch und steigt erneut bei der Annäherung an die Nadelspitze an. Dies erklärt, das in der Fig.10 beobachtete Brechungsbild.

Außerhalb des Schattens 150 des Tropfens und der direkten Projektion 152 des Laserprimärbündels auf der fotographischen Platte ist das gebrochene Licht unter Bildung eines Hofes 154 konzentriert, der von einer klaren Grenze 156 von der inneren Seite her und einer diffusen Linie 158 von der äußeren Seite her begrenzt ist.

Aufgrund Betrachtungen zur geometrischen Optik ist es leicht zu verstehen, daß die scharfe Grenze dem Umkehrpunkt des Profils des Tropfens und die diffuse Grenze

dem Brechungswinkel θ" längs dem Umfang" des Tro"pfens entspricht.

Der Vergleich zwischen den Fig.9 und 10 zeigt, daß die Lage dieser letzteren Linie, wie es durch den Durchmesser D' angedeutet ist,aufs Genaueste derjenigen äquivalent ist, die ohne Berührung zwischen dem Tropfen und der Nadel beobachtet wird. Dies bestätigt die Annahme, daß der Berührungswinkel θ nicht durch das Vorhandensein der Nadel verändert wird. Daraus läßt sich folgern, daß die Messungen sowohl durchgeführt werden können, wenn die dem Aufbringen des Tropfens dienende Nadel entfernt ist, als auch unter Beibehaltung dieser Nadel in ihrer Lage und in Berührung mit dem Tropfen.

Im Fall der Fig.9 und 10 erkennt man, daß die Bilder der Tropfen praktisch gesehen, kreisförmig sind. In charakteristischer Weise überschreiten die Schwankungen des Durchmessers des Tropfens mehr oder weniger 2 % nicht.

Es können auch Fälle auftreten, bei denen die Kreisförmigkeit wesentlich schwächer ist. Einer der Vorteile der Erfindung besteht darin, daß gut vergrößerte "Bilder" erhalten werden können, um ohne weiteres Fehler an dem Tropfen zu bestimmen, die sonst der Aufmerksamkeit der Untersuchungsperson entgangen wären. Dies ermöglicht, von vorneherein "Bilder" zu entfernen, die zu Fehlmessungen führen könnten.

Es wird nun auf die Fig.11 und 12 Bezug genommen, die Meßergebnisse von Berührungswinkeln zusammenfassen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bei einer Reihe von flüssigen n-Alcanen (Hexane bis Hexadecane) erhalten wurden, die auf hydrophobe Glasplatten und/oder Platten aus Polytetrafluorethylen aufgebracht worden sind.

Für diese Versuche hat man handelsübliche Alcane mit höchstem Reinheitsgrad (Reinheit über 99 %) und ohne weitere Reinigung verwendet. Als Träger hat man handelsübliche Mikroskopplättchen aus Glas verwendet. Nach sorgfältiger Reinigung mit einem Detergens und Schwefelchromsäure und anschließendem Waschen sind diese Platten mit einer einlagigen Schicht aus n-Hexadecanol überdeckt worden, welches vorhergehend in Ethylacetat rekristallisiert worden ist. Die Alkohole reagieren mit den Hydroxylgruppen der sauren Oberfläche des Siliziums, um kovalente Bindungen Si-O-C-X unter Freisetzung von Wasser zu bilden. Diese Bindungen sind sowchl wärmemäßig als auch chemisch vollkommen stabil. Die hydrophile Oberfläche des Siliziums ist somit durch eine äußere, dichte Oberfläche von Methylengruppen ersetzt, welches hydrophob ist. Dies ergibt sich näher aus dem erhöhten Berührungswinkel, den auf diese Oberfläche aufgebrachte Wassertröpfchen aufweisen.

Als Träger hat man auch handelsübliche Platten aus Polytetrafluorethylen verwendet. Die Endbearbeitung der Oberfläche dieser Platten wurde fortschreitend verbessert, indem Schleifpapier mit immer feiner werdender Körnung verwendet wurde. Jedenfalls war dies nicht ausreichend, um gute Oberflächenbedingungen sicherzustellen. Infolgedessen wurde dieser Vorgang dadurch ergänzt, daß das Kunststoffmaterial auf 200⁰C während mehrerer Stunden erwärmt wurde, wobei es zwischen zwei ebenen Oberflächen guter optischer Qualität gepreßt wurde.

Bei diesen Versuchen wurden die Flüssigkeitstropfen auf Platten unter Verwendung von mit einer Mikrospritze verbundenen Injektionsnadeln aufgebracht, wie es vorhergehend auf der Fig.8 dargestellt ist. Die Verdampfung des Lösungsmittels wurde minimiert, indem die Gesamtheit in einem mit Lösungsmitteldampf gesättigten, dichten Raum

eingeschlossen wurde. Die fotographischen Aufnahmen der reflektierten oder gebrochenen Bilder wurden in Zeitabständen von 10 bis 20 Sekunden durchgeführt, um das mechanische Gleichgewicht des Tropfens auf seinem Träger zu ermöglichen.

Die an der Reihe von n-Alcanen durchgeführten Messungen fingen allgemein ausgehend von den unteren Homologen an, da sie flüchtiger und leichter zu entfernen sind.

Zwischen jedem Versuch bei einem besonderen Alcan wurden der Träger, die Spritze und die Nadel sorgfältig mit Aceton oder Toluen gereinigt. Bei jeder der Flüssigkeiten war*der gemessene Berührungswinkel der Mittelwert aus wenigstens zehn unabhängigen Messungen an aufeinanderfolgenden Tropfen. Mit einem solchen Verfahren betrug die absolute Genauigkeit ( unter Einschluß der Wiederholbarkeit ) - 0,25° bei dem untersuchten Winkelintervall. Die für die verschiedenen Alcane erhaltenen Werte sind in den Fig.11 und 12 für Polytetrafluorethylen (PTFE) bzw. die Träger aus hydrophobem Glas dargestellt.

Es wird auf die Fig.11 Bezug genommen, in der die Änderungen des Cosinus des Berührungswinkels θ als Funktion der Spannung γ.„ an der GrenzschichtFlüssigkeit-Dampf der reinen Flüssigkeit dargestellt sind. Diese Messungen wurden für eine Reihe von n-Alcane bei Umgebungstemperatur(22°C) durchgeführt. Auf der Kurve bedeutet Cr Hexan, D,r Hexadecan, usw. Die feste Oberfläche ist eine Platte aus Polytetrafluorethylen, die in der vorhergehend beschriebenen Weise poliert wurde. Die Kreuze entsprechen nach der Erfindung durchgeführten Messungen, während die vollen Kreise den bisherigen Werten mit Fehlergrenzen von - 2° entsprechen.

Mit dem Verfahren der kleinsten Quadrate leonnte ηκη' erhalten:

cos θ = - 0,031 γ _LV + 1,555

Daraus läßt sich ableiten, daß der Wert Y-_„_ffür den

Cos θ = 1 beträgt, 18,0 - 0,2 dyn cm~ ist. Dieser Wert ist von besonderer Bedeutung, da er die Spannung der minimalen Oberfläche festlegt, unterhalb der sich •j^Q eine reine Flüssigkeit unmittelbar ausbreitet, d.h., daß sie einen Berührungswinkel 0 bildet.

Die derart erhaltenen Werte stimmen gut mit der Literatur überein.

Es wird auf die Fig. 12 Bezug genommen, in der die Änderungen des cos θ als Funktion der Spannung Ύ. der Grenzschicht Flüssigkeit-Dampf für Undecan (C₁₁), Dodecan (C₁₂) > Tetradecan(C.₁,) und Hexadecan (C-,*-) bei OQ Umgebungstemperatur (2O⁰C) aufgetragen sind. Die Kreuze entsprechen den nach der Erfindung durchgeführten Messungen. In dem Fall, bei dem die feste Oberfläche eine mit einer einlagigen Schicht aus Hexadecanol bedeckte Glasplatte aus Borsilikat ist, findet man mit dem Verge fahren der kleinsten Quadrate, das cos θ = - O, 042Y. „+1 , 97

Man folgt daraus, daß der Wert fürY*„, bei dem cos θ = ist, 23,3 - 0,3 dyn cm"" beträgt.

Auf der gleichen Kurve entsprechen die vollen Kreise bis herigen Werten mit Fehlergrenzen von - 2 %. Die verwendete, feste Oberfläche ist eine Platinplatte, die mit einer einlagigen Schicht aus Octadecylamin überdeckt war. Bei den zwei Oberflächen ist die äußerste Schicht eine dichte Konzentration an Methylgruppen.

Die bei der Durchführung des er"f ind'ungs'geihäßen "Verfahrens erhaltenen, experimentellen Werte stehen in vollkommener Übereinstimmung mit der Literatur. Diese Versuche bestätigen, daß das erfindungsgemäße Verfahren wohlbegründet ist, und unterstreichen auch die mit ihm erhaltbaren Vorteile, die am Anfang der Beschreibung angegeben worden sind.

Bei der unter Bezugnahme auf die Fig.7 und 8 beschriebenen Vorrichtung ist der Probenträger 56 für einen festen Träger von der Art einer Glasplatte vorgesehen. Man kann für jede besondere Art von festem Träger oder flüssigem Träger auch einen Probenträger vorsehen, der beispielsweise durch Anschrauben an dem Gestell 42 angebracht werden kann. Die Vorrichtung kann derart ohne weiteres auf Träger sehr unterschiedlicher Art angepasst werden.

Obgleich bei der vorliegenden Beschreibung angegeben worden ist, daß das Sekundärbündel von einer Empfangsoberfläche aufgefangen wird und ein Leuchtbild ergibt, wird darauf hingewiesen, daß es sich nicht um ein wirkliches Bild des Tropfens, sondern vielmehr um eine winkelmäßige Darstellung oder Karte des Umfangs des Tropfens handelt. Diesbezüglich ist darauf hinzuweisen, daß die Erfassung möglicher Fehler des Tropfens, dessen Berührungswinkel man mißt, nicht von der Abmessung dieser winkelmäßigen Darstellung oder Karte herkommt. Selbst wenn diese Darstellung tatsächlich auf eine mit dem Tropfen vergleichbare Abmessung verringert ist, ist ein möglicher Fehler stets viel offensichtlicher, als auf dem Tropfen selbst.

Es wird darauf hingewiesen, daß ein für einen aufmerksamen Beobachter beim -herkömmlichen Bestimmungsverfahren unsichtbarer Fehler bei dem erfindungsgemäßen Verfahren offensichtlich wird.

- Leerseite -

Claims

15 Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Berührungswinkels eines auf einen horizontalen, festen oder flüssigen Träger aufgebrachten Tropfens Patentansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung des Berührungswinkels eines auf einen horizontalen, festen oder flüssigen Träger aufgebrachten Tropfens, dadurch gekennzeichnet , daß es die Schritte umfaßt, die darin bestehen, daß

a) senkrecht auf einen Träger ein Primärbündel parallelen Lichtes gerichtet wird, welches einen Bereich beleuchten kann, der die Grenzschicht zwischen dem Umfang des Tropfens und dem Träger einschließt, wobei das Primärbündel mit dem Tropfen und dem Träger wechselwirkt, um wenigstens ein Sekundärbündel zu erzeugen;

b) das Ausmaß des Beleuchtungsüberganges gemessen wird, den das Sekundärbündel dem Umfang des Tropfens entspre-

chend auf venigstens einer EmpfangsobeFfläche aufweist, die das Bündel in einer Lage in Bezug auf den bekannten Träger und eine bekannte Geometrie schneidet,

^. 5 was ermöglicht, den Berührungswinkel aufgrund dieser LO Messung sowie der bekannten Lage und der bekannten Geo-

metrie der Empfangsoberfläche zu bestimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -^q zeichnet, daß das Sekundärbündel durch Wechselwirkung des Primärbündels mit dem Tropfen und dem Träger erzeugt wird, wobei der Tropfen wie ein konvexer Spiegel wirkt.. .

,c 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Primärbündel auf die Seite des Trägers gerichtet wird, auf der der Tropfen aufgebracht ist.

2Q 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Sekundärbündel durch einfache Reflexion des Primärbündels auf der konvexen Oberfläche des Tropfens erzeugt wird, was ermöglicht, Berührungswinkel zwischen 0° und 45° zu bestimmen.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Sekundärbündel durch Reflexion des Primärbündels auf der konvexen Oberfläche des Tropfens erzeugt wird, einer von einem Durchgang durch den Träger

_Q_ gefolgten Reflexion, wobei letztere transparent ist, was ' ermöglicht, Berührungswinkel zwischen 45° und 90° zu bestimmen .

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch g e k e η n-

_OI_ zeichnet, daß das Sekundärbündel durch Reflexion ob

3δ42928_£ Γ: _: . ; -' -■ /.;-;'^:\ des Primärbündels auf der konvexen Oberfläche des Tropfens, gefolgt von einer Reflexion, an dem Träger erzeugt wird, wobei letzterer wie ein ebener Spiegel wirkt, was ermöglicht, Berührungswinkel zwischen 45° und 90° zu bestimmen.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Träger transparent ist und daß das Primärbündel auf die Seite des Substrats gerichtet wird, die derjenigen gegenüberliegt, auf die der Tropfen aufgebracht ist, was ermöglicht, Berührungswinkel zwischen 90° und 18O° zu bestimmen.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Sekundärbündel durch Wechselwirkung des Primärbündels mit dem Tropfen und dem Träger erzeugt wird, wobei der Tropfen wie eine plan-konvexe Linse wirkt und der Träger transparent ist, was ermöglicht, Berührungswinkel zwischen 0° und 90° zu bestimmen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Träger ein fester Träger wie eine Platte oder eine dünne Schicht ist, der eine allgemein ebene Oberfläche zur Aufnahme des Flüssigkeitstropfens aufweist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Träger eine Schicht aus einer Flüssigkeit ist, die mit der den Tropfen bildenden Flüssigkeit unvermischbar ist.

1.1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Empfangsoberfläche eine parallel zu dem Träger angeordnete, ebene Oberfläche ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Empfangsoberfläche eine allgemein zylindrische Oberfläche ist, deren Achse senkrecht zu dem Träger gerichtet ist und durch die Mitte des Tropfens hindurchgeht.

13- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Empfangsoberfläche eine Oberfläche in der Form einer halbkugelförmigen Kalotte ist, die zu dem Tropfen zentriert ist und deren Äquatorlinie horizontal angeordnet ist.

14. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangs-Oberfläche ein Schirm ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsoberfläche eine fotoempfindliche Oberfläche oder eine fotographische Platte ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Empfangsoberfläche Teil einer automatischen Erfassungsvorrichtung ist.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet ,daß das Primärbündel ein Laserbündel oder ein weißes Lichtbündel ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17,

dadurch gekennzeichnet , daß der Träger innerhalb einer Kammer angeordnet ist, in der sich die den Tropfen bildende Flüssigkeit im Gleichgewicht mit ihrem Dampf befindet.

19- Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Stütze (56), mit der ein Träger (10) horizontal haltbar ist, eine Lichtquelle (74), Mittel (78), um ausgehend von der Quelle ein Primärbündel parallelen Lichtes zu bilden, Mittel (86), um dieses Bündel senkrecht auf den Träger zu richten und wenigstens eine Empfangsoberfläche (126,128) in einer Lage in Bezug auf den bekannten Träger und eine bekannte Geometrie umfaßt, um das durch Wechselwirkung des Primärbündels mit dem Tropfen und dem Träger erzeugte Sekundärbündel (124) zu schneiden.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch g e kennzeichnet ,daß die Mittel (86) um das Primärbündel (122) senkrecht auf den Träger (TO) zu richten, Ausrichtmittel (1 ο(,116, 120) aufweisen, um das Primärbündel entweder in Richtung auf die Seite des Trägers, auf die der Tropfen aufgebracht ist, oder in entgegengesetzter Richtung zu richten.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausrichtmittel ein erstes, ausrichtbares Prisma (108) oder einen Spiegel zum Aussenden eines vertikal nach oben oder nach unten gerichteten Bündels (114) ausgehend von einem horizontalen Primärbündel (84), wenigstens ein zweites Prisma (116), mit dem das vertikale Bündel um 90° ablenkbar ist, um dieses horizontal zu führen,und wenigstens ein drittes Prisma (120)umfassen, mit dem das horizontale Bündel (IIS) umlenkbar ist, um es in die Vertikale zu führen und ein auf den Träger (10) gerichtetes, vertikales Bündel (122) zu bilden.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet ,daß das dritte Prisma (120) in

354292S.//

seiner Lage mittels Schrauben (123) oder ähnlichem einstellbar ist.

23- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet , daß sie wenigstens eine parallel zu dem Träger (10) angeordnete, ebene
Empfangsoberfläche (26,32) aufweist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet ,daß sie eine

Empfangsoberfläche (28) allgemein zylindrischer Form aufweist, deren Achse senkrecht zu dem Träger (10) gerichtet ist*und durch die Mitte des Tropfens (12) hindurchgeht.
15

25- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet , daß sie zwei
Empfangsoberflächen (126, 128) jeweils in der Form einer Kugelkalotte aufweist, die über bzw. unter dem Träger
(42,56) angeordnet sind, und daß die zwei Empfangsoberflächen in der Form von Kugelkalotten einen dichten Raum begrenzen, der den Träger (10) und den auf ihm aufgebrachten Flüssigkeitstropfen (12) einschließt.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet , daß das Primärbündel (22,122) ein Laserbündel oder ein weißes Lichtbündel ist.