EP3092473A1 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des kontaktwinkels eines flüssigkörpers mit einer festkörperoberfläche - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des kontaktwinkels eines flüssigkörpers mit einer festkörperoberfläche

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Publication number
EP3092473A1
EP3092473A1 EP15706685.3A EP15706685A EP3092473A1 EP 3092473 A1 EP3092473 A1 EP 3092473A1 EP 15706685 A EP15706685 A EP 15706685A EP 3092473 A1 EP3092473 A1 EP 3092473A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
liquid
rolling
plane
filled
contact angle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15706685.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Huschyar Al-Kaidy
Nils Tippkötter
Roland Ulber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitat Kaiserslautern
Original Assignee
Technische Universitat Kaiserslautern
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Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitat Kaiserslautern filed Critical Technische Universitat Kaiserslautern
Publication of EP3092473A1 publication Critical patent/EP3092473A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
    • G01N13/02—Investigating surface tension of liquids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
    • G01N13/02—Investigating surface tension of liquids
    • G01N2013/0208—Investigating surface tension of liquids by measuring contact angle

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for determining the contact angle between the surface of a liquid or liquid-filled body and the surface of a solid. Furthermore, the invention relates to the use of such a device or method for determining the hydrophobicity of a surface. The invention also relates to the use of such a device or method for the determination, analysis or detection of substances or
  • the contact angle which increases with increasing hydrophobicity of the surface of the solid.
  • the contact angle can be measured with, for example, a contact angle goniometer.
  • the contact angle between liquid and solid thus depends on the interaction between the substances at the contact surface. Hydrophilic
  • the contact angle is dependent on the interaction between the surface of the liquid and the solid, in particular the surface tension of the liquid, the surface energy of the solid and the interfacial energy between liquid and solid.
  • the contact angle provides information about the wettability or hydrophobicity of surfaces. This has, for example, in industrial production, for example in the nano-sealing or vehicle painting, a special
  • a measure of the wetting properties is the free interfacial energy at the interface between a solid and a liquid, at the interface between a liquid and a gas, or at the interface between a liquid and a liquid
  • Solid is defined as a gas.
  • the contact angle between a drop of a sample liquid and the surface of a sample body can be determined, for example, via a contact angle measuring device become.
  • Conventional devices include a camera to image the transition area between the drop and the surface of the sample body from the side. At the point where the drop contour touches the surface of the solid, a
  • Such a contact angle measuring device is described, for example, in EP 0 919 801 A1 or WO 2000 070 324 A2. These methods are particularly suitable for determining the wetting ability of liquids on solids, since the
  • the measuring system has a horizontal and parallel to the surface of the sample body aligned
  • Video camera which images the transition region between the drop and the surface of the specimen in side view. Based on the drop contour is over a
  • Deflection device is provided close to the surface of the sample body in the imaging beam path.
  • Alternative contact angle measuring methods provide, for example, the determination of the surface constellation of an aqueous solution, as described in EP 1 729 109 A1.
  • the contact angle is determined by two cameras, the
  • Device are suitable for determining the contact angle of the
  • Drop radius of curvature by optical distance measurement becomes Object represented according to the reflection property of the surface of a drop on the drop surface.
  • the position of the object to the optical axis of an optical measuring system and the position of the object to a sample surface are known.
  • the symmetry axis of the drop is located near the optical axis.
  • the measurement includes the distance between the image and the optical axis of the image
  • the contact angle is determined by the radius of curvature, which in turn is determined by the measured distance.
  • WO 2000 000 814 A1 describes an apparatus for measuring the contact angle between a drop of liquid and the surface of a sample, in which a high-power LED projects light onto the drop. The reflection is then observed via a mono-ocular and the position is determined at which no light is reflected.
  • WO 2003 073 045 A1 describes an indirect method for measuring the contact angle. The method makes use of the geometric relationship between a known volume of a liquid drop, the contact surface of the liquid drop and the contact angle.
  • Deäk et al. describe a way to determine the contact angle of nanoparticles.
  • the contact angle is determined in situ by the scanning angle reflectometry (SAR) method (A. Deäk, E. Hild, AL Kovacs and Z. Hörvölgyi, Contact angle determination of nanoparticles: film balance and scanning angle reflectometry studies. Physical Chemistry Chemical Physics 2007; 9: 6359-6370).
  • SAR scanning angle reflectometry
  • the camera must be aligned as far as possible to the side of the drop, whereby the optical axis of the camera practically extends over the surface of the preferably horizontally oriented sample body.
  • a tangent must be adapted to the contour of the drop, which leads to inaccurate results in a manual evaluation.
  • devices are known with which it is possible to determine the rolling time of a body on an inclined plane.
  • Such a system is known, for example, in a ski jump, in which sensors along a route make the time recording of the skijumper (see DE 10 2007 0234 41 B4).
  • the rolling track is curved there.
  • a drop of a control liquid is applied to a fiber strand and the geometry of the drop is observed.
  • the fiber strand is first positioned horizontally for this purpose.
  • photographs can also be taken for observation.
  • the fiber strand can also be inclined over an angle range between 5 and 70 °.
  • the droplet runs or rolls downwards at a certain angle on the inclined fiber strand. From the critical angle of unwinding and the
  • Unwinding speed or completeness of unwinding can also be done Derive knowledge about the fiber state. However, the contact angle is not determined by this method.
  • the present device allows the determination of the contact angle of a liquid or liquid-filled body by determining the rolling time along a defined rolling distance between the body and the surface of a solid.
  • the contact angle here refers to the angle that the surface of a liquid drop or the surface of a liquid-filled body on the surface of a
  • Contact angle thus describe the interface between the shell of the capsule and the surface of the solid. For example, properties of a liquid or material properties of the surface of the solid along the rolling path can be determined or analyzed via the contact angle. Furthermore, the contact angle provides information about the content of the body filled with liquid.
  • the body is
  • the shell of the hollow body may be made, for example, of polymers, preferably selected from the group consisting of water-absorbing poly (meth) acrylates, (meth) acrylic acid copolymers, for example ethylene (meth) acrylic acid copolymers, (meth) acrylic acid ester copolymers, maleic acid Copolymers, for example maleic acid-propylene copolymers, polyurethanes, vinyl acetate copolymers, for example an ethylene-vinyl acetate copolymer or vinyl acetate-butyl acrylate copolymers, styrene copolymers, for example butyl acrylate-styrene copolymers, polycarbonates, polyvinyl alcohols or organic materials such as celluloses.
  • the liquid body is a liquid drop of any liquid or a capsule filled with such a liquid.
  • the solid body is preferably a tiltable plane having a surface on which the liquid or liquid-filled body can roll along the rolling path of a rolling track at a given rolling angle.
  • the contact angle here refers to the interface of the liquid drop or the liquid-filled body and the surface of the solid.
  • the device consists of a carrier and an associated, in one
  • the rolling track is integrated in the plane and consists of a hydrophobic surface or is coated with such.
  • the rolling track with PTFE is integrated in the plane and consists of a hydrophobic surface or is coated with such.
  • the surface may be coated or provided with any substrate. Depending on the substrate, different properties of the surface or of the liquid arranged thereon can thereby be determined. In a preferred variant, therefore, the rolling properties of the body filled with liquid are determined on rolling tracks with different surfaces. In such an embodiment, the surface of the solid body along the rolling track is interchangeable. As a result, for example, physical properties of Determine the surface, such as the Abperl or the surface energy.
  • a first sensor for detecting the coasting start time is arranged.
  • the roll-off start time does not necessarily have to be the time of the
  • Start of movement of the liquid drop or filled with liquid body but it denotes a start time at the beginning of the rolling track to determine the rolling time.
  • the plane is moved to a certain angle of inclination until a rolling of the liquid or liquid-filled body along the rolling track is triggered.
  • the first sensor detects the start time as it passes the moving body.
  • the rolling distance is therefore defined by the arrangement of the two sensors, i. It starts at the first upper sensor and ends at the second lower sensor.
  • a time detection device is provided between the two sensors.
  • usual timepieces can be used.
  • the adjustment of the inclination angle of the plane via an angle measuring device whereby the rolling angle can be detected, in which the body comes into motion and the first sensor and the second sensor of the plane to determine the rolling time.
  • the rolling track comprises a semicircular groove for guiding the rolling track.
  • Liquid drop or liquid-filled body e.g., a polymer body filled with liquid.
  • the groove is coated with a hydrophobic surface, such as PTFE.
  • a hydrophobic surface such as PTFE.
  • aqueous solutions preferably superhydrophobic surfaces are used.
  • the body is a reaction capsule filled with medium.
  • the liquid may be, for example, water or a solvent.
  • the reaction capsule preferably comprises a hydrophobic, preferably a superhydrophobic surface of magnetic particles.
  • the reaction capsule comprises a shell of a silane compound, preferably one
  • Fluoro-silane compound or a dextran shell. Further, iron oxide nanoparticles are also useful as the reaction capsule. Inside the reaction capsule is a liquid, for example an aqueous solution, which may contain one or more chemical substances.
  • the method according to the invention is now suitable for determining the presence or the content of a substance in the aqueous solution of the reaction capsule.
  • the individual rolling times of the reaction capsules differ when passing the sensors.
  • unknown proportions of a substance in the aqueous solution can be determined.
  • the reaction capsules can also be used to determine if a reaction has taken place since the reaction products alter the contents of the reaction capsule and thus also their rolling time on the surface of the plane.
  • the carrier comprises a guide rod, via which the plane is height-adjustable by means of a motor.
  • the motor is a stepper motor or other continuously variable
  • the sensors arranged on the plane are preferably light barriers. As soon as the liquid or liquid-filled body (for example the reaction capsule) passes the first light barrier arranged at the upper end, the rolling start time is detected and thus the time measurement is started. At the
  • the plane transverse to the rolling track comprises a locking slide, which preferably has a recess for blocking the groove.
  • the gate valve prevents accidental unrolling of the body.
  • the plane is gradually raised by the drive device until the liquid or liquid-filled body comes into motion and passes the first light barrier.
  • the drive device is stopped and the
  • Time recording started. When passing the second light barrier, the time measurement is stopped.
  • An angle measuring device indicates the roll-off angle, which also corresponds to the angle of inclination of the plane.
  • the size of the contact angle between the liquid drop and the liquid filled body and the solid depends on the interaction between the substances at the contact surface. The lower this
  • the contact angle is correlated with the rolling behavior of the liquid drop or the liquid-filled capsule on the surface.
  • the contact angle with the determined Rolling angle, the rolling time are correlated.
  • the contact angle can be determined by means of the rolling period of a capsule filled with medium by means of a calibration line
  • the respective straight line calibration is used.
  • known interfaces can also be used for the calibration, i. Interfaces and materials whose contact angles have already been determined by alternative methods.
  • the contact angle of a known solid surface e.g.
  • Rubber mat are divided by the contact angle of a specimen.
  • the rolling time of the solid surface is then divided by the rolling time of the specimen.
  • Contact angle can in turn be based on the relative values, as determined by a
  • the device of the invention allows the analysis of different properties of the liquid or liquid-filled body or the surface of the solid.
  • the method according to the invention also makes it possible to determine the hydrophobicity of surfaces, for example the surface of a liquid or liquid-filled body or the surface of the rolling track. In this way, different interactions between the surfaces of the liquid or liquid-filled body and the surface of the rolling track can be determined.
  • the suitable hydrophobicity of surfaces for example the surface of a liquid or liquid-filled body or the surface of the rolling track.
  • the device according to the invention is used to perform a force calculation. For example, the adhesive force between the body filled with liquid and the surface of the solid can be determined.
  • the device according to the invention is easy to install and inexpensive to produce. Due to their size and the low energy requirement, the device can also be used in places where the use of camera measuring devices is not possible (for example, in the open-air area).
  • the compact design also allows easier portable transport to the job site.
  • the mechanical determination of the contact angle also eliminates the need for visual detection or subsequent determination of the contact angle.
  • the device according to the invention and the method are also suitable for determining the composition of a substance in aqueous solutions via the contact angle. This eliminates, for example, time-consuming chromatographic analyzes. Differently composed solutions in the form of a liquid drop or a reaction capsule filled with liquid result in different rolling times along the rolling path defined in the rolling track.
  • the reaction of a chemical or physical reaction can be determined by determining the contact angle by means of the device or the method, since the reaction products have changed in contrast to the starting products and thus also change the composition of the aqueous solution. As a result, it can be determined, for example, whether a chemical or physical conversion of starting materials has taken place.
  • the device according to the invention and the method according to the invention therefore represent a more cost-effective and at the same time easy-to-handle method.
  • the device and the method make it possible to detect the rolling angle, rolling time simultaneously and automatically. In this way, any surfaces or liquids can be analyzed.
  • Another advantage of the device according to the invention is that the examination of the surfaces is very practical, since the spherical test body can be reused without wear and can be easily stored or used.
  • FIG. 4 shows the tiltable plane with rolling track in side view
  • FIG. 5 test results with different reaction capsules.
  • Fig. 6 is a calibration line for the determination of the contact angle
  • Fig. 7 is a comparison of the contact angle measurements on different
  • Fig. 1 the principle of the device according to the invention is shown.
  • This consists of a vertically arranged support 1 and a guide rod 2 attached thereto.
  • a tiltable plane 8 is connected to the support 1 via lateral rails 6, 7.
  • the plane 8 is moved by a motor either up or down, which can be set different inclination angle. This is done via a connecting means 3, which connects the rails 6, 7 with each other.
  • the connecting means comprises
  • Drive unit consists of different coupling elements 3, 19, buffer discs 21, 23 and a spring element 20. The operation takes place via a control panel 15. While the upper end of the plane 8 is held by the carrier 1, the lower end of the plane 8 lies on a pedestal 13 and an associated console 29.
  • a roller conveyor 9 is introduced, in which a round groove 24 is located.
  • the liquid or liquid-filled body is introduced at the upper end of the plane 8 in the groove 24, for example by pipetting, manual application or by means of a dispenser.
  • the slider 5, which is arranged transversely to the rolling track 9 within a groove 4, prevents unintentional rolling of the body.
  • At the upper end of the plane 8 is a first sensor 1 1 and at the lower end of the plane 8, a second sensor 12. Both sensors 1 1, 12 are in the embodiment shown to light barriers.
  • the plane 8 is gradually moved upwards with the applied body (for example a drop of liquid or a reaction capsule) via the drive device until the body starts to move.
  • a time detection triggered by a time detection device 14 which holds the Abrollstartzeit.
  • the body passes the arranged at the end of the roll-off second sensor 12, the roll time on the
  • Time detecting device 14 stopped. At the same time also stops the drive unit, which puts the plane 8 via the connecting means 3 and the guide rod 2 in inclination.
  • the inclination angle of the plane 8 and thus the rolling angle of the liquid or liquid-filled body can be determined.
  • the time recording device and the angle measuring device are integrated in a console 18. Via a display device 17, the rolling time is displayed. The roll-off angle can be read in a further display 16.
  • Fig. 3 the structure of the rolling track 9 and the function of the slider 5 is seen closer.
  • the slider 5 is designed pivotable along an axis 26.
  • In the rolling track 9 is the semicircular groove 24.
  • Fig. 4 the plane 8 is shown from a different perspective.
  • the slide 5, the rolling track 9 and the two sensors 11, 12 can be seen.
  • the plane 8 is held by means of a bracket 29 and is designed to be pivotable thereon.
  • Fig. 5 shows the experimental results obtained with reaction capsules obtained with an aqueous solution of an ethanol-water mixture or water.
  • a reaction capsule having a volume of 10 ⁇ was applied to the plane 8. The highest contact angle is achieved with water. With increasing ethanol concentration (concentrations of 0%, 5%, 10% to 45%), the contact angle of the reaction capsules decreases.
  • the theoretical values are also listed.
  • a steel ball was also used. The experimentally determined values show a linear course.
  • Method and device for determining the hydrophobicity of a surface either the surface of the liquid or liquid-filled body, so the reaction capsule or the drop, or the surface of the rolling track.
  • different materials can be applied to the rolling track, for example, hydrophobic or superhydrophobic surfaces.
  • the method is also useful for the determination, analysis or detection of substances or reaction products in a body filled with fluid. Should the concentration of a
  • Rolling behavior e.g., rolling time
  • Fig. 6 is a calibration line for the determination of the contact angle with reference to
  • Rolling time of a capsule with different ethanol concentrations from 0 to 45% shown as an example.
  • the respective straight line calibration is used.
  • y -76.484x + 96.944.
  • the rolling time is used, so that the contact angle y can be calculated.
  • FIG. 7 shows a comparison of the contact angle measurements on different surfaces.
  • a contact angle measuring device using a water drop was used.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Kontaktwinkels eines flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers. Dieser besteht aus einem Träger (1) und einer damit verbundenen, in einem Winkelbereich von mehr als 0 ° bis maximal 90 ° neigbaren Ebene (8) mit einer darin ausgebildeten Abrollbahn (9) für den flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körper. An der Ebene (8) sind mehrere Sensoren (11,12) zur Erfassung der Rolldauer des Körpers entlang der Rollstrecke angeordnet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Einstellung des Neigungswinkels der Ebene (8) über ein Winkelmessgerät (10) erfolgt, wodurch ein Abrollwinkel erfassbar ist, bei dem der Körper in Bewegung gerät. Aus der Rolldauer, der Rollstrecke und dem Abrollwinkel wird der Kontaktwinkel des Körpers ermittelt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des Kontaktwinkels eines Flüssigkörpers mit einer Festkörperoberfläche
Beschreibung:
Technisches Gebiet:
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Kontaktwinkels zwischen der Oberfläche eines flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers und der Oberfläche eines Festkörpers. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Vorrichtung oder Verfahrens zur Bestimmung der Hydrophobizität einer Oberfläche. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer solchen Vorrichtung oder Verfahrens zur Bestimmung, Analyse oder Nachweis von Substanzen oder
Reaktionsprodukten in einem mit Flüssigkeit gefüllten Körper.
Stand der Technik:
Flüssigkeitstropfen bilden auf hydrophoben Oberflächen eines Feststoffes einen
Kontaktwinkel, der mit zunehmender Hydrophobizität der Oberfläche des Festkörpers zunimmt. Der Kontaktwinkel kann mit zum Beispiel mit einem Kontaktwinkel-Goniometer gemessen werden. Der Kontaktwinkel zwischen Flüssigkeit und Feststoff hängt somit von der Wechselwirkung zwischen den Stoffen an der Berührungsfläche ab. Hydrophile
Oberflächen resultieren in einem geringen Kontaktwinkel zwischen Flüssigkeit und
Festkörper, während superhydrophobe Oberflächen zu großen Kontaktwinkeln führen. Der Kontaktwinkel ist abhängig von der Wechselwirkung zwischen der Oberfläche der Flüssigkeit und des Festkörpers, insbesondere von der Oberflächenspannung der Flüssigkeit, der Oberflächenenergie des Festkörpers und der Grenzflächenenergie zwischen Flüssigkeit und Festkörper. Der Kontaktwinkel gibt Aufschluss über das Benetzungsvermögen oder die Hydrophobizität von Oberflächen. Dies hat beispielsweise bei der industriellen Fertigung, beispielsweise in der Nanoversiegelung oder Fahrzeuglackierung, eine besondere
Bedeutung. Ein Maß für die Benetzungseigenschaften ist die freie Grenzflächenenergie, die an der Grenzfläche zwischen einem Festkörper und einer Flüssigkeit, an der Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas oder an der Grenzfläche zwischen einem
Festkörper einem Gas definiert ist.
Der Kontaktwinkel zwischen einem Tropfen einer Probenflüssigkeit und der Oberfläche eines Probenkörpers kann beispielsweise über eine Kontaktwinkel-Messvorrichtung ermittelt werden. Übliche Vorrichtungen umfassen eine Kamera, um den Übergangsbereich zwischen dem Tropfen und der Oberfläche des Probenkörpers von der Seite abzubilden. An dem Punkt, an dem die Tropfenkontur die Oberfläche des Festkörpers berührt, kann eine
Tangente angelegt werden, wobei die Steigung dieser Tangente den zu bestimmenden Kontaktwinkel liefert. Damit die Messung genau ist, muss die Kamera möglichst auf die Seite des Tropfens justiert werden.
Eine solche Kontaktwinkel-Messvorrichtung ist beispielsweise in der EP 0 919 801 A1 oder der WO 2000 070 324 A2 beschrieben. Diese Methoden sind vor allem geeignet, um das Benetzungsvermögen von Flüssigkeiten auf Festkörpern zu bestimmen, da die
Benetzungseigenschaften der beteiligten Stoffsysteme, beispielsweise beim Beschichten oder Lackieren, den Prozess stark beeinflussen.
Ein ähnliches Messsystem ist auch in der DE 38 08 860 A1 beschrieben. Das Messsystem weist eine horizontal und parallel zu der Oberfläche des Probenkörpers ausgerichtete
Videokamera auf, die den Übergangsbereich zwischen dem Tropfen und der Oberfläche des Probenkörpers in Seitenansicht abbildet. Anhand der Tropfenkontur wird über eine
Berechnungsmethode der Kontakt- oder Randwinkel bestimmt.
Eine weitere Vorrichtung ist auch in der DE 197 54 765 C1 beschrieben, bei der ebenfalls mittels einer Kamera der Übergangsbereich zwischen dem Tropfen und der Oberfläche des Probenkörpers in Seitenansicht abgebildet wird, wobei die optische Achse der Kamera unter einem Winkel zu der Oberfläche des Probenkörpers verläuft und wobei ferner eine
Umlenkeinrichtung nahe an der Oberfläche des Probenkörpers im Abbildungsstrahlengang vorgesehen ist.
Alternative Kontaktwinkel-Messverfahren sehen beispielsweise die Bestimmung der Oberflächenkonstellation einer wässrigen Lösung vor, wie in der EP 1 729 109 A1 beschrieben. Der Kontaktwinkel wird hierbei über zwei Kameras bestimmt, die
Seitenansichten eines Tropfens aufnehmen. Der Kontaktwinkel wird dann durch das Anlegen einer Ellipse an der Kontur des Tropfens und der Berechnung der Tangenten an den Schnittpunkten zwischen Ellipse und der Grundlinie berechnet. Auch hier ist jedoch ein optisches Kamerasystem für die Durchführung notwendig. Ein anderer Weg wird in der EP 2 093 557 A2 beschrieben. Das Verfahren und die
Vorrichtung eignen sich zur Bestimmung des Kontaktwinkels aus dem
Tropfenkrümmungsradius durch optische Distanzmessung. Bei dem Verfahren wird ein Objekt entsprechend der Reflexionseigenschaft der Oberfläche eines Tropfens an der Tropfenoberfläche abgebildet. Dabei sind die Lage des Objekts zu der optischen Achse eines optischen Messsystems und die Lage des Objekts zu einer Probenoberfläche bekannt. Die Symmetrieachse des Tropfens ist in der Nähe der optischen Achse angeordnet. Die Messung umfasst die Distanz zwischen der Abbildung und der optischen Achse des
Tropfens. Der Kontaktwinkel wird über den Krümmungsradius bestimmt, der wiederum über die gemessene Distanz ermittelt wird.
In der WO 2000 000 814 A1 wird ein Apparat zur Messung des Kontaktwinkels zwischen einem Tropfen Flüssigkeit und der Oberfläche einer Probe beschrieben, bei dem eine Hochleistungs-LED Licht auf den Tropfen projiziert. Über ein Monookular wird dann die Reflektion beobachtet und die Position ermittelt, bei der kein Licht reflektiert wird.
In der WO 2003 073 045 A1 wird eine indirekte Methode zur Messung des Kontaktwinkels beschrieben. Das Verfahren macht sich den geometrischen Zusammenhang zwischen einem bekannten Volumen eines Flüssigkeitstropfens, der Auflagefläche des Flüssigkeitstropfens und dem Kontaktwinkel zunutze.
Deäk et al. beschreiben einen Weg zur Bestimmung des Kontaktwinkels von Nanopartikeln. Bei dem beschriebenen Verfahren wird der Kontaktwinkel in situ durch das SAR-Verfahren (Scanning Angle Reflectrometry) bestimmt (A. Deäk, E. Hild, A. L. Kovacs and Z. Hörvölgyi. Contact angle determination of nanoparticles: film balance and scanning angle reflectometry studies. Physical Chemistry Chemical Physics 2007; 9: 6359-6370). Wu et al. berichten über einen Ansatz zur Messung des lokalen Kontaktwinkels von
Flüssigkeiten auf einer Oberfläche aus hydrophoben und hydrophilen Patch-Anordnungen, bei dem die konfokale Mikroskopie und eine sehr geringe Konzentration von Rhodamin-B eingesetzt wird. Bei der gewählten Rhodamin-B-Konzentration (2 x 10"7 mol/L) aggregierte dieses an der Grenzfläche, wodurch die flüssige und feste Grenzfläche und die hydrophoben und hydrophilen Flecken (Patches) durch ihre entsprechenden Fluoreszenzintensitäten unterschieden werden (J. Wu, M. Zhang, X. Wang, S. Li, W. Wen. A Simple Approach for Local Contact Angle Determination on a Heterogeneous Surface. Langmuir 201 1 ; 27: 5705- 5708). Chibowski und Holysz haben untersucht, ob eine Kontaktwinkelbestimmung nach Young über die Washburn-Gleichung bestimmt werden kann. Sie haben herausgefunden, dass eine Berechnung des Kontaktwinkels mit der Washburn-Gleichung nicht dem Kontaktwinkel eines Tropfens von Young mit der gleichen Flüssigkeit auf der flachen Oberfläche eines
Feststoffes entspricht (E. I Chibowski and L. Holysz. On the use of Washburn's equation for contact angle determination. Journal of Adhesion Science and Technology 1997, 1 1 :10, 1289-1301 ).
Crick und Parkin haben eine weitere visuelle Methode zur Charakterisierung einer superhydrophoben Oberfläche entwickelt, die auf Hochgeschwindigkeitskamerasystemen basiert. Durch den Sprung eines wässrigen Tropfens (8 μΙ_) von eine bestimmten Höhe (20 mm) treffen kann. Dabei korreliert die Anzahl der Sprünge mit dem statischen Kontaktwinkel bei einer superhydrophoben Oberfläche (Crick and Parkin. Hüpfende Wassertropfen definieren den hydrophoben Charakter. Zeitschrift der Gesellschaft Deutscher Chemiker. 2012, 60:8).
Solche auf eine Kamera basierenden Kontaktwinkel-Messvorrichtungen sind jedoch nicht für jeden Anwendungszweck geeignet, teuer in der Anschaffung und kompliziert in der
Handhabung. So muss für eine genaue Messung die Kamera möglichst seitlich des Tropfens ausgerichtet sein, wodurch die optische Achse der Kamera praktisch über die Oberfläche des vorzugsweise horizontal ausgerichteten Probenkörpers verläuft. Hinzu kommt, dass eine Tangente an die Kontur des Tropfens angepasst werden muss, was bei einer manuellen Auswertung zu ungenauen Ergebnissen führt.
Daneben sind Vorrichtungen bekannt, mit denen es möglich ist, die Rolldauer eines Körpers auf einer schiefen Ebene zu ermitteln. Ein solches System ist beispielsweise bei einer Skischanze bekannt, bei der Sensoren entlang einer Fahrstrecke die Zeiterfassung des Skispringers vornehmen (vgl. DE 10 2007 0234 41 B4). Allerdings ist dort die Rollstrecke gekrümmt.
Daneben gibt es auch Verfahren zur Analyse der Tropfengeometrie, beispielsweise um den Zustand keratinischer Fasern zu bestimmen. Hierzu wird in der DE 10 2010 003 495 A1 auf einer Fasersträhne ein Tropfen einer Kontrollflüssigkeit aufgebracht und die Geometrie des Tropfens beobachtet. Vorzugsweise wird die Fasersträhne hierzu zunächst horizontal positioniert. Zur Beobachtung können beispielsweise auch Fotografien angefertigt werden. Die Fasersträhne kann zudem über einen Winkelbereich zwischen 5 und 70° geneigt werden. In Abhängigkeit von der Faserart, dem Zustand der Fasern, der Tropfengröße und der Art der Kontrollflüssigkeit rinnt oder rollt der Tropfen bei einem bestimmten Winkel an der schrägen Fasersträhne abwärts. Aus dem Grenzwinkel des Abrollens und der
Abrollgeschwindigkeit oder der Vollständigkeit des Abrollens lassen sich ebenfalls Erkenntnisse über den Faserzustand ableiten. Der Kontaktwinkel wird allerdings über dieses Verfahren nicht ermittelt.
Daneben gibt es Verfahren und Vorrichtungen zum Prüfen von Oberflächeneigenschaften, bei denen auf einer zu prüfenden Oberfläche ein Tropfen Flüssigkeit aufgebracht wird.
Anschließend wird die Oberfläche um eine horizontale Achse verschwenkt und der Winkel gemessen, bei dem der Tropfen abperlt. Allerdings erfolgt bei diesem Verfahren keine Zeiterfassung, sondern es geht lediglich darum zu prüfen, bei welchem Anstellwinkel ein Abperlen des Tropfens auf der Oberfläche beobachtet wird. Diese Analyse erfolgt rein qualitativ, beispielsweise um unterschiedliche Oberflächen zu prüfen. Daneben sind auch allgemeine Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften von Flüssigkeiten bekannt, wie sie beispielsweise in dem US-Patent 5,792,941 B beschrieben sind.
Darstellung der Erfindung:
Ausgehend von der DE 102 01 234 A1 ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative, vereinfachte Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des Kontaktwinkels zwischen der Oberfläche eines flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers und der Oberfläche eines Festkörpers zu bestimmen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 1.
Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen wieder.
Die vorliegende Vorrichtung ermöglicht die Bestimmung des Kontaktwinkels eines flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers durch Bestimmung der Rolldauer entlang einer definierten Rollstrecke zwischen dem Körper und der Oberfläche eines Festkörpers. Der Kontaktwinkel bezeichnet hierbei den Winkel, den die Oberfläche eines Flüssigkeitstropfens oder die Oberfläche eines mit Flüssigkeit gefüllten Körpers auf der Oberfläche eines
Feststoffs zu dieser Oberfläche bildet. Im Falle einer Reaktionskapsel würde der
Kontaktwinkel somit die Grenzfläche zwischen der Hülle der Kapsel und der Oberfläche des Festkörpers beschreiben. Über den Kontaktwinkel lassen sich beispielsweise Eigenschaften einer Flüssigkeit oder Materialeigenschaften der Oberfläche des Festkörpers entlang der Rollstrecke ermitteln oder analysieren. Ferner ermöglicht der Kontaktwinkel Aufschluss über den Inhalt des mit Flüssigkeit gefüllten Körpers. Bei dem Körper handelt es sich
vorzugsweise um einen Hohlkörper oder eine Kapsel mit einer äußeren, geschlossenen Hülle, die ein Lumen umschließt, ähnlich einem Ballon. Die Hülle des Hohlkörpers kann beispielsweise aus Polymeren hergestellt sein, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus wasserabsorbierenden Poly(meth)acrylaten, (Meth)Acrylsäure-Copolymeren, beispielsweise Ethylen-(Meth)Acrylsäure-Copolymeren, (Meth)Acrylsäureester- Copolymeren, Maleinsäure-Copolymeren, beispielsweise Maleinsäure-Propylen- Copolymeren, Polyurethanen, Vinylacetat-Copolymeren, beispielsweise ein Ethylen- Vinylacetat-Copolymeren oder Vinylacetat-Butylacrylat-Copolymeren, Styrol-Copolymeren, beispielsweise Butylacrylat-Styrol-Copolymeren, Polycarbonaten, Polyvinylalkoholen oder organischen Materialien wie Cellulosen. Vorzugsweise handelt sich bei dem flüssigen Körper um einen Flüssigkeitstropfen einer beliebigen Flüssigkeit oder einen mit einer solchen Flüssigkeit gefüllten Kapsel. Im Falle eines Hohlkörpers oder einer Kapsel ist der
Kontaktwinkel neben der Flüssigkeit natürlich auch von den Eigenschaften der
umschließenden, geschlossenen Hülle abhängig. Dennoch lassen sich physikalische Eigenschaften verschiedener Flüssigkeiten mit solchen mit diesen gefüllten Kapseln über das Abrollverhalten ermitteln, wie zum Beispiel das Abperlverhalten.
Bei dem Festkörper handelt es sich vorzugsweise um eine neigbare Ebene mit einer Oberfläche, auf der der flüssige oder mit Flüssigkeit gefüllte Körper bei einem bestimmten Abrollwinkel entlang der Rollstrecke einer Abrollbahn abrollen kann. Der Kontaktwinkel bezieht sich hierbei auf die Grenzfläche des Flüssigkeitstropfens oder des mit Flüssigkeit gefüllten Körpers und der Oberfläche des Festkörpers.
Die Vorrichtung besteht aus einem Träger und einer damit verbundenen, in einem
Winkelbereich von mehr als 0° bis maximal 90°, vorzugsweise zwischen 10° und 80°, bevorzugter zwischen 10° und 60°, neigbaren Ebene mit einer darin ausgebildeten
Abrollbahn für den flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körper. Vorzugsweise ist die Abrollbahn in der Ebene integriert und besteht aus einer hydrophoben Oberfläche oder ist mit einer solchen beschichtet. Vorzugsweise ist die Abrollbahn mit PTFE
(Polytetrafluorethylen) oder einem sonstigen unverzweigten, linearen Polymer beschichtet. Für die Prüfung von Materialeigenschaften kann die Oberfläche allerdings mit einem beliebigen Substrat beschichtet oder versehen sein. Je nach Substrat können sich dadurch unterschiedliche Eigenschaften der Oberfläche oder der darauf angeordneten Flüssigkeit ermitteln. In einer bevorzugten Variante werden deshalb die Abrolleigenschaften des mit Flüssigkeit gefüllten Körpers auf Abrollbahnen mit unterschiedlichen Oberflächen ermittelt. In einer solchen Ausführungsform ist die Oberfläche des Festkörpers entlang der Abrollbahn auswechselbar. Dadurch lassen sich beispielsweise physikalische Eigenschaften der Oberfläche ermitteln, wie z.B. das Abperlverhalten oder die Oberflächenenergie.
An einem oberen Ende der Ebene ist ein erster Sensor zur Erfassung der Abrollstartzeit angeordnet. Die Abrollstartzeit muss nicht notwendigerweise der Zeitpunkt des
Bewegungsbeginns des Flüssigkeitstropfens oder des mit Flüssigkeit gefüllten Körpers sein, sondern sie bezeichnet eine Startzeit am Anfang der Rollstrecke zur Bestimmung der Rolldauer. Die Ebene wird bis zu einem bestimmten Neigungswinkel bewegt, bis ein Abrollen des flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers entlang der Abrollbahn ausgelöst wird. Der erste Sensor erfasst beim Passieren des sich bewegenden Körpers die Startzeit.
Entlang einer definierten Rollstrecke befindet sich am unteren Ende der Ebene ein weiterer Sensor zur Erfassung der Abrollendzeit des Körpers. Die Rollstrecke ist daher durch die Anordnung der beiden Sensoren definiert, d.h. sie beginnt beim ersten oberen Sensor und endet beim zweiten unteren Sensor. Zur Erfassung der Rolldauer des Körpers entlang der Rollstrecke ist zwischen den beiden Sensoren eine Zeiterfassungseinrichtung vorgesehen. Hierbei können übliche Zeitmesser zum Einsatz kommen. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Einstellung des Neigungswinkels der Ebene über ein Winkelmessgerät erfolgt, wodurch der Abrollwinkel erfassbar ist, bei dem der Körper in Bewegung gerät und den ersten Sensor und den zweiten Sensor der Ebene zur Ermittlung der Rolldauer passiert. Vorzugsweise umfasst die Abrollbahn eine halbrundförmige Nut zur Führung des
Flüssigkeitstropfens oder des mit Flüssigkeit gefüllten Körpers (z.B. einem mit Flüssigkeit gefüllten Polymerkörper). Vorzugsweise ist die Nut mit einer hydrophoben Oberfläche, beispielsweise PTFE, beschichtet. Bei wässrigen Lösungen kommen vorzugsweise superhydrophobe Oberflächen zum Einsatz.
Bei dem Körper handelt es sich in einer weiteren Variante der Erfindung um eine mit Medium gefüllte Reaktionskapsel. Bei der Flüssigkeit kann es sich beispielsweise um Wasser oder ein Lösungsmittel handeln. Die Reaktionskapsel umfasst vorzugsweise eine hydrophobe, vorzugsweise eine superhydrophobe Oberfläche aus magnetischen Partikeln. Vorzugsweise umfasst die Reaktionskapsel eine Hülle aus einer Silanverbindung, vorzugsweise einer
Fluor-Silan-Verbindung, oder eine Dextranhülle. Ferner sind auch Eisenoxidnanopartikel als Reaktionskapsel verwendbar. Im Inneren der Reaktionskapsel befindet sich eine Flüssigkeit, beispielsweise eine wässrige Lösung, die eine oder mehrere chemische Substanzen enthalten kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nun zur Bestimmung des Vorhandenseins oder des Gehalts einer Substanz in der wässrigen Lösung der Reaktionskapsel. Je nach Art und Konzentration der in der wässrigen Lösung enthaltenen Substanz unterscheiden sich die einzelnen Rolldauern der Reaktionskapseln beim Passieren der Sensoren. Dadurch können unbekannte Anteile einer Substanz in der wässrigen Lösung bestimmt werden. Neben dem Nachweis von Substanzen können die Reaktionskapseln auch verwendet werden, um festzustellen, ob eine Reaktion stattgefunden hat, da die Reaktionsprodukte den Inhalt der Reaktionskapsel und damit auch deren Rolldauer auf der Oberfläche der Ebene verändern.
Zur Einstellung des Neigungswinkels der Ebene umfasst der Träger eine Führungsstange, über welche die Ebene mittels eines Motors höhenverstellbar ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Motor um einen Schrittmotor oder eine sonstige stufenlos regelbare
Antriebseinrichtung. Bei den an der Ebene angeordneten Sensoren handelt es sich vorzugsweise um Lichtschranken. Sobald der flüssige oder mit Flüssigkeit gefüllte Körper (zum Beispiel die Reaktionskapsel) die am oberen Ende angeordnete erste Lichtschranke passiert, wird die Abrollstartzeit erfasst und damit die Zeitmessung begonnen. Beim
Passieren des am unteren Ende der Ebene angeordneten Sensors (Lichtschranke) wird die Zeitmessung gestoppt. Neben Lichtschranken können auch Kontaktsensoren als Sensoren im Sinne der Erfindung eingesetzt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ebene quer zur Abrollbahn einen Sperrschieber, der vorzugsweise eine Vertiefung zur Absperrung der Nut aufweist. Der Sperrschieber verhindert ein unbeabsichtigtes Abrollen des Körpers.
Erfindungsgemäß wird die Ebene durch die Antriebseinrichtung graduell angehoben, bis der flüssige oder mit Flüssigkeit gefüllte Körper in Bewegung kommt und die erste Lichtschranke passiert. Über eine Steuereinrichtung wird die Antriebseinrichtung gestoppt und die
Zeiterfassung gestartet. Beim Passieren der zweiten Lichtschranke wird die Zeitmessung gestoppt. Ein Winkelmessgerät gibt den Abrollwinkel an, der zugleich dem Neigungswinkel der Ebene entspricht. Die Größe des Kontaktwinkels zwischen dem Flüssigkeitstropfen bzw. des mit Flüssigkeit gefüllten Körpers und dem Feststoff (d.h. der Oberfläche der Rollstrecke) hängt ab von der Wechselwirkung zwischen den Stoffen an der Berührungsfläche. Je geringer diese
Wechselwirkung ist, desto größer wird der Kontaktwinkel. Aus der Bestimmung der
Kontaktwinkel können bestimmte Eigenschaften der Oberfläche eines Feststoffs bestimmt werden, z.B. die Oberflächenenergie. Erfindungsgemäß wird der Kontaktwinkel mit dem Abrollverhalten des Flüssigkeitstropfens bzw. der mit Flüssigkeit gefüllten Kapsel auf der Oberfläche korreliert. Dabei kann über eine Testreihe der Kontaktwinkel mit dem ermittelten Abrollwinkel, der Rolldauer korreliert werden. Beispielsweise kann über eine Kalibriergerade der Kontaktwinkel anhand der Rolldauer einer mit Medium gefüllten Kapsel mit
unterschiedlichen Medienkonzentrationen ermittelt werden. Um den Kontaktwinkel einer Flüssigkeit zu bestimmen, wird die jeweilige Geradengeleichung verwendet. Ferner können auch bekannte Grenzflächen für die Kalibrierung herangezogen werden, d.h. Grenzflächen und Materialien deren Kontaktwinkel bereits durch Alternativmethoden ermittelt wurden. Als Alternativmethode kann der Kontaktwinkel einer bekannten Festkörperoberfläche (Z.B.
Gummimatte) durch den Kontaktwinkel eines Prüfkörpers dividiert werden. Die Rolldauer der Festkörperoberfläche wird sodann mit der Rolldauer des Prüfkörpers dividiert. Der
Kontaktwinkel lässt sich wiederum anhand der relativen Werte, wie sie anhand einer
Kalibriergeraden über eine Multiplikation mit den Kontaktwinkeln des flüssigen Körpers erhalten werden, ermitteln. Einmal kalibriert, ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung die Analyse von unterschiedlichen Eigenschaften des flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers oder der Oberfläche des Festkörpers.
Sehr kleine Kontaktwinkel um 0° (wie z.B. bei Wasser als Flüssigkeit) treten bei hydrophilen Oberflächen auf, Winkel um 90° treten bei hydrophoben und noch größere Winkel treten bei superhydrophoben Oberflächen auf. Die Oberflächen bei sehr großen Winkeln (> 120°) neigen zu einer extrem geringen Benetzbarkeit. Durch Oberflächenbehandlung kann der Kontaktwinkel verändert werden, was über die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. dem Verfahren ermittelbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ferner die Bestimmung der Hydrophobizität von Oberflächen, beispielsweise der Oberfläche eines flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers oder der Oberfläche der Abrollbahn. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen den Oberflächen des flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers sowie der Oberfläche der Abrollbahn bestimmen. Somit eignet sich die
erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren zur Bestimmung der Hydrophobizität von Flüssigkeiten und von Festkörpern sowie zum Testen unterschiedlicher Oberflächen bzw. Oberflächenbeschichtungen am Festkörper. Die Ermittlung des Kontaktwinkels ermöglicht das Testen unterschiedlicher Materialien auf der Oberfläche der Abrollbahn und es lassen sich unterschiedliche Rückschlüsse bezüglich der Materialeigenschaften des eigensetzten Materials ziehen. Vorzugsweise ist daher die Abrollbahn mit verschiedenen Materialien auswechselbar. In einer bevorzugten Ausführungsführungsform wird die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet, um eine Kraftberechnung durchzuführen. Beispielsweise lässt sich die Haftkraft zwischen dem mit Flüssigkeit gefüllten Körper und der Oberfläche des Festkörpers ermitteln. Im Gegensatz zu Kamerasystemen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung leicht installierbar und kostengünstig herstellbar. Aufgrund ihrer Größe und des niedrigen Energiebedarfs kann die Vorrichtung auch an Orten eingesetzt werden, bei denen der Einsatz von Kamera- Messeinrichtungen nicht möglich ist (beispielsweise im Freigelände). Der kompakte Aufbau ermöglicht ferner einen erleichterten portablen Transport zur Einsatzstelle. Durch die mechanische Bestimmung des Kontaktwinkels erübrigt sich zudem eine visuelle Erfassung oder anschließende Bestimmung des Kontaktwinkels.
In verschiedenen Versuchsbeispielen haben die Erfinder gezeigt, dass sich die
erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren auch dafür eignen, die Zusammensetzung einer Substanz in wässrigen Lösungen über den Kontaktwinkel zu bestimmen. Dadurch erübrigen sich beispielsweise aufwändige chromatographische Analysen. Unterschiedlich zusammengesetzte Lösungen in Form eines Flüssigkeitstropfens oder einer mit Flüssigkeit gefüllten Reaktionskapsel resultieren in unterschiedliche Rollzeiten entlang der in der Abrollbahn festgelegten Rollstrecke. Auch die Umsetzung einer chemischen oder physikalischen Reaktion kann durch Bestimmung des Kontaktwinkels mittels der Vorrichtung oder des Verfahrens bestimmt werden, da sich die Reaktionsprodukte im Gegensatz zu den Ausgangsprodukten verändert haben und somit auch die Zusammensetzung der wässrigen Lösung verändern. Dadurch kann beispielsweise festgestellt werden, ob eine chemische oder physikalische Umsetzung von Ausgangsstoffen stattgefunden hat. Damit stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu den bekannten visuellen Verfahren (zum Beispiel Kamerasysteme) eine kostengünstigere und zugleich leicht handhabbare Methode dar. Über die Vorrichtung und das Verfahren lassen sich Abrollwinkel, Abrolldauer gleichzeitig und automatisch erfassen. Auf diese Weise lassen sich beliebige Oberflächen oder Flüssigkeiten analysieren. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass die Prüfung der Oberflächen sehr praktikabel ist, da der kugelförmige Prüfkörper verschleißfrei wiederverwendet und einfach gelagert bzw. eingesetzt werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Die Erfindung wird in den nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 den Grundaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung und das Prinzip des Verfahrens,
Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 3 die Ebene von der Stirnseite,
Fig. 4 die neigbare Ebene mit Abrollbahn in Seitenansicht, Fig. 5 Versuchsergebnisse mit verschiedenen Reaktionskapseln.
Fig. 6 eine Kalibriergerade für die Bestimmung des Kontaktwinkels
Fig. 7 eine Gegenüberstellung der Kontaktwinkelmessungen auf unterschiedlichen
Oberflächen
Wege zur Ausführung der Erfindung und gewerbliche Verwertbarkeit:
In Fig. 1 ist das Prinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Diese besteht aus einem vertikal angeordneten Träger 1 und einer daran befestigten Führungsstange 2. Eine neigbare Ebene 8 ist mit dem Träger 1 über seitliche Schienen 6, 7 verbunden. Die Ebene 8 wird über einen Motor entweder nach oben oder nach unten bewegt, wodurch sich unterschiedliche Neigungswinkel einstellen lassen. Dies erfolgt über ein Verbindungsmittel 3, welche die Schienen 6, 7 miteinander verbindet. Das Verbindungsmittel umfasst
vorzugsweise Gleitmittel, die in die Schienen 6, 7 gleiten und für verschiedene
Winkeleinstellungen über die Gewindestange 2 zum Motor sorgen. Die gezeigte
Antriebseinheit besteht aus unterschiedlichen Kupplungselementen 3, 19, Pufferscheiben 21 , 23 und einem Federelement 20. Die Bedienung erfolgt über ein Bedienteil 15. Während das obere Ende der Ebene 8 von dem Träger 1 gehalten wird, liegt das untere Ende der Ebene 8 auf einem Sockel 13 und einer damit verbundenen Konsole 29 auf.
In der Ebene 8 ist eine Abrollbahn 9 eingebracht, in der sich eine rundförmige Nut 24 befindet. Der flüssige oder mit Flüssigkeit gefüllte Körper wird am oberen Ende der Ebene 8 in die Nut 24 eingebracht, beispielsweise durch Pipettieren, manuelles Auftragen oder mit Hilfe einer Abgabeeinrichtung. Der Schieber 5, der quer zur Abrollbahn 9 innerhalb einer Furche 4 angeordnet ist, verhindert ein unbeabsichtigtes Abrollen des Körpers. Am oberen Ende der Ebene 8 befindet sich ein erster Sensor 1 1 und am unteren Ende der Ebene 8 ein zweiter Sensor 12. Bei beiden Sensoren 1 1 , 12 handelt es sich in der gezeigten Ausführungsform um Lichtschranken. Die Ebene 8 wird mit dem beaufschlagten Körper (zum Beispiel einem Flüssigkeitstropfen oder einer Reaktionskapsel) über die Antriebseinrichtung graduell nach oben bewegt, bis der Körper in Bewegung gerät. Beim Passieren des ersten Sensors 1 1 wird eine Zeiterfassung über eine Zeiterfassungseinrichtung 14 ausgelöst, welche die Abrollstartzeit festhält. Wenn der Körper den am Ende der Abrollstrecke angeordneten zweiten Sensor 12 passiert, wird die Rollzeit über die
Zeiterfassungseinrichtung 14 gestoppt. Gleichzeitig stoppt auch die Antriebseinheit, der die Ebene 8 über das Verbindungsmittel 3 und die Führungsstange 2 in Neigung versetzt.
Anhand eines Winkelmessgerätes 10 lässt sich der Neigungswinkel der Ebene 8 und damit der Abrollwinkel des flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers bestimmen.
In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt. Hier sind die Zeiterfassungseinrichtung und das Winkelmessgerät in einer Konsole 18 integriert. Über eine Anzeigevorrichtung 17 wird die Rolldauer angezeigt. Der Abrollwinkel ist in einer weiteren Anzeige 16 ablesbar.
In Fig. 3 ist der Aufbau der Abrollbahn 9 und die Funktion des Schiebers 5 näher zu sehen. Der Schieber 5 ist entlang einer Achse 26 schwenkbar ausgestaltet. In der Abrollbahn 9 befindet sich die halbrundförmige Nut 24. An einem Schenkel des Schiebers 5 ist an der Unterseite eine Nase 25 ausgebildet, die in die Nut 24 der Abrollbahn 9 der Ebene 8 greift.
In Fig. 4 ist die Ebene 8 von einer anderen Perspektive gezeigt. Zu sehen ist der Schieber 5, die Abrollbahn 9 und die beiden Sensoren 1 1 , 12. Die Ebene 8 wird mittels einer Konsole 29 gehalten und ist an dieser schwenkbar ausgeführt.
Fig. 5 zeigt die Versuchsergebnisse, die mit Reaktionskapseln erzielt wurden, die mit einer wässrigen Lösung aus einer Ethanol-Wasser-Mischung bzw. Wasser erzielt wurden. In Fig. 5A wurde eine Reaktionskapsel mit einem Volumen von 10 μί auf die Ebene 8 aufgetragen. Der höchste Kontaktwinkel wird mit Wasser erzielt. Mit zunehmender Ethanolkonzentration (Konzentrationen in Höhe von 0 %, 5 %, 10 % bis 45 %) verringert sich der Kontaktwinkel der Reaktionskapseln. Neben den experimentellen Werten sind auch die theoretischen Werte aufgeführt. Als Vergleich wurde zudem eine Stahlkugel eingesetzt. Die experimentell ermittelten Werte zeigen einen linearen Verlauf.
In Fig. 5B ist die Rolldauer von Reaktionskapseln mit einem Volumen von 10 μί in
Abhängigkeit der Ethanolkonzentration gezeigt. Mit steigender Ethanolkonzentration nimmt die Rolldauer der Reaktionskapseln zu. Dadurch eignen sich das erfindungsgemäße
Verfahren und die Vorrichtung zur Bestimmung der Hydrophobizität einer Oberfläche, entweder der Oberfläche des flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers, also der Reaktionskapsel oder des Tropfens, oder der Oberfläche der Abrollbahn. Experimentell lassen sich unterschiedliche Materialien auf die Abrollbahn anbringen, beispielsweise hydrophobe oder superhydrophobe Oberflächen. Das Verfahren eignet sich ferner zur Bestimmung, Analyse oder Nachweis von Substanzen oder Reaktionsprodukten in einem mit Flüssigkeit gefüllten Körper. Sollte bei einer Reaktion die Konzentration eines
Reaktionsproduktes zunehmen oder abnehmen, so würde sich dies anhand des
Rollverhaltens (z.B. Rolldauer) der Reaktionskapsel zeigen.
In Fig. 6 ist eine Kalibriergerade für die Bestimmung des Kontaktwinkels anhand der
Rolldauer einer Kapsel mit unterschiedlichen Ethanolkonzentrationen von 0 bis 45 % als Beispiel gezeigt. Um den Kontaktwinkel einer Flüssigkeit zu bestimmen, wird die jeweilige Geradengeleichung verwendet. Im gezeigten Beispiel ist y= -76,484x + 96,944. Für x wird die Rolldauer eingesetzt, so dass der Kontaktwinkel y berechnet werden kann.
In Fig. 7 ist eine Gegenüberstellung der Kontaktwinkelmessungen auf unterschiedlichen Oberflächen gezeigt. Als Vergleich wurde ein Kontaktwinkelmessgerät verwendet, bei dem ein Wassertropfen verwendet wurde. Die erfindungsgemäße Vorrichtung (= STEG) wurde mit einem einfachen festen Prüfkörper (Kugel) bestückt. Da sich die Messeinheiten der beiden Systeme grundlegend unterscheiden, wurden die Ergebnisse anhand der jeweiligen
Kontaktwinkel bzw. Rollzeiten auf einer Teflonoberfläche normiert (d.h. auf den Wert 1 ). Des Weiteren wurde der ermittelte Kontaktwinkel von der Gummimatte durch den Kontaktwinkel vom Teflon dividiert. Die Rolldauer von der Gummimatte wurde dementsprechend mit der Rolldauer der Teflonfolie dividiert. Um wieder auf den Kontaktwinkel zu schließen, werden die relativen Werte aus der Figur 6 mit dem Kontaktwinkel Wasser auf Teflon (106,5°) multipliziert. Es ist zu erkennen, dass beide Verfahren gemäß Fig. 6 und Fig. 7 die unterschiedlichen
Oberflächen mit sehr hoher Genauigkeit wiedergegeben. Die jeweiligen Balkenpaare sind in erster Näherung gleich hoch.

Claims

Patentansprüche:
Vorrichtung zur Bestimmung des Kontaktwinkels eines flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers und einer Oberfläche eines Festkörpers, bestehend aus einem Träger (1 ) und einer damit verbundenen in einem Winkelbereich von mehr als 0° bis maximal 90° neigbaren Ebene (8) mit einer darin ausgebildeten Abrollbahn (9) für den flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körper, wobei an einem oberen Ende der Ebene (8) ein erster Sensor (1 1 ) zur Erfassung der Abrollstartzeit und an einem entlang einer definierten Rollstrecke unterem Ende der Ebene (8) ein weiterer Sensor (12) zur Erfassung der Abrollendzeit des Körpers angeordnet ist, wobei zur Erfassung der Rolldauer des Körpers entlang der Rollstrecke zwischen den beiden Sensoren (1 1 , 12) eine Zeiterfassungseinrichtung (14) vorgesehen ist, dadurch
gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel der Ebene (8) über ein Winkelmessgerät (10) einstellbar ist, wodurch ein Abrollwinkel erfassbar ist, bei dem der Körper in Bewegung gerät und den ersten Sensor (1 1 ) und den zweiten Sensor (12) der Ebene
(8) zur Ermittlung der Rolldauer passiert, wobei aus der gemessenen Rolldauer, der Rollstrecke und/oder dem Abrollwinkel des flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers der Kontaktwinkel des Körpers zwischen der Oberfläche des Körpers und der Oberfläche des Festkörpers ermittelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abrollbahn (9) aus einer hydrophoben Oberfläche besteht oder mit einer solchen beschichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrollbahn
(9) eine halbrundförmige Nut (24) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körper um einen Flüssigkeitstropfen oder eine mit einem Medium gefüllte Reaktionskapsel handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskapsel aus einer Silanhülle, einer Dextranhülle oder einer Polymerhülle besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskapsel eine superhydrophobe Oberfläche aus magnetischen Partikeln umfasst.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1 ) eine Führungsstange (2) umfasst, über welche die Ebene (8) mittels einer Antriebseinheit in einem Winkelbereich zwischen 0° und 90° neigbar ist. 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Sensoren (1 1 , 12) um Lichtschranken oder Kontaktsensoren handelt.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass quer zur Abrollbahn (9) der Ebene (8) ein Schieber (5) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Abrollbahn (9) auswechselbar ist. 1 1 . Verfahren zur Bestimmung des Kontaktwinkels zwischen der Oberfläche eines
flüssigen oder mit einer Flüssigkeit gefüllten Körpers und der Oberfläche eines Festkörpers, bei dem der flüssige oder mit der Flüssigkeit gefüllte Körper auf eine schiefe Ebene aufgetragen wird, der Neigungswinkel der schiefen Ebene
anschließend verändert wird, bis ein Abrollwinkel des Körpers erreicht wird, bei dem der flüssige oder mit Flüssigkeit gefüllte Körper in Bewegung gerät und entlang einer
Abrollbahn einen ersten Sensor passiert, durch den die Abrollstartzeit ausgelöst wird, bis zu einem weiteren Sensor, über den die Abrollendzeit erfasst wird, wobei aus der Rolldauer, der Rollstrecke und/oder dem Abrollwinkel der Kontaktwinkel des Körpers zwischen der Oberfläche des Körpers und der Oberfläche des Festkörpers ermittelt wird.
12. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 10 oder eines
Verfahrens gemäß Anspruch 1 1 zur Bestimmung von physikalischen Eigenschaften der Oberfläche des Festkörpers oder des flüssigen oder mit einer Flüssigkeit gefüllten Körpers.
13. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktwinkel zwischen der Oberfläche des flüssigen oder mit einer Flüssigkeit gefüllten Körpers und der Oberfläche des Festkörpers die Oberfläche des Festkörpers zur Bestimmung der Hydrophobizität der Oberfläche ermittelt wird.
14. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 10 oder eines Verfahrens gemäß Anspruch 1 1 zur Bestimmung, Analyse oder Nachweis von Substanzen oder Reaktionsprodukten in einem mit Flüssigkeit gefüllten Körper.
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