2.9 Vorhersage des Benetzungsverhaltens: Der "Wetting Envelope"

Der "Wetting Envelope" (frei übersetzt "Benetzbarkeitsbereich") ist keine eigenständige Berechnungsmethode für den polaren und dispersiven Anteil der Oberflächenenergie eines Festkörpers, sondern lediglich eine besondere Darstellungsweise der Beziehung zwischen dem Kontaktwinkel und dem polaren und dispersiven Anteil der Oberflächenenergie eines Festkörpers.

Mit Hilfe des Wetting Envelopes lässt sich vorhersagen, ob eine bestimmte Flüssigkeit, deren Oberflächenspannungs-Komponenten bekannt sind, den untersuchten Festkörper vollständig benetzen würde. Möglich ist das aufgrund folgender Zusammenhänge:

Eine Flüssigkeit benetzt eine Festkörperoberfläche dann vollständig, wenn die Adhäsionsarbeit    zwischen Festkörperoberfläche und Flüssigkeit genau so groß wie oder größer als die Kohäsionsarbeit  innerhalb der Flüssigkeit ist. Die Differenz zwischen diesen beiden Größen wird als Spreitdruck  bezeichnet:

(Gleichung 57)

Demnach benetzt eine Flüssigkeit einen Festkörper vollständig, wenn der Spreitdruck >0 ist.

Die Adhäsionsarbeit lässt sich außerdem mit Hilfe des Kontaktwinkels zwischen Flüssigkeit und Festkörper und der Oberflächenspannung der Flüssigkeit beschreiben:

(Gleichung 58)

Da  nach DUPRÉ als  definiert ist, ergibt sich bei einem Kontaktwinkel von 0° ein Spreitdruck  von 0; bei (theoretischen) kleineren Kontaktwinkeln wird der Spreitdruck positiv, die Flüssigkeit benetzt den Festkörper noch besser.

Für die Darstellung des Wetting Envelope werden die beschriebenen Verfahren für die Bestimmung des dispersiven und polaren Anteils der Oberflächenenergie (FOWKES; OWENS, WENDT, RABEL, KAELBLE) umgekehrt: Dispersive und polare Anteile des Festkörpers sind (nach einer Messung oder aus Literaturdaten) bekannt; berechnet wird statt dessen, bei welchem polaren und dispersiven Anteil der Flüssigkeit sich für den untersuchten Festkörper ein Wert von    ergibt. Aus der Auftragung des polaren Anteils gegen des dispersiven Anteil resultiert für    eine Kurve, die vom Ursprung (0/0) ausgeht, ein Maximum durchläuft und schließlich wieder auf die X-Achse trifft. Die von dieser Kurve eingeschlossene Fläche ist der Wetting Envelope oder Benetzbarkeitsbereich; alle Flüssigkeiten, deren Daten innerhalb dieses Bereiches liegen, benetzen den entsprechenden Festkörper.

In der folgenden Darstellung wird die Vorgehensweise anhand zweier Flüssigkeiten gezeigt:

Die folgende Tabelle zeigt die verwendeten Daten, die der DSA1-Flüssigkeiten-Datenbank entnommen wurden. Die Werte für Ethanol liegen innerhalb des Wetting Envelope, daher ist eine Benetzung des Festkörpers durch Ethanol zu erwarten. Cyclopentanol liegt außerhalb des Envelope und sollte deshalb den Festkörper nicht benetzen.