DE3808860A1 - Verfahren zur automatischen messung der ober- bzw. grenzflaechenspannung zur optimierung von grenzflaechenphysikalischen vorgaengen - Google Patents
Verfahren zur automatischen messung der ober- bzw. grenzflaechenspannung zur optimierung von grenzflaechenphysikalischen vorgaengenInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Bestim
mung des polaren und unpolaren Anteils der Oberflächen
spannung einer Flüssigkeit, deren Gesamtoberflächen
spannung bekannt ist, durch Messung des Randwinkels an
einem Tropfen, der durch Benetzung eines Festkörpers,
dessen Oberflächenspannung mit polaren und unpolaren
Anteilen bekannt ist, gebildet wird, sowie zur Be
stimmung der Oberflächenspannung eines Feststoffes mit
polaren und unpolaren Anteilen durch Messung des Rand
winkels von Testflüssigkeiten mit bekannten Oberflächen
spannungen und polaren und unpolaren Anteilen.
Neben automatisch arbeitenden und allgemein anwendbaren
Methoden, die Ober- bzw. Grenzflächenspannungen unmit
telbar liefern, gibt es noch eine Reihe von speziellen
Methoden, die gezielt für die Lösung von Einzelproblemen
erarbeitet wurden (Surf. and Colloid Sci. Vol. 11.
pp 31-119, ed. R.J. Good and R.R. Stromberg, Plenum
Press New York and London, 1979). Gemessen werden dabei
die Tropfendimensionen, die in einem zweiten Arbeitsgang
bezüglich der Oberflächenspannung ausgewertet werden
können. Als entscheidende Kenngröße wird dabei der Rand
winkel angesehen.
Der Randwinkel kann beispielsweise mit einem Winkelmes
ser durch Anlegen der Tangente an die Tropfenkontur im
Benetzungspunkt (Winkelmesser des Goniometer-Okulars)
direkt gemessen werden.
Als optische Verfahren können weiterhin je nach Problem
stellung die Mikrophotographie und die Kinematographie
bzw. Hochfrequenzkinematographie eingesetzt werden. Die
se Verfahren gestatten eine photographische (mit einer
Kamera) bzw. kinematographische (mit Film) Erfassung von
Randwinkeln.
Für die Messung von kleinen Randwinkeln wird oft ein
Interferenz-Mikroskop verwendet. Randwinkel kann man
ferner aus Tropfendimensionen berechnen.
Dieser Weg mit den existierenden Methoden hat jedoch den
Nachteil, daß er mit einem hohen Zeit-, Material- und
Kostenaufwand verbunden ist, wobei die Meßergebnisse
subjektiv beeinflußt und ungenau sind. Darüber hinaus
können die Oberflächenspannungen mit den so erhaltenen
Randwinkeln nur in einem zweiten Arbeitsgang berechnet
werden.
Hier setzt die Erfindung an. Es liegt die Aufgabe zu
grunde, ein neues Meßverfahren zur Bestimmung von Ober
flächenspannungen von festen und flüssigen Stoffen auf
der Grundlage der Erfassung von Tropfenkonturen zu ent
wickeln, das bei gleichen oder verbesserten Meßgenauig
keiten kürzere Meßzeiten erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
zunächst ein Videobild des Tropfens erzeugt wird, daß
die Helligkeitswerte der dazugehörigen Bildpixel digi
talisiert und in einem Rechner gespeichert werden, daß
vom Rechner die Kontur des Tropfens in der Umgebung des
Dreiphasenpunktes, wo Flüssigkeit, Festkörperoberfläche
und Atmosphäre aneinanderstoßen, in einem X-Y-Koordina
tensystem ermittelt und durch ein Polynom analytisch
approximiert wird und daß anschließend durch Bildung der
ersten Ableitung des Polynoms an der Stelle des Dreipha
senpunktes der Randwinkel bestimmt und als Meßwert aus
gegeben und dem Rechner zur Bestimmung der Oberflächen
spannung einer Flüssigkeit oder eines Feststoffes mit
polaren und unpolaren Anteilen unmittelbar weiterver
arbeitet und ausgegeben wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist weiterhin in vorteil
hafter Weise so konzipiert, daß die Wahl und das Auf
bringen der Testflüssigkeiten, das Weitertransportieren
des Festkörpers, die Erfassung der Tropfenkontur und die
Berechnung von Oberflächenspannungen mit polaren und
unpolaren Anteilen mit Hilfe eines Mikroprozessor-ge
steuerten Video-Systems und eines on-line damit verbun
denen Rechners einschließlich Auswertung und Datenaus
gabe mit einer hohen Genauigkeit automatisch durchge
führt wird.
Bei der Untersuchung von dynamischen Vorgängen wird im
Sinne einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Ver
fahrens der Randwinkel als Funktion der Zeit in einem
Zeitbereich von einer Messung in 10 Sekunden bis 50
Messungen pro Sekunde erfaßt und bestimmt. Ein besonders
interessanter dynamischer Vorgang ist z.B. die Untersu
chung der Spreitungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit
auf einer Festkörperoberfläche. Dabei wird zweckmäßig
mit einer Meßfrequenz von 50 s-1 gearbeitet.
Der Hauptvorteil der Erfindung liegt darin, daß man aus
den gewonnenen Meßdaten der Tropfenkonturen die Randwin
kel bzw. die Oberflächenspannungen von festen und flüs
sigen Stoffen ohne Zwischenschritte direkt berechnen
kann. Wegen seiner großen Genauigkeit kann das erfin
dungsgemäße Verfahren zur Aufteilung der Oberflächen
spannung einer Flüssigkeit oder eines Feststoffes in
einen polaren und unpolaren Anteil mit Hilfe von
Testsubstanzen herangezogen werden. Diese öffnet den
grundsätzlichen Weg, technische Prozesse, bei denen
Grenzflächen-physikalische Vorgänge eine Rolle spielen,
wie z.B. Benetzung, Beschichtung, Haftung, Kleben,
Dispergieren etc., im Sinne einer Kostenminimierung zu
optimieren.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung
und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das Gesamtschema einer Apparatur zur Durch
führung des erfindungsgemäßen Verfahrens
Fig. 2 die Anordnung von Video-Kamera und Proben
vorbereitungssystem in perspektivischer Dar
stellung und
Fig. 3 die Veränderung der Tropfengeometrie bei einem
Glycerintropfen auf einer Glasunterlage als
typisches Beispiel für einen dynamischen
Grenzflächenvorgang.
Hauptbestandteile der zur Durchführung des erfindungsge
mäßen Verfahrens benutzten Apparatur sind die Video
kamera 1, der Probentisch 2 mit dem darauf befindlichen
Tropfen 3, dessen Oberflächenspannung gemessen werden
soll, die Beleuchtungseinrichtung 4 zur Beleuchtung des
Tropfens 3 von der der Kamera 1 gegenüberliegenden Sei
te, das Spritzensystem 5 zum Aufbringen von Testflüssig
keiten auf den Probentisch 2, der Rechner 6 zur Speiche
rung und Auswertung des von der Kamera 1 erzeugten
Videobildes und die Steuerungseinheit 7 zur automati
schen Betätigung des Spritzensystems 5 und zur Verschie
bung des Probentisches 2. Zum Rechner gehören ferner die
Tastatur 8 zur Dateneingabe, der Monitor 9 zur visuellen
Darstellung des Tropfenbildes, der Bildschirm 10 sowie
der Drucker 11 und der Plotter 12 zur Meßwertausgabe.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besteht das Spritzensystem
aus einer Vielzahl von Kapillaren 13, die mit den
Testflüssigkeitsvolumina in Verbindung stehen. Zum Auf
setzen eines Tropfens wird die gewünschte Kapillare 13
über den Probentisch 2 gedreht und durch Anlegen von
Druck ein Tropfen 3 auf den Probentisch aufgebracht.
Außerdem ist die Spritzeneinheit 5 in XYZ-Richtung ver
schiebbar. Der Probentisch 2 zur Aufnahme eines Fest
körpers, dessen Oberflächenspannung in Kombination mit
einer Meßflüssigkeit untersucht werden soll, ist in XYZ-
Richtung verschiebbar und in XY-Richtung drehbar. Die
Probe kann damit in jeder gewünschten Lage angeordnet
werden. Mittels einer temperierbaren Kammer (nicht ge
zeigt), die auf den Probentisch 2 aufgesetzt wird, kann
außerdem die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit (Klima)
eingestellt werden. Mittels des Probentisches 2 wird die
zu messende Probe (Unterlage) so justiert, daß der zu
messende Ort der Probe waagerecht auf dem Monitor 9
erscheint. Die Tropfen 3 werden von der Videokamera 1
vor einem hell erleuchteten, durch die Beleuchtungsein
richtung 4 erzeugten Hintergrund beobachtet. Das Video
bild wird auf dem Monitor 9 dargestellt. Aufgrund dieses
Hell-Dunkel-Überganges ist die Tropfenkontur auf dem
Bildschirm sehr deutlich zu sehen.
Die Auswertung der Tropfenkontur beruht im Prinzip
darauf, daß die analogen Helligkeitsinformationen der
Videokamera 1 über eine im Rechner 6 enthaltene Digi
tizerkarte in diskrete Helligkeitswerte umgeformt wird.
Die so gewonnenen, digitalisierten Bildpixel werden im
Rechner 6 gespeichert. Mittels eines speziellen Pro
grammes wird dann vom Rechner 6 die Kontur des Tropfens
3 in der Umgebung des Dreiphasenpunktes, wo Flüssigkeit,
Festkörperoberfläche und Atmosphäre aneinanderstoßen,
in einem X-Y-Koordinatensystem ermittelt und durch ein
Polynom analytisch approximiert. Anschließend wird durch
Bildung der ersten Ableitung des Polynoms an der Stelle
des Dreiphasenpunktes der gesuchte Randwinkel bestimmt
und zur Berechnung der Oberflächenspannung einer Flüs
sigkeit oder eines Festkörpers mit polaren und unpolaren
Anteilen unmittelbar weiterverarbeitet und auf den Aus
gabegeräten 11 oder 12 angezeigt.
Weitere Programme wurden für den vollautomatischen Ab
lauf des Meßvorganges entwickelt, die in Verbindung mit
der Steuerungseinheit 7 durchgeführt werden. Zum Start
des Programms werden aus einer Reihe von 10 Testflüssig
keiten eine beliebige Anzahl (meist 5 bis 6) ausgewählt.
Für jede ausgewählte Testflüssigkeit kann die Anzahl der
aufzusetzenden Tropfen vorgegeben werden. Nach dem Auf
bringen der zu untersuchenden Festkörperprobe, z.B.
einer PE-Folie, auf den Probentisch und Justage der Pro
be (die Oberfläche der Probe muß innerhalb eines mar
kierten Feldes am Monitor liegen) steuert das Programm
die Auswahl der entsprechenden Kapillare, das Ansteuern
des zugehörigen Spritzenmotors, das Auftropfen des Flüs
sigkeitstropfens auf die Unterlage und den Vorschub des
Probentisches. Sobald der Tropfen aus der Kapillare
herausgetreten ist, verfolgt das Programm die Tropfen
unterkante und prüft auf Tropfenabriß von der Kapillare.
Beim Aufsetzen des Tropfens auf die Unterlage reißt der
Tropfen von der Kapillare ab und das Randwinkelmeßpro
gramm wird für den liegenden Tropfen, ausgehend von der
zuletzt gefundenen Unterkante des Tropfens, vor dem
Kapillarabriß gestartet.
Das Randwinkelmeßprogramm sucht von der vorgegebenen
Zeile an, in der sich der Dreiphasenpunkt befindet, die
nächsten 15 Zeilen nach eindeutigen Hell-Dunkel-Übergän
gen durch und ordnet ihnen X-Y-Koordinaten zu. Durch
diese X-Y-Koordinaten wird ein Polynom gelegt, dessen
erste Ableitung an der Stelle des Dreiphasenpunktes der
gesuchte Randwinkel ist. Konnten nur bei 2 oder 3
hintereinanderliegenden Zeilen Hell-Dunkel-Übergänge
gefunden werden, so wird eine Gerade durch die er
mittelten XY-Koordinaten gelegt (z.B. bei sehr flach
liegenden Tropfen; d.h. sehr kleinen Randwinkeln). Auf
diese Weise werden ca. 3 bis 5 Winkelwerte (je nach
Winkelgröße) pro Sekunde ermittelt. Es wird z.B. der
Anfangswinkel nach 1 Sekunde und der Endwinkel nach 13
Sekunden für jeden Tropfen im Rechner gespeichert. Aus
den gemittelten Randwinkelwerten (getrennt nach Anfangs
und Endwinkel) der verschiedenen Testflüssigkeiten auf
der zu messenden Unterlage (Festkörper) und den be
kannten im Rechner gespeicherten Flüssigkeitsdaten, wie
Brutto-Oberflächenspannung mit polaren und unpolaren
Anteilen, wird sodann die Festkörperoberflächenspannung
der Unterlage vom Rechner bestimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit großem Vorteil
auch zur kontinuierlichen Messung und Registrierung von
zeitlichen Randwinkeländerungen herangezogen werden (dy
namische Randwinkelmessung). Beispielsweise können 25
Winkel pro Sekunde mit einer On-line-Kurvenausgabe auf
dem Plotter 12 gemessen werden. Nach dem gleichen Prin
zip kann aber auch die Spreitungsgeschwindigkeit einer
Flüssigkeit auf einer festen Oberfläche direkt gemessen
werden.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können tech
nische Vorgänge, bei denen Ober- und Grenzflächen eine
Rolle spielen, wie z.B. Benetzen, Beschichten, Haften,
Kleben, Dispergieren, Mahlen, Tablettieren, untersucht
und gezielt optimiert werden.
Ein Streifen der Größe von ca. 1×10 cm aus Polyethylen-
Folie wird auf dem Probentisch 2 der beschriebenen Appa
ratur in Meßposition zur Bestimmung der Oberflächen
spannung befestigt. Mit dem Rechner 6 wählt man die
Testflüssigkeiten, gibt die Zahl der Tropfen ein und
startet das Programm. Die Messung beginnt und läuft bis
zur Datenausgabe völlig automatisch ab.
Danach wird ein Wassertropfen 3 als erstgewählte Test
flüssigkeit auf die Oberfläche der Polyethylenfolie mit
Hilfe des Spritzensystems 5 aufgesetzt. Die Videokamera
1 in Verbindung mit dem Rechner 6 erkennt die Lage und
die Tropfenkontur und bestimmt den Randwinkel. Die Probe
wird mit dem Probentisch weitertransportiert, der Rech
ner 6 wählt dann Glycerin (2. Testflüssigkeit), dessen
Randwinkel in gleicher Weise bestimmt wird. Als dritte
und vierte Testflüssigkeiten werden Formamid und Hexa
decan gewählt und wie beschrieben die Winkelmessungen
durchgeführt. Nach der letzten Winkelmessung ergaben
sich aus den Daten der Testflüssigkeiten und der ge
messenen Randwinkel die folgenden Ergebnisse:
Brutto-Oberflächenspannung | |
28,7 mN/m | |
unpolarer Anteil | 26,3 mN/m |
polarer Anteil | 2,4 mN/m |
Es wird wie in Beispiel 1 gearbeitet; jedoch wurde zur
Bestimmung der polaren/unpolaren Anteile der Oberflä
chenspannung von Anilin ein Tropfen auf Teflon aufge
tropft und der Randwinkel gemessen. Die Oberflächen
spannung von Teflon mit den polaren/unpolaren Anteilen
ist bekannt. Aus dem gemessenen Randwinkel und der
Butto-Oberflächenspannung des Anilins erhält man dann
unmittelbar die polaren/unpolaren Anteile der Oberflä
chenspannung:
Brutto-Oberflächenspannung | |
42,6 mN/m | |
unpolarer Anteil | 36,6 mN/m |
polarer Anteil | 6,0 mN/m |
Es wird mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens der dyna
mische Randwinkel von Glycerin auf Glas gemessen. Nach
dem Start des Programms wurde zunächst das Glycerin in
die Spritze gefüllt und in die Spritzeneinheit gesetzt.
Das Glas wurde auf den Probentisch gelegt und justiert.
Die Abtastrate wurde dem Rechner eingegeben (1 Sek.).
Nach dem Aufsetzen des Tropfens auf der Glasoberfläche
wurden automatisch die digitalisierten Videobilder/Teil
bilder des liegenden Tropfens in den Bildspeicher des
Rechners mit der vorgegebenen Abtastrate eingespeichert.
Nach erfolgter Messung können die gespeicherten Bilder
mittels Bildverarbeitungsprogrammen, z.B. im Kontrast
erhöht oder störende Bildteile ausgeblendet werden.
Mittels einer mit der Rechnertastatur steuerbaren waage
rechten Linie auf dem Monitorbild konnte die genaue Lage
des Dreiphasenpunktes Glas/Glycerin/Luft, getrennt für
die linke und rechte Seite des Tropfens, in den Rechner
übertragen werden. Das Randwinkelmeßprogramm suchte
dann, wie beschrieben, die eindeutigen Hell-Dunkel-
Übergänge und rechnete daraus die X-Y-Koordinaten bzw.
die Randwinkelwerte aus.
Die Winkelwerte wurden dabei in einem Zeitbereich von
0 bis 60/Sek. in einem Zeitabstand von 1 Sek. direkt
erfaßt und die Mittelwerte aus linkem/rechtem Randwinkel
grafisch dargestellt. Der erste gemessene Randwinkel
betrug 88° und der letzte 27° (siehe Fig. 3) .
Claims (4)
1. Verfahren zur Bestimmung des polaren und unpolaren
Anteils der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit,
deren Gesamtoberflächenspannung bekannt ist, durch
Messung des Randwinkels an einem Tropfen (3), der
durch Benetzung eines Festkörpers, dessen Oberflä
chenspannung mit polaren und unpolaren Anteilen
bekannt ist, gebildet wird, sowie zur Bestimmung
der Oberflächenspannung eines Feststoffes mit pola
ren und unpolaren Anteilen durch Messung des Rand
winkels von Testflüssigkeiten mit bekannten Ober
flächenspannungen und polaren und unpolaren Antei
len, dadurch gekennzeichnet, daß ein Videobild des
Tropfens (3) erzeugt wird, daß die Helligkeitswerte
der dazugehörigen Bildpixel digitalisiert und in
einem Rechner (6) gespeichert werden, daß vom Rech
ner (6) die Kontur des Tropfens (3) in der Umgebung
des Dreiphasenpunktes, wo Flüssigkeit, Festkörper
oberfläche und Atmosphäre aneinanderstoßen, in
einem X-Y-Koordinatensystem ermittelt und durch ein
Polynom analytisch approximiert wird und daß
anschließend durch Bildung der ersten Ableitung des
Polynoms an der Stelle des Dreiphasenpunktes der
Randwinkel bestimmt und als Meßwert ausgegeben und
im Rechner (6) zur Berechnung der Oberflächen
spannung einer Flüssigkeit oder eines Feststoffes
mit polaren und unpolaren Anteilen unmittelbar
weiterverarbeitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wahl und das Aufbringen der Testflüssigkei
ten, das Weitertransportieren des Festkörpers, die
Erfassung der Tropfenkontur und die Berechnung von
Oberflächenspannungen mit polaren und unpolaren An
teilen mit Hilfe eines Mikroprozessor-gesteuerten
Video-Systems (1) und On-line-Rechners (6) inklusi
ve Auswertung und Datenausgabe mit einer hohen Ge
nauigkeit automatisch durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß bei dynamischen Vorgängen der Rand
winkel als Funktion der Zeit in einem Zeitbereich
von 1 Messung in 10 Sekunden bis 50 Messungen pro
Sekunde gemessen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß als dynamischer Vorgang die Spreitungsgeschwin
digkeit einer Flüssigkeit auf einer Festkörperober
fläche gemessen wird.
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