Oberflächenspannung

Als Oberflächenspannung wird die Arbeit bezeichnet, die aufgewendet werden muss, um die Oberfläche einer Phase zu vergrößern. Die Oberflächenspannung hat als Arbeit pro Fläche bzw. Kraft pro benetzter Länge die Einheit mN/m und trägt das Formelzeichen σ (kleines Sigma).

Handelt es sich um eine feste Phase, wird zumeist der äquivalente Begriff Freie Oberflächenenergie verwendet. Ist die angrenzende Phase eine Flüssigkeit oder ein Festkörper, wird von Grenzflächenspannung gesprochen.

Hintergrund

Ein an der Oberfläche einer Flüssigkeit befindliches Molekül trifft im Vergleich zur Volumenphase auf weniger Moleküle, mit denen es Wechselwirkungen ausbilden kann. Der Aufenthalt an der Oberfläche ist deshalb energetisch ungünstiger. Daher nimmt eine Flüssigkeit ohne äußere Krafteinwirkung die kleinstmögliche Oberfläche ein. Um die Oberfläche zu vergrößern, muss Arbeit geleistet werden.

Umgebung von Molekülen in der Volumenphase und an der Grenzfläche

Bei Flüssigkeiten mit oberflächenaktiven Molekülen (Tensiden) ist die Oberflächenspannung bis zur Einstellung eines Gleichgewichts zeitabhängig. Ist dieses Gleichgewicht eingetreten, wird von der statischen Oberflächenspannung gesprochen. Wird hingegen der zeitabhängige Wert erfasst, handelt es sich um die dynamische Oberflächenspannung.

Bedeutung

Die Oberflächenspannung bestimmt das Verhalten von Flüssigkeiten bei einer Vielzahl von Vorgängen und Phänomenen:

  • Benetzung und Benetzbarkeit. Die Benetzung eines Festkörpers durch eine Flüssigkeit hängt u. a. von der Oberflächenspannung ab. Das spielt beim Waschen und Reinigen eine große Rolle, aber auch bei Benetzungsprozessen wie Drucken oder Beschichten.
  • Tröpfchengröße: Bei einem Spray oder bei einer Emulsion ist die Gesamtoberfläche der Tröpfchen je größer, umso kleiner die einzelnen Tröpfchen sind. Daher hängt die Größe erzeugter Tröpfchen von der Oberflächenspannung ab.
  • Dispersionen und Dispergierbarkeit: Beim Dispergieren entstehen Grenzflächen zwischen festen Teilchen und der Flüssigkeit. Eine hohe Oberflächenspannung wirkt sich negativ auf die Dispergierbarkeit aus, da der Kontakt zwischen gleichartigen Teilchen bevorzugt wird (Klümpchenbildung).

Messmethoden

  • Ringmethode nach Du Noüy: Gemessen wird die an einem optimal benetzbaren Ring wirkende Kraft, die beim Herausziehen des Ringes durch die Spannung der herausgezogenen Flüssigkeitslamelle wirkt. Messgeräte: K100, K11, K20, K6
  • Plattenmethode nach Wilhelmy: Gemessen wird die auf eine optimal benetzbare, senkrecht in die Flüssigkeit eingetauchte Platte wirkende Kraft. Messgeräte: K100, K11, K20
  • Stabmethode: Wie Plattenmethode, wobei für die Messung mit kleinerem Flüssigkeitsvolumen ein zylindrischer Stab mit kleinerer benetzter Länge verwendet wird. Messgeräte: K100, K11
  • Blasendruckmethode: Gemessen wird der maximale Innendruck einer Gasblase, die über eine Kapillare in einer Flüssigkeit gebildet wird. Messgeräte: BP100, BP50
  • Tropfenvolumenmethode: Gemessen wird das Volumen eines an einer senkrechten Kapillare erzeugten Tropfens einer Flüssigkeit im Moment seines Abreißens. Wird vorrangig zur Messung der Grenzflächenspannung eingesetzt. Messgerät: DVT50
  • Methode des hängenden Tropfens (Pendant Drop): Die Form eines an einer Kanüle hängenden Tropfens wird durch die Oberflächenspannung und das Eigengewicht des Tropfens bestimmt. Aus dem Bild des Tropfens kann per Tropfenkonturanalyse die Oberflächenspannung ermittelt werden. Messgeräte: DSA100, DSA30, DSA25