DE4412405A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Kräften und Ermittlung von Stoffeigenschaften - Google Patents

Description

Kräfte werden gemessen um Körper zu charakterisieren, z. B. durch ihr Gewicht (Masse). Mit weiteren Daten können aus gemessenen Kräften, an Körpern auch Stoffeigenschaften des Materials bestimmt werden. Man erhält mit der Gewichtskraft und dem Volumen die spezifische Dichte. Viele Stoffeigenschaften können durch Kraftmessungen bestimmt werden. Die Oberflächen- und Grenzflächenspannung ist die zentrale physikalische Größe zur Beschreibung von Benetzung und Benetzbarkeit der Stoffe. Grenzflächeneffekte sind in vielen Bereichen des täglichen Lebens und der industrieller Anwendungen von großer Bedeutung. Wichtig ist es bei Produktentwicklungen (z. B. Waschmittel), oder der Optimierung an Formulierungen oder chem. Verbindungen (Tensiden), eine erzielte Veränderung quantifizieren zu können. Zur Charakterisierung von Benetzungsphänomenen und zur Vorhersage von Effekten, wird die Oberflächen- bzw. Grenzflächenspannung gemessen. Gemäß der wirtschaftlichen Bedeutung und der technischen Schwierigkeit diese Größe jeweils zu bestimmen, existiert zur Messung eine Anzahl von Methoden. Die Vorgänge und Effekte an Oberflächen und Grenzflächen, insbesondere derer der flüssig-fest- Grenzflächen, bergen noch Rätsel, die auch von erheblichem wissenschaftlichem Interesse sind.

Heute wird die Oberflächenspannung an Flüssigkeiten meist mittels der Bügel- oder Ringmethode (1.) durchgeführt. Dabei wird zur Bestimmung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten wie z. B. tensidhaltigem Wasser, im wesentlichen die Ringmethode nach Lecomte de Noüy eingesetzt. Das ist die konventionelle Tensiometrie. Dabei wird ein Drahtring oder ein Bügel unter die Flüssigkeitsoberfläche getaucht. Die beim Herausziehen des Bügels aus der Flüssigkeit gemessenen Maximalkraft ist der Oberflächenspannung der Flüssigkeit direkt proportional. Wird der Bügel zwischen zwei flüssigen nicht vollständig mischbaren Phasen eingesetzt, so läßt sich die Grenzflächenspannung messen. Ein Nachteil des Verfahrens ist, daß Messungen an höher viskosen Flüssigkeiten, wie z. B. Polymerschmelzen, Kunstharzen, Lacken, in der Regel fehlerhafte Ergebnisse erbringt. Die Fehlerursache in diesem Zusammenhang besteht darin, daß die Messung nicht statisch ist (A: prinzipieller Fehler). Denn bei einer ständigen Relativbewegung von Bügel und Flüssigkeit, wird der durch die Thermodynamik geforderten Gleichgewichtsbedingung nicht Rechnung getragen (Lit.: Gaines, G.L. jr., Surface and Interfacial Tension of Polymer Liquids - A Review, Polymer Engineering and Science, 12, 1, p1-11, (1972)). Kontaktwinkelmeßsysteme (1. Goniometer) erlauben es, den statischen Kontaktwinkel und daraus die Oberflächenenergie bzw. kritische Oberflächenspannung zu gewinnen (Methoden nach: Zisman, Owens, Wendt, Schulz, Wallat). Auch über die Kinetik des Benetzungsvorgangs sind bedingt Aussagen durch die Geschwindigkeit der Änderung des Kontaktwinkels möglich. Das Kontaktwinkelmeßsystem wird zur Qualifizierung der Interaktion von bestimmten flüssigen gegen bestimmte feste Körper verwendet. Es besteht aus einer optischen Apparatur mit der der Kontaktwinkel gemessen werden. Es wird dabei ein Tropfen einer Flüssigkeit auf einem Untergrund aufgebracht und der Kontaktwinkel, den die Flüssigkeit auf dem Festkörper bildet wird gemessen. Problematisch ist die Einstellung des Tropfenvolumens, die Wahl des Zeitpunkts nach dem der Meßwert abgelesen wird (B: Zeitpunktsunschärfe) und auch die Tatsache, daß am Untergrund möglicherweise eine nicht-repräsentative Stelle zur Messung verwendet wird (C: zufälliger Fehler). So wird in diesem Zusammenhang von Meßfehlern in der Größenordnung von 10% (!) berichtet (Lit.: Flösch, Dietmar et al, J. Polym. Sci., 31, p. 1779-1788, (1993)). Die sog. Wilhelmy-Plattenmethode (1.) (Lit.: Wilhelmy, J., Ann. Physik, (1863), 119, S. 177) wird zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten eingesetzt aber auch zum Studium des Kontaktwinkels (Θ). Dabei wird eine Platte mit der Oberfläche einer Flüssigkeit in Kontakt gebracht, indem sie eingetaucht wird. An der Kontaktstelle bildet sich ein Meniskus. Durch den Meniskus wirkt nun zwischen Platte und Flüssigkeit eine Kraft, die von der Benetzung herrührt. Die Kraft ist n.d.Gl

F = γ_l,gp cosΘ (Gl. I)

mit Benetzungseigenschaften verbunden. F ist die Kraft, die hervorgerufen wird durch den Meniskus den die Flüssigkeit an der Platte ausbildet. γ_l,g ist die Ober­ flächenspannung der Flüssigkeit; Θ, der Rand- oder Kontaktwinkel und p ist der Um­ fang der Platte.

Bei der Messung durch Geräte in beschriebenen technischen Ausführungen, wird die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten und der dynamische Kontaktwinkel von Flüssigkeiten an Festkörpern gemessen.

Zur Messung wird der Behälter mit der Testflüssigkeit gegen die Platte angehoben, bis diese darin eintaucht. Die relative Position wird durch den Berührzeitpunkt indiziert. Nachdem die Platte eine bestimmte Eintauchtiefe erreicht hat wird sie wieder herausgezogen. Man erhält ein Diagramm, welches die Kraft als Funktion der Eintauchtiefe darstellt. Verwendet man spezielle, sehr gut benetzbare, dünne Platten, kann man die Oberflächenspannung der Flüssigkeit erhalten, indem Θ zum Winkel 0° angenommen wird und berechnet nach Gl. I. die Oberflächenspannung der Flüssigkeit nach γ_l,g = F/p. Wird ein anderer Stoff als Plattenmaterial verwendet und gegen eine Flüssigkeit mit bekannter Oberflächenspannung gemessen, so kann nach Gl. I. ein dynamischer Kontaktwinkel erhalten werden.

Die Kraft F kann aus dem Diagramm direkt abgelesen werden. Am Berührpunkt der Platte gelte, daß die gemessene Kraft F nur durch die Benetzung hervorgerufen wird.

Beim Extrapolationsverfahren legt man auf die Eintauch- und Austauchkurve je eine gute Gerade und berechnet den, am Schnittpunkt mit dem X-Wert der Eintauchtiefe "0" erhaltenen Y-Wert (Kraft) den jeweiligen "Advancing- bzw. Receiding- Kontaktwinkel" (Vorwärts- bzw. Rückwärtswinkel). Je nach Versuchsbedingungen erhält man mehr oder weniger bauchige Kurven. Aus welchen sich der exakte Wert nicht ohne weiteres ergibt. Aufgrund der steten Relativbewegung kann sich außerdem das Kräftegleichgewicht nicht einstellen. Dieses ist aber die thermodynamische Bedingung für die Gültigkeit der Berechnung (A: prinzipieller Fehler, B: Zeitpunktsunschärfe). Bei höher viskosen Flüssigkeiten werden diese Fehler gravierend. Die Möglichkeit den Kontaktwinkel auf bestimmten festen Stoffen zu messen sind noch in der Wahl der Prüfkörper eingeschränkt. Je größer die Platte desto bauchiger wird eine Kraft-Eintauchtiefe-Kurve. Denn mit dem Eintauchen des Volumens der Platte im Gefäß hebt sich das Niveau der Flüssigkeit und der Auftrieb wächst dadurch überproportional zur Eintauchtiefe. Weil das Gefäß temperierbar sein soll und in einer Apparatur Platz finden muß, kann die Gefäßoberfläche, um diesen Fehler zu verringern, nicht beliebig vergrößert werden. Andererseits, werden kleine Platten verwendet, dann sind die Anforderungen an die Kraftmessung höher und es steigt die Möglichkeit von Fehlmessungen durch die steigenden Fehler in der Messung der Probekörpergeometrie. Zusätzlich steigt bei kleinen Plattenoberflächen die Störanfälligkeit der Messung, weil lokale Abweichungen der Oberfläche stärker ins Gewicht fallen (C: zufälliger Fehler). In DIN 53914 (1974) zur Messung der Oberflächenspannung wird die Plattenmethode zwar in einem statischen Meßverfahren erwähnt. Dabei wird eine Plattenmaterial verwendet, welches durch die Flüssigkeit total benetzbar ist. Die Bedingung der Eintauchtiefe "0" wird ebenfalls nicht berücksichtigt. Bewegt man die Platte gegen die Flüssigkeitsoberfläche, dann bildet sich im Berührpunkt der Meniskus aus. Dabei fließt Flüssigkeit an der Platte nach oben, wodurch das Niveau im Behälter, in dem sich die Flüssigkeit befindet, absinkt (D:, Niveaufehler). Dadurch hängt die Platte etwas über der Oberfläche, der gemessene Wert für die Oberflächenspannung wird größer gemessen als er ist. Weniger bedeutende Verfahren: Insbesondere zur Erfassung geschwindigkeitsabhängiger Effekte (Tensidkinetik) dienen Blasendruck Tensiometer (2.): Durch eine Kanüle wird ein Gas in die Flüssigkeit gedrückt. Gasdruck Blasenbildungsgeschwindigkeit hängen über die Oberflächenspannung zusammen. Erhalten wird die Oberflächenspannung als Funktion der Oberflächenbildungsgeschwindigkeit.

Aus den geometrischen Maßen eines in einer Flüssigkeit rotierenden Tropfens (Profilanalyse) wird die Grenzflächenspannung errechnet (3. Spinning Drop Tensiometer). Beim Tropfenvolumentensiometer (3. Stalagmomete) wird Flüssigkeit aus einer Kanüle gedrückt. Das gravimetrisch und/oder volumetrisch erfaßte Tropfenvolumen gegen die Erdanziehung erlaubt die Berechnung der Oberflächenspannung. Die Steighöhe in Kapillaren (3.) dient auch zur Messung der Oberflächen- und Grenzflächenspannung. In einer eingetauchten Kapillare steigt die Flüssigkeit hoch. Über die Steighöhe, die Dichte der Flüssigkeit und den Kapillardurchmesser, kann die Oberflächenspannung berechnet werden. Schwierig ist unter anderem das korrekte Ablesen der Kapillare. Die Gestalt eines hängenden Tropfens unter dem Einfluß der Erdbeschleunigung ist durch die Oberflächenspannung bestimmt (3. Methode des hängenden Tropfens, sessile Drop). Die Messung zweier Durchmesser des hängenden Tropfens, dem maximalen und dem Durchmesser des Tropfens in der Höhe der Mitte der Tropfenunterseite, sowie die Dichte der Flüssigkeit müssen bekannt sein, oder gemessen werden. Um zu entscheiden ob die Tropfenform einem Gleichgewichtszustand entspricht, existieren Kriterien. Eine Blase wird unter einer planen, benetzten Platte angebracht (3. Sessile Bubble). Die Ausmaße des äquatorialen Radius und der Abstand des Blasenäquators zur Blasenunterseite dienen zur Berechnung der Oberflächenspannung, bzw. zur Berechnung der Grenzflächenspannung zwischen zwei sich nicht mischenden Flüssigkeiten. Hier sind jedoch keine Kriterien, die über das hydrodynamische Gleichgewicht der Blase Auskunft geben, angeführt.

Die Methoden nach (1) und (3) haben den Vorteil, daß die Meßmimik im Wesentlichen durch hochauflösende Kraftmesser gebildet wird und sich die Ermittlung der Ergebnisse vordergründig relativ einfach gestaltet. Schwieriger zu handhaben sind zum Teil die anderen Verfahren. Man benötigt oft Parametertabellen und eventuell weitere physikalische Daten vom Meßobjekt (E: Datennotwendigkeit) oder es sind aufwendige Erfassungssysteme notwendig (F: techn. Aufwand) und das oft nur für Betrachtungen spezieller Effekte (G: Spezialgerät). Die Anzahl Meßgeräte und der teilweise sehr hohe technische Aufwand bezeugen die Wichtigkeit der Quantifizierung von Grenzflächeneffekten. Gleichzeitig aber auch die Tatsache, daß ein einzelnes Meßverfahren- bzw. Gerät, welches die gefragten Größen zur Verfügung stellt, nicht existiert. Unbefriedigend ist schließlich die Tatsache, daß es kein Gerät gibt, welches zugleich den grundlegenden physikalischen Gesetzen gehorcht und die Messung der Benetzungseffekte an verschiedenen Systemen erlaubt.

Also ist es sehr wünschenswert, ein einfach handhabbares, anschauliches Verfahren zu haben, welches mit hoher Sicherheit Ergebnisse liefert, ohne zugleich große Bedingungen an die Spezialisierung des Meßobjekts und vorhandene Datenquellen stellen zu müssen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung und Verfahren zur Verfügung zu stellen, die ein präzises Instrument zur Kraftmessung darstellt und am Beispiel der Benetzungsmesung die genannten Fehler und Einschränkungen heutiger Techniken im wesentlichen vermeidet und eine schnelle hinreichend genaue Messung der entsprechenden Parameter erlaubt. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Teile der Ansprüche gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und ihr eigene Verfahren erlaubt die Messung der Oberflächenspannung an Flüssigkeiten. Dabei eignet es sich vorzüglich zur Messung an höher viskosen Flüssigkeiten (unter Berücksichtigung der Punkte A:, B:, C:, D:). Die Oberflächenspannung kann damit sowohl dynamisch, als auch statisch bestimmt werden. Mit der Erfindung läßt sich überraschenderweise eine sehr ganzheitliche Untersuchung von Effekten, die von der Oberflächenenergie von Körpern zusammenhängen durchführen (G:). Es ist zumal erstaunlich, daß tatsächlich alle, zu verschiedenen Zwecken benötigten Stoffdaten, vermittels weniger Hilfsmittel, auf dem Gerät durch einfache Verfahren gewonnen werden können (E:, F:, G:).

Bei der Planung der Anlage und der Konstruktion war ursprünglich beabsichtigt ein Gerät zu bauen, welches dazu dienen sollte in herkömmlicher Manier Benetzungseigenschaften zu messen. Dabei erwies es sich (für die Kenntnisse des Erfinders im Bereich der Elektronik und Steuerung von Motoren) als zu kompliziert einen elektrischen Antrieb so aufzubauen, daß damit die dynamischen Meßverfahren realisiert werden können. Überraschend war es, daß erst durch die Verwendung eines Schrittmotors (der von einem PC leichter angesteuert werden kann) die statische Meßprozedur - aus der Not geboren - als überaus vorteilhaft erkannt wurde.

Die Erfindung besteht an sich in der Abstraktion eines Prinzips und der Anwendung verschiedener Methoden darauf. Das Prinzip ist die relationale Kraftmessung. Die "Relation" bezieht sich darauf, daß Zeit, Dauer, Geschwindigkeit einer Kraftwirkung an einer definierten Position erfolgt bzw. auf ein bestimmtes geometrisches Verhältnis von Körpern angewendet wird. Für einige Fälle ist es sinnvoll mehr als zwei stofflich verschiedene Körper (Probesubstanzen) zu Meßzwecken zu verwenden. Das erfindungsgemäße Gerät beinhaltet eine Kraftmeßeinrichtung die zur Messung über die Probensubstanzen mit einer präzise justierbaren Stellvorrichtung verbunden ist. Die Richtung der Kraftmessung ist vom Verwendungszweck abhängig und kann alle Einstellungen zwischen vertikal und horizontal einnehmen. Zur Messung der Oberflächenspannung oder des Kontaktwinkels, die beispielhafte Anwendungen der Vorrichtung darstellen, ist die genau vertikale Konfiguration zu bevorzugen. Die relative Position, in der sich die Probesubstanzen im Meßgeschehen zueinander befinden, ist jeweils genau definiert und jederzeit verfügbar. Über Kräfte, die zwischen den Probematerialien insbesondere zu bestimmten Zeitpunkten an jeweils definierten Orten aufeinander wirken, kann die physikalische oder empirische Beziehung zwischen den Stoffen dadurch evaluiert werden, daß Kräfte, die nicht dem untersuchten Phänomen entstammen, größtenteils von der betrachteten Größe durch das Verfahren der Anlage abgesondert bestimmt sind.

Es konnte festgestellt werden, daß durch einbezogene hydrostatische Korrekturen, für jeden einzelnen, einer fast beliebig großen Anzahl von Meßpunkten, die Beziehung, die den Kontaktwinkel bzw. die Oberflächenspannung zu berechnen erlaubt, aufgestellt werden kann. An jeder Isohypse eines Festkörpers kann der aktuelle Kontaktwinkel abgelesen werden. Damit kann eine Oberfläche vollständig abgetastet werden. Im Einzelnen geschieht dies dadurch, daß die Kraft, die an der Platte angreift, in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe dargestellt wird. Und zwar dergestalt, daß die wirkliche Eintauchtiefe, die bei Berücksichtigung der Gefäßoberfläche und des eintauchenden Volumens, exakt berechnet wird. Bei gleichmäßiger Benetzbarkeit der Oberfläche (und des Gefäßrandes) ergibt sich in einem Kraft-Eintauchtiefediagramm eine Gerade, die bei der statischen Messung durch die Haltepunkte gebildet wird. Die Messung des Benetzungswinkels kann dynamisch, in langmuierschem Sinne, bei der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung der Flüssigkeit - beim Ein- und Austauchen - bestimmt werden, aber auch, was zu bevorzugen ist, statisch. Dabei wird die Dimension der Platte nur durch die Maße des Flüssigkeitsgefäßes begrenzt. Die Platte muß nicht die Form eines regulären Oktaeders besitzen.

Es können Änderungen an Oberflächen, z. B. molekulare Orientierungserscheinungen in Polymeren bzw. Änderungen an Stoffe, z. B. Quellung, Auflösung, in Abhängigkeit der Dauer der Einwirkung der Flüssigkeit betrachtet werden. Ohne weiteres kann an Festkörpern (z. B. Fasern) der Umfang bestimmt werden; Auch Weg- und Längenmessung. Ferner das Volumen, sowie die Dichte. Auch an Flüssigkeiten kann die Dichte bestimmt werden. Dichtegradienten in Flüssigkeiten sind meßbar. Die Vorrichtung erlaubt es die Rauhigkeit von Festkörperoberflächen zu bestimmen. Es können Änderungen am Festkörper studiert und quantifiziert werden. So eignet sich die Vorrichtung zur Erfassung von Absorption, Adsorption, Auflösungs- und Quellungserscheinungen und anderen Effekten, in ihrem zeitlichen Verlauf, die durch Wirkungen eines Mediums hervorgerufen werden.

Zur Erleichterung des Verständnisses der Vorrichtung soll die Erfindung anhand folgender Abbildungen erklärt werden.

Bild 1 zeigt den mechanischen Teil einer erfindungsgemäßen Ausführung der Vorrichtung mit welcher bereits experimentiert wurde. Ein Schrittmotor, der in einem Gehäuse (1/7) montiert ist, betreibt über einen Spindeltrieb (1/6) eine Plattform (1/12). Zu diesem Zweck enthält die Plattform (1/12) eine Bohrung mit Gewindegang (1/5), so, daß beim lateralen Drehen der Spindelachse (1/6) durch den Motor (1/7) eine dazu senkrechte translatorische Bewegung bewirkt wird. Damit sich die Plattform (1/12) präzise und stabil bewegen läßt, wird sie durch drei parallele Führungsstangen (1/3), die in der Bohrung mit dicht laufenden Schlupfbuchen (1/4) versehen sind, geführt. Unten sind die Stangen (1/3) im massiven Motorgehäuse (1/7) befestigt und oben in der ebenfalls dickwandig ausgeführten Haube (1/1). Dort ist auch die Spindelachse gelagert (1/2). Um sicherzustellen, daß eine bestimmte Hubhöhe mit der Plattform durchfahren wird - diese errechnet sich aus der Ganghöhe der Spindel und aus Anzahl der Spindelumdrehungen - wird die Drehung der Achse durch einen daran angebrachten, Drehgeber überwacht. Dieser besteht aus einer Lochscheibe und zwei Fotoelementen. Die Lochscheibe ist noch mit einem Indexloch versehen. Die Auswertung und gegebenenfalls, die Korrektur, erfolgt durch das Steuerprogramm (Software). Diese Gangkontrolle ist in der Haube (1/1) untergebracht. An der Unterseite der Haube (1/1) sowie auf der Oberseite des Motorgehäuses (1/7) sind Endpunktgeber montiert, die als Justiermarken dienen und das Auflaufen der Plattform auf Haube und Motorgehäuse bei Betriebsstörungen verhindern. Das Ganze (AKTOR) ruht auf einem Bodenrahmen (1/8). Die Rahmenstangen (1/9) sind an einem Ende mit dem Boden (1/8) verbunden. Zusammen mit den Rahmenendstützen (1/10), am anderen Ende, wird eine stabile Bodenfläche, die die notwendige Bodenfreiheit hat, verwirklicht. In dem aus (1/8), (1/9) und (1/10) eingeschlossenen Bereich befindet sich bei der Anwendung die aktive Wägefläche der Analysenwaage. Auf der Wägefläche wird ein sehr leichter, gleichwohl stabiler, Probenhalter plaziert, der aus Aluminiumrohr gefertigt ist. Der Fuß des Probenhalters (1/11) steht auf der Wägefläche. Durch die Bohrung (1/12a) in der Plattform (1/12) ist der Fuß (1/11) mit dem Arm des Probenhalters (1/18) fest verbunden, ohne aber die Plattform oder andere Teile zu berühren. An (1/18) sind keilförmige, von oben nach unten sich verjüngende Bohrungen angebracht. Seitlich bzw. von vorn führen schmale Schlitze zu den Bohrungen. Diese dienen zur Aufhängung (1/17) der Proben. Dabei ist der Probekörper an einem adäquat langen Seidenfaden (1/16) (geringe Dehnung) (oder ggf. einem steifen Metalldraht- oder einer Schiene) befestigt an dessen anderem Ende ist er durch eine zentral geschlitzte Metallkugel geführt, die mit einer Zange zusammengepreßt ist, um ihn zu fixieren (Prinzip Angelschnurgewicht).

Bild 2 zeigt die Apparatur, in einer handelsüblichen Analysenwaage (2/1) (Mettler AT200, Mettler-Toledo GmbH, Gießen), der sie angepaßt ist. Auf der Wägefläche steht der Probenhalter (vgl. 1/18). Vom Aktor (2/2) führt ein Flachbandkabel (2/3) heraus. Damit wird der Windschutz (2/6) kaum beeinträchtigt. Flachbandkabel (2/3) und Datenschnittstellenkalbel ex Waage (2/5) führen zu einem elektronischen Daten- Interface.

Bild 3 zeigt wie bei anderen Temperaturen und Atmosphären als die, die der Umgebung entsprechen, gemessen werden kann. Das Gefäß (3/1) mit der Flüssigkeit (3/3) befindet sich in einem thermostatisierbaren Gehäuse (3/4) auf der Plattform (3/2=1/12). Durch eine kleine Öffnung (3/3) führt ein Faden (Draht, Stange) (3/7), an dem der Probekörper (3/5) befestigt ist. Die Öffnung und Aufhängung (3/7) sind derart konstruiert, daß Konvektionsströmungen unterdrückt werden. Das Gehäuse (3/6+3/4) ist durch Flüssigkeit oder direkt (Peltier) thermostatisierbar und verfügt über Gasein- und Auslaß (nicht abgebildet).

Bild 4 zeigt schematisch das Zusammenwirken in der realisierten erfindungsgemäßen Vorrichtung. (4/1) und (4/2) stellen die bereits in Bild 1 und Bild 2 beschriebenen Teile der Vorrichtung dar. Die Funktionen der Apparatur werden durch ein Computerprogramm geregelt. Das Programm steuert im Meßablauf die Bewegungen der Plattform und die übrigen Funktionen des AKTORS (4/2) wie die Prüfung der Ganggenauigkeit (über Auswertung der Daten der Drehgeber), Ermittlung und Kontrolle der Position. Auch die Funktionen der Waage (4/1) wie z. B. Tarieren Öffnen/Schließen des Windschutzes werden durch das Programm gesteuert. Wägedaten werden vom Programm abgefragt und verarbeitet, aufgezeichnet und am Monitor (4/6) dargestellt. Die Datenflußrichtung wird durch das Programm im Steuerinterface (4/4) dadurch umgeschalten, daß die Handshake-Steuerleitungen (Ausgänge der seriellen Schnittstelle RS232), RTS (=Request To Send) und DTR (Data Terminal Ready), nicht so, wie es üblich ist, als Handshakeleitungen verwendet werden, sondern sie werden vom Programm hoch- oder nieder gesetzt und bestimmen so, über eine elektronische Schaltung aus Optokopplern und Logik-ICs, die Flußrichtung der seriellen Datenübertragung: PC/Waage // Waage/PC und PC/AKTOR // AKTOR /PC. Das Steuerinterface (4/3) enthält die zum Betrieb des Aktors notwendigen elektronischen Schaltungen. Darüber hinaus werden die Aktionen an Anzeigeelementen visualisiert. Es sind in (4/3) noch Eingabeelemente mit welchen Funktionen betätigt werden können. So kann der Aktor z. B. über Taster manuell bewegt werden. Dabei war es nicht notwendig, dem Interface (4/3, 4/4) elektronische Intelligenz zu geben. Von hier werden vielmehr Eingaben an den PC weitergegeben, wo sie die entsprechenden Kausalketten auslösen. Das Programm steuert so über das Interface den AKTOR (4/2), die Waagenfunktionen und die Anzeige.

Für erfindungsgemäße Vorrichtungen und Verfahren ist es unerheblich wodurch und wie die Bewegung des Aktors erzeugt wird. Zwar eignen sich besonders Kombinationen aus rotierenden elektrischen Antrieben in Verbindung mit einem Spindeltrieb, weil dieser Aufbau besonders einfach zu bewerkstelligen ist. Elektrische Antriebe können nebst uni- und bipolaren Schrittmotoren verschiedene Gleich- und Wechselstrommotoren sein. Günstig sind prinzipiell auch Piezomotoren. Die Erfindung schließt die Verwendung einer direkt arbeitenden Stellvorrichtung ein. Dafür sind hydraulische, pneumatische und Servoantriebe denkbar aber auch Piezoaktoren. Die Bewegung muß nicht notwendigerweise durch eine rotierende Spindel erzeugt werden. Es können alle Formen verwendet werden, die geeignet sind eine lineare Bewegung hervorzurufen, z. B. Lineartische, Seilzüge, Kettenzüge, Zahnstangenantriebe, Exzenterschneckenantriebe.

Für die Kraftmessung können direkt arbeitende Kraftsensoren (wie induktive, kapazitive oder Piezosensoren) verwendet werden. Auch Methoden der indirekten Kraftmessung können eingesetzt werden (z. B. Auslenkung einer Feder, eines Fadens oder Drahtes; Wölbung oder Biegung einer Platte oder eines Drahtes; Auswertung direkt optisch, elektronisch oder durch Interferenzverfahren). Dabei erschwert eine große Auslenkung des am Kraftsensor verbundenen Objektes die Auswertung. Zu bevorzugen ist die Verwendung von Kraftsensoren, die mehr oder weniger direkt und ohne spürbare Auslenkung ein kraftproportionales elektrischen Signal liefern. Die Verwendung einer Waage (wie z. B. in Bild 2) bietet sich aus verschiedenen Gründen an. Benutzerfunktionen, Signalaufbereitung, Kommunikation, Kalibrierung und Genauigkeit sind technisch so bereits gelöst. Es kann jedoch gleichwohl sinnvoll sein einen anderen Weg zu gehen und besondere Kraftsensoren zu verwenden, z. B. wenn es um schnelle Kraftänderungen geht, die gemessen werden müssen, denn normalerweise sind Waagen nicht auf die Eigenschaft einer raschen Kraftmessung spezialisiert. Doch wird es für viele Anwender der erfindungsgemäßen Vorrichtung (und Verfahren) vorteilhaft sein eine Waage, die gegebenenfalls ohnehin benötigt wird mehrfach zu nutzen. Das sind nicht nur Kostengründe sondern auch Raumgründe.

Der gleiche Effekt ist bei der Benutzung eines gewöhnlichen Personal Computers anzuführen. Bei vielen elektronischen Analysenwaagen ist es möglich die Wägung über die Gehängedurchführung zu bewerkstelligen. Erfindungsgemäß können so größere Behälter und längere Wege mit dem entsprechenden Aktor durchmessen werden.

Es ist für die Erfindung unerheblich welcher Teil des Untersuchungsgegenstandes bewegt wird. Am Beispiel der Messung der Oberflächenspannung (siehe unten) muß nicht das Gefäß mit der Flüssigkeit gehoben und gesenkt werden. Genauso kann der Tensiometer Ring (oder Lennard-Bügel) bewegt werden. Es ist auch denkbar beides, also Ring und Gefäß, zu bewegen. Der Kraftsensor kann sowohl mit dem Gefäß verbunden sein als auch (wie beschrieben) mit dem Ring (oder mit beidem). Permutationen im apparatemäßigen Aufbau betreffen die Erfindung nicht. Die technische Lösung für die Auswerte- und Steuereinheit muß nicht, wie beschrieben, durch eine Interface-Schaltung und Computer/Software-Programme realisiert werden. Hier sind andere Formen denkbar, z. B. Microcontroler (analog oder digitale Recheneinheiten ggf. mit Fuzzy-Logik), die die Abläufe Steuern und Berechnungen durchführen.

Zum Messen der Oberflächenspannung nach der klassischen Ringmethode (Lecomte de Noüy(1.)) auf der erfindungsgemäßen Anlage verläuft so:
Das Programm wird gestartet und die für diese Messung notwendige Konfiguration gewählt. Es werden noch teilweise freie Angaben abgefragt, die aufgezeichnet werden und später zur Versuchsdokumentation dienen. Man plaziert auf der Plattform ein Gefäß, welches die Flüssigkeit beinhaltet, deren Oberflächenspannung gemessen werden soll. Am Probenhafter-Arm (1/18) wird der Ring bzw. Bügel angebracht (dieser ist in der üblichen Weise vorzubereiten; einen Platinring glüht man vorher aus), so, daß die Flüssigkeitsoberfläche dadurch nicht berührt wird. Der Operator kann mittels der Handtaster (4/3) den die Plattform (1/12) anheben und so den Ring in die Nähe der Flüssigkeitsoberfläche fahren. Der automatische Ablauf der Messung wird dann einfach gestartet. Die Waage wird dabei zuerst tariert, dann wird die Plattform der Umsetzgeschwindigkeit der Waage entsprechend so schnell angehoben, daß durch die Registrierung einer Kraftänderung der Kontakt des Rings an der Flüssigkeitsoberfläche genau indizierbar ist. Die Unschärfe zur Ermittlung des Berührpunktes (0-Niveau) beträgt für den Prototyp etwa 2-5 µm. Das Programm läßt nun den Ring ganz eintauchen (z. B. 10 mm unter das 0-Niveau). Dann wird der Ring in einer wählbaren Geschwindigkeit um eine bestimmte Strecke über das 0-Niveau herausgezogen. Dabei wird die am Ring angreifende Kraft (Gewicht) über die Zeit aufgezeichnet, und zwar solange, bis praktisch keine Kraftänderung mehr registriert wird. Dann wird der Ring um die Strecke s (z. B. 1 mm) zum nächsten Meßpunkt weiterherausgezogen. Und so fort bis die Flüssigkeitslamelle abreißt. Dies erkennt das Programm mittels geeigneter Algorithmen. Weiter wird die Maximalkraft, die durch die am Ring hängende Flüssigkeit hervorgerufen wird itterativ ermittelt. Der getauchte Ring wird um einen Betrag unter das zuvor erfaßte Kraftmaximum gehoben (eigentlich bewegt sich ja das Gefäß vertikal, und nicht der Ring; der befindet sich - unelastisch aufgehängt stets in der gleichen Position). Dann wird z. B. in s/2 Schrittweiten das Kraftmaximum bis zum Lamellenabriß abgetastet. Und so fort, wobei in immer kleiner werdenden Schritten das Kräftemaximum durch diese statische Prozedur ermittelt wird. Alles geschieht automatisch - programmgesteuert - den Parametern folgend, die der Operator dem Programm zuvor mitgeteilt hat. Die Vorgänge werden am Steuerinterface angezeigt und am Monitor dargestellt. Im Diagramm, X-Achse = Eintauchtiefe, Y-Achse=Kraft, Z-Achse=Zeit, welches am Monitor dargestellt wird, ergibt sich aus den diskreten Meßpunkten ein Kurvenzug. Dieser hat etwa die Form einer nach unten geöffneten Parabel. Das Kraftmaximum dient zur Berechnung der Oberflächenspannung in der üblichen Weise.

Zum Messen der Oberflächenspannung nach der Wilhelmy-Methode wird ein anderer, programmierter Mess- und Berechnungsablauf verwendet. Die verwendete Platte besteht aus einem Material, welches eine sehr hohe Oberflächenenergie hat, jedenfalls muß diese so hoch sein, daß die Flüssigkeit die Platte total benetzt. Diese Platte wird am Probenhalter-Arm angebracht. In beschriebener Weise wird die Plattenunterkante waagerecht in die Nähe der Flüssigkeitsoberfläche gefahren. Dem Programm werden die erforderlichen Daten mitgeteilt (unter anderem, Breite und Dicke der Platte, Oberflächenausmaß des Behälters, in dem die Flüssigkeit ist). Nach dem Starten der Messung durch den Operator, werden Flüssigkeitsoberfläche und Plattenunterkante einander vorsichtig angenähert. Sobald plötzlich die Flüssigkeit die Platte berührt (niederviskose Flüssigkeiten mit geringer Oberflächenspannung springen an die Platte), ist der Niveau Bezugspunkt (0-Niveau) der Messung erreicht. Insbesondere bei relativ kleinen Flüssigkeitsbehältnissen fällt das Niveau im Gefäß dadurch, daß Flüssigkeit an der Platte nach oben gezogen wird, so daß die Plattenunterkannte nicht auf dem 0-Niveau liegt, sondern etwas darüber. Das Programm berechnet die Korrektur - wenn die Dichte der Flüssigkeit angegeben werden konnte. Sonst (die Dichte der Flüssigkeit wird aus dem Auftrieb der Platte im Laufe des Experiments berechenbar) findet eine Nachberechnung statt. Im weiteren Meßgeschehen wird die Platte immer weiter eingetaucht. Jeweils wird an den einzelnen Meßpunkten solange die Kraft (in Abhängigkeit der Zeit) gemessen, bis praktisch keine Änderung derselben mehr eintritt. Je nach dem, was der Operator auswählte findet Ein- und Austauchen in festgelegten Schrittweiten statt. Die Eintauchtiefe ist vorher zu wählen. Ebenso die Schrittweite und ob nur der Vorwärts-, der Rückwärts- oder beide Werte bestimmt werden für eine Ergebnisberechnung herangezogen werden sollen. Die Oberflächenspannung der Flüssigkeit (γ_l,g) wird bei der Wilhelmy-Methode so vorgegangen, daß die Nettogewichtskraft F_G, die am Berührpunkt der Flüssigkeitsoberfläche zur Berechnung der Oberflächenspannung verwendet wird. Die Berechnung erfolgt nach Gl. I. bei totaler Benetzung mit cosΘ=180°=1 und der Kraft,

F=F_{G *}g [mN]
F_G : Gewichtskraft bzw. Masse [g]
g : Erdbeschleunigung, 9.81 [m_*s^-2],

nach Umstellung von Gl. I zu,

F=γ_{l,g *}p [mN]
γ_l,g=F/p [mN_*m^-1]
p : Plattenumfang [cm]

Es ist nun sogar so, daß auf die Gewichtskraft im 0-Niveau nicht extrapoliert werden braucht. Denn durch die stete Auftriebs-Niveau-Korrektur ergibt sich auch für dicke Platten eine Gerade bei der Eintauchtiefe-Kraft-Kurve. Die Messung kann auf der Apparatur dynamisch durchgeführt werden, vorteilhafter ist jedoch das beschriebene, schrittweise, statische Vorgehen. So erhält man zum Einen, zusätzlich, wertvolle Informationen über die Geschwindigkeit des Vorgangs. Zum Anderen ist jeder einzelne Meßpunkt durch die Auftriebskorrektur ein partikulärer Meßwert, der bereits die γ_l,g darstellt. Es ist jedoch so, daß durch irgendeine zufällige Störung (an der Plattenoberfläche oder in der Flüssigkeit durch lokale Verunreinigung oder experimentelle Störungen (Benetzungsfehler Verdunstung, Temperatur- und Konzentrationsschwankung, Niveauschwankungen durch Schwankungen der Gefäßrandbenetzung)) Einzelergebnisse verfälscht werden. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren durch die ermöglichte große Zahl Einzelergebnisse besonders sicher und vorteilhaft. Wiederholungsmessungen um eine statistische Ergebnissicherheit zu erhalten sind weniger häufig notwendig.

Zum Messen des Kontaktwinkels nach der Wilhelmy-Methode wird wiederum ein anderer, programmierter Meß- und Berechnungsablauf verwendet. Das Vorgehen ist ähnlich der bereits beschriebenen Weise. Doch interessieren jetzt die oberflächenenergetischen Eigenschaften des Plattenmaterials. Die Platte wird in beschriebener Weise in eine Flüssigkeit eingetaucht, deren Oberflächenspannung bekannt ist. Je nach den energetischen Verhältnissen bildet sich der Kontaktwinkel an der Phasengrenze Fest-Flüssig-Gasformig (bzw. Vakuum). An jedem Meßpunkt der statischen Messung wird der Auftrieb von der gemessenen Gewichtskraft abgezogen und man erhält den Kontaktwinkel. Dabei ist der Auftrieb vom eingetauchten Volumen abhängig.

Die Gleichung, die für den ganzen Verlauf der Messung und jeden Meßpunkt gilt, sofern er ein Gleichgewicht darstellt, lautet (Lit.: Smith, L. et al., J. of Applied Polymer Sci., Vol. 26, 1269-76 (1982)):

In der Formel bedeutet
cos Θ: Der Cosinus des Randwinkels
F: Die Gewichtskraft die durch den Meniskus gebildet wird, F=F_{G *}g [mN]
F_G: Gewicht bzw. Masse [g]
g: Die Erdbeschleunigung, 9.81 [m_*s^-2].
p: Der Plattenumfang in der jeweiligen Höhenschichtlinie [cm].
γ_l,g: Die Oberflächenspannung der Flüssigkeit (bzw. die Grenzflächenspannung zur mit dem Dampf der Flüssigkeit im Gleichgewicht stehenden Gasphase) [mN_*m^-1] ⇔ [dyn/cm]
V_p: Das momentan eingetauchte Volumen der Platte [cm³]
ρ_l: Die Dichte der Flüssigkeit [g/cm³].

Auf der gleicher Basis kann eine dynamische Messung/Auswertung erfolgen.

Es ist nicht notwendig, daß die "Platte" rechtwinklig-kubisch geformt ist, aber es erleichtert die Berechnung. Im Fall einer anders geformten Platte ist dem entsprechenden (Auswerte-) Programm eine Umfangsfunktion oder -Tabelle mitzuteilen.

Durch Vorrichtung und Verfahren wird die Erfassung und Aufzeichnung der Daten, sowie deren Darstellung verwirklicht. Weitere Möglichkeiten, wie die Bestimmung der Steighöhe des Meniskus, sind literaturbekannt (Lit.: Adamson, A. W., Physical Chemistry of Surfaces, John Wiley & Sons, New York, 1982, 11-30 ff.) und können mit den Vorteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und der Verfahren verwirklicht werden.

Bei einer Flüssigkeit und einem Festkörper deren physikalische Kenngrößen nicht bekannt sind, wird durch das Gerät und mit darauf angewendeten Verfahren/Auswertemethoden ein großer Erkenntnisgewinn erreicht, der so einfach bisher nie war. Dies sei am Folgenden erläutert:

• a) Die Oberflächenspannung der Flüssigkeit wird nach der Ringmethode (wie beschrieben) oder mit der Wilhelmy-Plattenmethode (PtIr-Platte) gemessen (γ_l,g). Dabei werden automatisch zusätzliche Informationen gewonnen: Geschwindigkeits- und von der Dauer abhängige Größen werden ermittelt; auch z. B. um welche Strecke der Meniskus über die Flüssigkeitsoberfläche hinausgezogen werden kann.
• b) Die Dichte der Flüssigkeit wird mit der Vorrichtung gemessen, indem ein kalibrierter Verdrängungskörper eingetaucht wird. Geeignet ist ein linsenförmiger Körper. Die Dichte wird durch den Auftrieb des Verdrängungskörpers beim Eintauchen in die Flüssigkeit, gemäß dem Archimed′schen Prinzip bestimmt (F=Vρg). Neu ist, daß durch die Positioniereinrichtung in der Flüssigkeit auf einfache Art Dichtegradienten erfaßt werden. So kann bei Mischungen/Formulierungen festgestellt werden, ob sich Komponenten separieren.
• c) Die kritische Oberflächenspannung der Benetzung für den Festkörper (γ_krit) wird unter Zuhilfenahme mindestens zweier Referenzflüssigkeiten nach dem Verfahren von Zisman vorgenommen. Mit dem Gerät wird jeweils der Kontaktwinkel von Flüssigkeit zum Festkörper bestimmt.
• d) Die Benetzbarkeit des Festkörpers durch die interessierende Flüssigkeit ergibt sich aus dem Verhältnis von γ_l,g und γ_krit. Aber insbesondere wenn es um Benetzungsuntersuchungen in diesem speziellen Fall geht, kann auf c.) verzichtet werden und ausschließlich der Kontaktwinkel zwischen diesen beiden Stoffen ermittelt werden (Schritt a ist gleichwohl nötig).
• e) Änderungen am Festkörper die durch Quellung eine Dichteänderung bewirken, durch Auflösung das Gewicht verringern (Verfolgung der Gewichtsabnahme) oder durch Absorption aus dem Umgebenden Medium die meßbare Gewichtskraft erhöhen, können erfaßt werden und ergeben unter Mitbetrachtung der Dauer (des Eintauchens oder einer Anderen Behandlung) und der Geschwindigkeit der Vorgänge, wertvolle Hinweise auf Stoffeigenschaften.
• f) Die Viskosität der Flüssigkeit kann durch die Kapillarmethode (Auslaufen aus einer Düse) gemessen werden. Dazu wird ein mit der Flüssigkeit befüllter Hohlkörper, der eine Auslaufkapillare hat, mit dem Gewichts- bzw. Kraftmeßgerät während des Auslaufens ständig gewogen. Eine der Viskosität vergleichbare bzw. proportionale (Funktion) Größe kann auch noch so gemessen werden: Eine Platte (z. B. aus dem Festkörpermaterial) wird in die Flüssigkeit eingetaucht und rasch genau an die Oberfläche zurückbefördert. Die Unterkante der Platte befindet sich an der Flüssigkeitsoberfläche. Das Schergefälle welches durch die Schwerkraft auf die Flüssigkeit wirkt, führt zum Abfließen von der Plattenoberfläche. Die Geschwindigkeit des Abfließens, die durch die Gewichtsabnahme registriert wird, besonders am Anfang, ist vor allem von der Viskosität der Flüssigkeit abhängig. Nicht-Newtonsche Eigenschaften viskosen Fließens werden so, oder durch den umgekehrten Vorgang, schnelles Eintauchen, auch erkennbar (Rheopexie, Thixotropie, Strukturviskosität). Auf der Platte verbleibende Flüssigkeit, die anhand des Gewichts erkannt wird, gibt Hinweise über das Verhältnis der Grenzflächenspannungen zum inneren Zusammenhang der Flüssigkeit (Überlagerung von Benetzungseigenschaften mit der Viskosität).
• g) Einleuchtend ist, daß mechanische Werkstoffprüfungen durch die Anlage möglich sind. Denn es kommt dabei stets auf die parallele Ermittlung von Kraft und Auslenkung (Dehnung) an. Die Prüfung, der Härte, des E-Moduls, des Feststoffes elastische, unelastische und duktile Eigenschaften und Kennwerte der Werkstoffprüfung. Bei sehr guter Kraftauflösung so auch insbesondere an Fasern und Filamenten. Dabei wird neben Dehnung (E-Modul) oder Eindringtiefe (Härte) noch weiteres erfaßt: ein zeitlich aufgelöster Kräfteverlauf - auch über große Zeiträume (Relaxation, Retardation) bei, je nach Geräteausführung, beliebigen Belastungen -
• h) Zwischen Körpern lassen sich alle Arten von Kräfte messen, die durch Bewegung, Abstandsänderungen und zeitliche Änderungen betroffen werden. Z.B. Magnetische und elektrostatische Kräfte, Kräfte wie Adhäsion (Kleber), Oberflächenklebrigkeit und Reibung.
• i) Indem man ein zylindrisches Rohr (mit oder) aus einem semipermeablem Material, gefüllt mit einer bestimmten Menge des reinen Lösungsmittels in eine Lösung eintaucht, wobei beide Flüssigkeitsoberflächen zu Beginn rasch auf gleiches Niveau gebracht werden, kann der osmotische Druck (z. B. zur Molzahlbestimmung) bestimmt werden.

Dem Fachmann ist einsichtig, welche Fülle an Erkenntnis durch Kombination und Variation der Verfahren ermöglicht wird.

An Beispielen zur Bestimmung der Oberflächenspannung und des Kontaktwinkels soll die Nützlichkeit der Erfindung, auf dem in Bild 1 beschriebenen Gerät mit dem Aufbau nach Bild 2 und Bild 4, demonstriert werden.

Beispiele 1. Statische Tensiometrie mit einem Ring

Anhang 1 zeigt das Ergebnis eines Experiments zur Bestimmung der Oberflächenspannung mit einem Ring und der statischen Meßmethode. Als Testflüssigkeit diente zweifach entsalztes, analytisch reines Wasser. Im Experiment wurde ein Platin-Iridium-Ring der Firma Krüss, Hamburg, verwendet. Der Umfang des Ringes betrug 60 [mm], die Drahtstärke betrug 0.37 [mm]. Die maximale Kraft wurde zu 8.95 [mN] gemessen. Daraus wird die Oberflächenspannung zu 72.2 [mN/m] berechnet.

Der obere Teil der Darstellung in Anhang 1 zeigt die Meßpunkte, die durch das Programm zur Ermittlung des Kraftmaximums beim Herausziehen des Ringes, erhalten wurden. Die Darstellung zeigt auf der X-Achse die Eintauchtiefe und an der Y-Achse, die gemessene Endkraft. Der Punkt rechts ist der Meßpunkt zur Bestimmung des 0-Niveaus. Man erkennt an der Häufung der Datenpunkte im Kraftmaximum die mehrfach gleiche Bestimmung des Wertes in immer kleiner werdenden Intervallen. Links sind Meßpunkte, nach dem Lamellenabriß abgebildet.

Unten im Diagramm ist ein Ergebnisausdruck angefügt, der durch ein DV-Programm erstellt wurde.

2. Statische Tensiometrie mit einer Platte

Anhang 2 zeigt die Meßdaten, die bei der Bestimmung der Oberflächenspannung mit der Plattenmethode erhalten wurden. Als Testsubstanz wurde Distelöl (Salatöl, kaltgepreßt) verwendet. Das Verfahren wurde als Bestimmung beim Herausziehen der Platte durchgeführt. Als Plattenmaterial diente ein Objektträger-Glas, wie es vom Mikroskopieren her bekannt ist. Es hatte folgende Dimensionen: Breite 25.3 [mm], Dicke 0.98 [mm]. Anhang 2/1 zeigt eine Darstellung der Meßdaten. Im oberen Bildteil ist eine pseudo-3-D-Darstellung gezeigt, wobei die X-Achse der Eintauchtiefe, die Y-Achse der Kraft und die Z-Achse der Zeit entspricht. Die Darstellung links darunter zeigt die gleiche Kurve, aber ohne Zeitachse. Der Punkt, der isoliert über der Reihe der anderen Punkte liegt, war der erste Meßpunkt (zum "Ertasten" des 0-Niveaus). In der rechten Abbildung ist oben eine erste Näherung der Dichte dargestellt. Unten ist der zeitliche Verlauf des markierten Meßpunktes bei der Eintauchtiefe 4.3 [mm] gezeigt.

Anhang 2/2 zeigt die Meßdaten, nachdem sie zwei automatisierte Verarbeitungsalgorithmen durchlaufen haben: Es wurden alle Meßpunkte mit der Eintauchtiefe kleiner als 0.5 [mm] gelöscht. Nach einem Ausreißertest wurden weitere Meßpunkte gelöscht. Der Ausdruck beinhaltet die nötigen Informationen über das Experiment. Nebst der bereits erläuterten Darstellungsweise sind nun noch die Experimental-Parameter angegeben.

Im Text darunter sind die gelöschten Meßpunkte mit der Standardabweichung der Kraft-Eintauchtiefe-Geraden angegeben. Weiter im Text des Anhangs 2/2 wird die Geradengleichung der Kraft-Eintauchtiefe-Geraden angegeben, die nach der Methode der kleinsten Quadrate berechnet wurde, sowie der Korrelationskoeffizient und die Standardabweichung. Die Tabelle zeigt die Zusammenfassung der Meßpunkte:
von links: 1. die Datensatznummer, 2. die Eintauchtiefe, 3. die Anzahl der Meßwertepaare aus Kraft und Zeitpunkt nach Erreichen der Position, 4. die Dauer bis zum Erreichen der Endkraft, 5. die Endkraft, 6. die Kraftänderung über dem Meßpunkt, 7. die aus den geometrischen Maßen der Platte, der gemessenen Kraft und der Eintauchtiefe, unter Abzug des Meniscus, berechnete Dichte.

Anhang 2/3 zeigt ein Ergebnisausdruck. Weil die Dichte und die vom Meniskus herrührende Kraft berechnet werden kann, kann nach Gl. I der Ausdruck "γ_*cos Θ" bestimmt werden.

Es wird die Dichte von Distelöl zu 0.92 [g/ml] und die Oberflächenspannung - unter der Annahme der totalen Benetzung der Platte -, zu 28 [mN/m] bestimmt.

3. Statische Kontaktwinkel-Methode mit einer Platte

Anhang 3 beinhaltet die Dokumentation für ein Experiment, bei welchem an einer Polypropylenplatte der statische Kontaktwinkel bestimmt wurde. Die Polypropylenplatte wurde vor der Messung mit Ethanol sachte abgewischt. Es wurde sowohl der Vorwärts- als auch der Rückwärtswinkel bestimmt. Als Testflüssigkeit wurde zweifach entsalztes Wasser verwendet. Die Auswertung der Daten erfolgt zunächst nach den, im vorigen Beispiel, beschriebenen Verfahren.

Gut kann die Kontaktwinkelhysterese erkannt werden. Und es wird am zeitlichen Verlauf der Kraft klar, daß die bisher angewendeten dynamischen Kontaktwinkelmeßverfahren sicherlich nicht korrekte Werte zur Ermittelung der Oberflächenenergetischen Gegebenheiten liefern.

Claims (4)

1. Eine Vorrichtung zur Messung von Kräften, gekennzeichnet dadurch, daß

• 1.1 sie aus mindestens einer genau positionierbaren Hub- und Stellvorrichtung,
• 1.2 mindestens einer Kraftmeßvorrichtung,
• 1.3 einer Zeiterfassung und einer
• 1.4 Auswerteeinheit besteht,

bzw. sich zusammensetzt aus Teilen, die diese Zwecke erfüllen.

2. Ein Verfahren zur Ermittlung von Stoffeigenschaften mit dem Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß

• 2.1 damit dynamische und insbesondere statische Kraftmessungen durchführbar sind.
  Weiterhin gekennzeichnet dadurch, daß gegebenenfalls durch die Eliminierung von, die Messung beeinträchtigenden physikalischen Effekten, gegebenenfalls aus Kraft-, Dauer-, Positions- und Geometriedaten und Vergleichsmessungen folgende Größen, Beziehungen oder Kennzahlen ermittelt werden können:
  • 2.1.1 der Kontaktwinkel von flüssigen auf festen Stoffen und die Grenz- und Oberflächenspannung
  • 2.1.2 an Flüssigkeiten, die Dichte, sowie in Flüssigkeiten auftretende Dichtegradienten
  • 2.1.3 an Flüssigkeiten, die Viskosität, oder eine analoge Größe
  • 2.1.4 an Lösungen, unter Verwendung üblicher Hilfsmittel, der osmotische Druck
  • 2.1.5 an Feststoffen, die Elastizität, Härte und Duktilität, die Dehnung von Stoffen, die Reißdehnung, der E-Modul und andere Kenndaten der Werkstoffprüfung, bzw. analoge Größen
  • 2.1.6 der Reibungskoeffizient zwischen Stoffen, Klebrigkeit, Haftung und Adhäsion, bzw. analoge Größen
  • 2.1.7 geometrische Artikeleigenschaften, wie das Volumen und der Umfang in Höhenschichtlinien
  • 2.1.8 die Dichte von Festkörpern und Dichteänderungen an Festkörpern und Auflösungserscheinungen in Flüssigkeiten bzw. ein Geschwindigkeitsparameter für Oberflächenveränderungen
  • 2.1.9 die Veränderung von Oberflächen insbesondere das Altern von Kunststoffen durch Änderung der Benetzungseigenschaften
  • 2.1.10 die Position bzw. der Abstand von Körpern
• 2.2 damit die Bestimmung der Grenzflächenspannung mit einem Tensiometer-Ring oder Bügel statisch erfolgt vorzüglich dadurch, daß das Kraftmaximum mehrfach erfaßt wird
• 2.3 damit der Kontaktwinkel von Flüssigen an festen Stoffen so bestimmt wird, daß jeweils einer, vorzüglich eine Anzahl von einzelnen Meßwerten je erhalten wird
• 2.4 dazu gehörende Kalibriergeräte, wie Tensiometerringe, Platten und Linsen als Eintauchkörper, Gefäße, Atmosphärenvorrichtungen, Thermostaten, Probenhalter, Adapter und Hilfsmittel als variabler Teil der Anlage zu verstehen sind.

3. Ein Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß

• 3.1 es automatisch bzw. programmgesteuert arbeitet und gekennzeichnet ist dadurch, daß es
  • 3.1.1 besonders die Steuerung und Überwachung von Zuständen und Abläufen durch eine Programmsteuerung bewerkstelligt
  • 3.1.2 die Steuerung des Datenverkehrs zwischen Stell- und Steuervorrichtung und Auswerteeinheit über Nicht-Datenleitungen ermöglicht
• 3.2 es so konstruiert ist, daß es mit einem handelsüblichen Kraftmeßinstrument optimal zusammenwirkt und beispielsweise in, an oder mit einer elektronischen Waage betrieben werden kann.