Der Begriff Benetzbarkeit bezieht sich im Allgemeinen auf den Grad der Benetzung einer Oberfläche durch eine bestimmte Flüssigkeit. Die physikalische Größe, die diese Eigenschaft bestimmt, ist die so genannte Freie Oberflächenenergie (Surface free energy – SFE), die sich aus der Darstellung der verschiedenen Arten von ungesättigten physikalischen intermolekularen Bindungen auf der gemessenen Oberfläche ergibt. Im Falle eines gegenseitigen Kontakts zwischen zwei Festkörpern kommen eine Reihe weiterer physikalischer Mechanismen zum Tragen, wie Reibung, mechanische Verankerung, Diffusion usw. Die Bestimmung der Auswirkungen auf die Haftung eines festen (viskosen) Stoffes an einem anderen ist somit a viel komplexeres Problem.

Bei der Flüssigkeitsbenetzung teilt sich die Problematik in zwei Richtungen. Wenn wir eine gute Benetzung der Oberfläche erreichen wollen, wenn wir eine Schutzschicht aus Farbe auf eine Oberfläche auftragen wollen, ist es notwendig, eine Oberfläche mit der höchstmöglichen freien Oberflächenenergie (mit dem höchstmöglichen Grad an ungesättigten Oberflächenbindungen) zu erreichen, die gut benetzt wird und auf der die Flüssigkeit einen kontinuierlichen Film bilden kann. Die besten Ergebnisse bei der Erhöhung der SFE von Oberflächen werden durch Plasma-, Flammen- oder Corona-Oberflächenbehandlungen erzielt.

Das gegenteilige Beispiel ist das Bemühen, das Anhaften von Flüssigkeiten an der Oberfläche zu verhindern, indem man versucht, eine möglichst niedrige SFE zu erreichen. Eine Oberfläche gilt als nicht benetzend für eine bestimmte Flüssigkeit, wenn sie auf der Oberfläche kugelförmige Tröpfchen mit einem Kontaktwinkel (CA) von mehr als 90° bildet. Im Falle der Wasserbenetzung wird eine solche Oberfläche als hydrophob bezeichnet. Bei deutlich nicht benetzenden Oberflächen (CA > 150°) kann auch ein Selbstreinigungseffekt beobachtet werden, bei dem die auf der Oberfläche gleitenden Tröpfchen lose Verunreinigungen (Staub usw.) „umhüllen“ und von der Oberfläche wegziehen. Solche Oberflächen werden dann als superhydrophob bezeichnet. Zur Verringerung der SFE werden insbesondere verschiedene Arten von Beschichtungen (PTFE, PVD-Beschichtungen, Wachse usw.) mit geringer SFE eingesetzt.

Messung

Die am weitesten verbreitete Methode zur Bestimmung der SFE ist die Messung des Benetzungswinkels nach der Methode der benachbarten Tropfen, bei der Tropfen verschiedener Flüssigkeiten mit bekannten Bindungsverhältnissen auf die zu messende Oberfläche aufgebracht werden. Die am häufigsten verwendeten Analyseflüssigkeiten sind demineralisiertes Wasser (polare Flüssigkeit) und Diiodmethan (unpolare Flüssigkeit). Nach der Bildung des Tropfens wird der so genannte Kontaktwinkel (θ) optisch gemessen, der das Ergebnis des Kräftegleichgewichts an der Dreiphasengrenzfläche Fest – Flüssigkeit – Gas ergibt. Anschließend setzen wir den gemessenen Winkel in die sogenannte Youngsche Gleichung ein, die dieses Gleichgewicht beschreibt.

Dabei ist γ_s die Oberflächenspannung des Festkörpers, γ_l die Oberflächenspannung der Flüssigkeit und γ_sl die Spannung zwischen dem Festkörper und der Flüssigkeit. Zur Berechnung der SFE -Komponenten der Youngschen Gleichung können mehrere theoretische Modelle verwendet werden, die sich je nach den betrachteten Wechselwirkungen zwischen Oberfläche und Flüssigkeit unterscheiden. Die am häufigsten verwendete Modelle sind das Fowkes-Modell, das die Wechselwirkungen in disperse und nicht-disperse unterteilt. Das OWRK-Modell, das die Wechselwirkungen in disperse und polare unterteilt. Und das Säure-Basen-Modell, das die Wechselwirkungen in saure und basische Komponenten unterteilt. Wir entscheiden uns für das am weitesten verbreitete Modell – das OWRK-Modell – und unterteilen die Wechselwirkungen zwischen Oberfläche und Flüssigkeit in polare γ^p,, die relativ starke Bindungen darstellen (Wasserstoffbrücken, Donor-Akzeptor-Reaktionen), und disperse γ^d,, die um Größenordnungen schwächere Bindungen darstellen (Van-der-Waals-Bindungen, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen usw.). Ihre Summe ergibt dann den Gesamtwert der SFE – γ^tot..

Der Grad der Übereinstimmung bei der Darstellung der polaren und dispersen Bindungen ist für eine realistische Oberflächenbenetzung durch die Flüssigkeit von entscheidender Bedeutung (siehe Abb. 1).

Die bekannteste nicht benetzende Beschichtung, die in einer Vielzahl von Anwendungen als Dichtungs- und Korrosionsschutz eingesetzt wird, ist zweifellos Polytetrafluorethylen (PTFE), besser bekannt unter dem Handelsnamen Teflon™. Es verfügt über stabile gesättigte Kohlenstoff-Fluor-Bindungen auf seiner Oberfläche, wodurch es die meisten Flüssigkeiten nicht benetzt und chemisch sehr inert ist. Allerdings hat es den Nachteil einer geringen Härte und Temperaturstabilität. PVD-Beschichtungen hingegen zeichnen sich durch diese Eigenschaften aus, erreichen aber im Allgemeinen nicht so niedrige SFE-Werte (d. h. eine niedrige „Benetzungsrate“) wie PTFE. Im Vergleich zu unbeschichteten Oberflächen von technischen Materialien können sie jedoch deutlich niedrigere SFE-Werte erreichen (siehe Abbildung 2). So weisen einige spezifische PVD-Beschichtungen (z. B. CrN, Ta-C, metallische Gläser usw.) eine geeignete Kombination all dieser Eigenschaften für ein breites Spektrum von Anwendungen auf.

Werte

Odkazy

https://en.wikipedia.org/wiki/Surface_energy

LUGSCHEIDER, E a BOBZIN, K. The influence on surface free energy of PVD-coatings. Online. Surface & coatings technology. 2001, roč. 142, s. 755-760. ISSN 0257-8972. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01315-9. [cit. 2024-07-23].