Optische Kontaktwinkelmessung und Tropfenkonturanalyse

Die optische Analyse von Flüssigkeitstropfen, die an einer Dosiernadel hängen oder auf einer Festkörperoberfläche abgesetzt werden, ermöglicht die Bestimmung unterschiedlicher Ober- und Grenzflächenparameter. An abgesetzten Tropfen wird der Kontaktwinkel gemessen, der das Benetzungsverhalten einer Oberfläche mit einer Flüssigkeit charakterisiert.

Über die Kontaktwinkel mehrerer Testflüssigkeiten lässt sich darüber hinaus die Oberflächenenergie des Festkörpers bestimmen und die Adhäsionsarbeit für verschiedene Flüssigkeiten berechnen.

Die zuverlässige und experimentell einfache Messung des Kontaktwinkels hilft bei der Entwicklung von Oberflächenbeschichtungen, Verbundmaterialien, Farben und Lacken oder Reinigungsmitteln – kurz: überall dort, wo Festkörper und Flüssigkeiten aufeinander treffen und Benetzungs- und Haftungseigenschaften kontrolliert werden müssen.

Kontaktwinkelmessung

An der Drei-Phasen-Kontaktlinie eines abgesetzten Flüssigkeitstropfens bestimmt ein vektorielles Kräftegleichgewicht den Kontaktwinkel Θ_C. Es wirken entlang der Festkörperoberfläche die Festkörperoberflächenenergie σ_S und entgegengesetzt die fest-flüssig-Grenzflächenenergie σ_SL, sowie tangential zur Tropfenoberfläche die Oberflächenspannung σ_L der Flüssigkeit. Dies lässt sich durch die Young-Gleichung ausdrücken:

Gemessen wird der Kontaktwinkel im Tropfenprofil. Dabei hilft eine Bildverarbeitungssoftware, die die Kontur und die Basislinie des Tropfens erkennt und durch geeignete Funktionen anfittet.

Optische Bestimmung der Ober- und Grenzflächenspannung

Ein Flüssigkeitstropfen strebt aufgrund seiner Oberflächenspannung eine Kugelform an. Die typische Tropfenform kommt dadurch zustande, dass der Tropfen durch die Gravitation in die Länge gezogen wird. Dies wird bei der Young-Laplace-Auswertung von hängenden Tropfen ausgenutzt (Pendant Drop Methode): Aus dem charakteristischen Tropfenprofil wird die Oberflächenspannung σ_L der Flüssigkeit bestimmt.

Ist ein hängender Tropfen nicht von Luft, sondern von einer zweiten Flüssigkeit umgeben, so lässt sich aus der Tropfenform die Grenzflächenspannung zwischen den beiden Flüssigkeiten ableiten. Für die optische Auswertung muss die äußere Flüssigkeit transparent sein. Die innere Flüssigkeit kann, je nach Dichte, als herabhängender Tropfen oder aber über eine gebogene Nadel nach oben dosiert werden.

Oberflächenenergie von Festkörpern

Zur Bestimmung der Oberflächenenergie eines Festkörpers misst man die Kontaktwinkel von Testflüssigkeiten, deren Oberflächenspannungen inkl. dispersem und polarem Anteil bekannt sind. Diese Anteile gehen in die Grenzflächenenergie σ_SL zwischen Festkörper und Flüssigkeit ein, für die ein geeignetes Modell zugrunde gelegt wird.

Häufig verwendet man das Modell von Owens, Wendt, Rabel und Kaelble (OWRK-Modell), das die geometrischen Mittel der dispersen und polaren Anteile der Oberflächenspannung der Flüssigkeit σ_L und der Oberflächenenergie des Festkörpers σ_S beinhaltet:

Wird dieser Ausdruck in die Young-Gleichung eingesetzt, so können der polare und der disperse Anteil der Oberflächenenergie des Festkörpers graphisch über eine Regressionsgerade ermittelt werden.

Für die lineare Regression sind mindestens zwei Kontaktwinkelmessungen mit verschiedenen Testflüssigkeiten nötig. Da eine Regressionsgerade basierend auf nur zwei Punkten jedoch keinerlei Aussage über die Genauigkeit des Ergebnisses erlaubt, werden zur Bestimmung der Oberflächenenergie eines Festkörpers Kontaktwinkelmessungen mit mindestens drei Testflüssigkeiten empfohlen.

Lotus-Effekt

Eines der anschaulichsten Beispiele für besonders hohe Kontaktwinkel finden wir in der Natur: Auf den Blättern der Lotospflanze perlen Wassertropfen ab – es findet keine Benetzung statt. Weil die abperlenden Tropfen Schmutzpartikel abtransportieren, kommt es zu einem Selbstreinigungseffekt der Oberfläche. In vielen technischen Bereichen versucht man heute diesen Lotus-Effekt nachzuempfinden. Selbstreinigende Fassaden, Keramik und andere Oberflächen werden entwickelt. Unverzichtbar dabei ist die Kontaktwinkelmessung.

OCA 15EC

Das OCA 15EC ist das Einstiegsgerät in die professionelle Kontaktwinkelmessung und Tropfenkonturanalyse.

Der Probentisch des OCA 15EC lässt sich frei in X- und Y-Richtung positionieren und mithilfe des schaltbaren Magnetfußes fixieren. In Z-Richtung ist der Probentisch über eine Präzisionsmechanik per Handrad justierbar.

Das lichtstarke 6,5-fach-Zoomobjektiv mit manuellem Fokus und einstellbarem Beobachtungswinkel sowie die USB 3-Kamera gewährleisten eine scharfe Abbildung der Flüssigkeitstropfen und ermöglichen so eine spielend leichte Auswertung durch die Software.

Für die Flüssigkeitsdosierung bietet sich vor allem ein Einfach-Direktdosiersystem SD-DM oder ein Doppel-Direktdosiersystem DD-DM mit einem bzw. zwei elektronischen Spritzenmodulen ESr-N an. Dank direkter schlauchloser Dosierung des Spritzeninhaltes, und der Möglichkeit kostengünstige Einwegspritzen und -kanülen zu verwenden, gehören aufwändige Reinigungsprozeduren der Vergangenheit an.

Das OCA 15EC lässt sich leicht mit zwei Sterngriffschrauben zerlegen und in einem speziellen Transportkoffer sicher verstauen.

Hauptmerkmale

• Probentisch horizontal verschiebbar (magnetic slide system) und über eine Präzisionsmechanik vertikal justierbar
• lichtstarkes Messobjektiv mit 6,5-fach Zoom
• stufenlose Innenfokussierung und einstellbarer Beobachtungswinkel
• Videomesssystem mit USB 3-Kamera
• LED-Beleuchtung mit manuell und Software-seitig einstellbarer Intensität inklusive automatischer Temperaturdrift-Kompensation

Software

Die Software für die optischen Kontakt­winkel­messgeräte und Kontur­analyse­systeme der OCA-Serie wird laufend um neue innovative Funktionen erweitert.

Erfahren Sie mehr über die OCA Software und ihre Möglichkeiten

Zubehör

Dank unserer modularen Produktphilosophie ist das OCA 15EC mit einer Vielzahl an Zubehöroptionen aus der vielfältigen OCA Zubehörpalette kombinierbar. Erfahren Sie mehr über das verfügbare Zubehör.

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OCA 25

Das OCA 25 ist das universell einsetzbare Messgerät für Kontaktwinkelmessungen und Tropfenkonturanalyse.

Der Probentisch des OCA 25 lässt sich in allen drei Raumrichtungen leicht und präzise über Präzisionsachsen mit Handrädern justieren. So gelingt in jeder Situation eine schnelle und exakte manuelle Positionierung der Proben, selbst bei Verwendung von Hochleistungstemperaturkammern wie einer elektrischen Thermostatisiereinrichtung TEC 700.

Das 6,5-fach-Zoomobjektiv in Kombination mit der Hochleistungskamera mit USB 3-Interface ermöglicht es, auch schnell ablaufende Prozesse mit bis zu 3250 Bildern/s zu beobachten. Damit können selbst Kontaktwinkel auf adsorbierenden Oberflächen, wie z.B. Taschentüchern oder Pulvern, gemessen werden.

Für die Flüssigkeitsdosierung sind die manuellen Einfach- und Doppel-Direktdosiersysteme SD-DM und DD-DM, aber auch elektronische Direktdosiersysteme DDE/x verwendbar. Letztere erlauben die elektronische Positionierung von einem bis zu vier elektronischen Spritzenmodulen ESr-N.

Weiterhin lassen sich mit einem Nanoliter-Dosiersystem auch besonders kleine Flüssigkeitstropfen generieren. Selbst deren Analyse ist für das OCA 25 dank seiner hochauflösenden Optik kein Problem.

Hauptmerkmale

• Probentisch in allen drei Achsen über Präzisionsmechanik justierbar
• lichtstarkes Messobjektiv mit 6,5-fach Zoom
• stufenlose Innenfokussierung und einstellbarer Beobachtungswinkel
• Videomesssystem mit Hochleistungskamera und USB 3-Interface
• LED-Beleuchtung mit manuell und Software-seitig einstellbarer Intensität inklusive automatischer Temperaturdrift-Kompensation

Software

Die Software für die optischen Kontakt­winkel­messgeräte und Kontur­analyse­systeme der OCA-Serie wird laufend um neue innovative Funktionen erweitert.

Erfahren Sie mehr über die OCA Software und ihre Möglichkeiten

Zubehör

Dank unserer modularen Produktphilosophie ist das OCA 25 mit einer Vielzahl an Zubehöroptionen aus der vielfältigen OCA Zubehörpalette kombinierbar. Erfahren Sie mehr über das verfügbare Zubehör.

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OCA 25 Spezialvarianten

Die universelle Geräteplattform ermöglicht Spezialvarianten des OCA 25, die auch höchsten Kundenanforderungen und besonders herausfordernden Messumgebungen gerecht werden.

OCA 25-HTV 1800

Das Hochtemperaturmesssystem OCA 25-HTV 1800 eignet sich für die Messung von Kontaktwinkeln bei Hochtemperatur bis 1800 °C und unter Vakuum bis 10^-5 mbar bzw. unter Schutzgasatmosphäre. Die Möglichkeit Kontaktwinkel und das Benetzungsverhalten unter Hochtemperatur und geringem Atmosphärendruck zu bestimmen bietet neue einzigartige Erkenntnisse für Materialien, die z.B. im Bereich Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. Mit dem optionalen Dosiersystem kann das OCA 25-HTV 1800 zusätzlich bei Raumtemperatur für alle Standardanalysen wie Oberflächenenergie und Grenzflächenspannung eingesetzt werden

OCA 25-HTV 1800 Broschürefile_download

Hauptmerkmale

• Hochtemperaturofen bis zu 1800 °C
• Vakuumdichte Flansche mit Anschlüssen für eine optionale Turbomolekularpumpe (Flansche benötigen eine Wassergegenkühlung)
• Gasversorgungssystem für Ar und N₂
• Hochleistungsspannungsversorgung und Regelelektronik
• lichtstarkes Messobjektiv mit 6,5-fach Zoom und Zoomextender
• stufenlose Innenfokussierung und einstellbarer Beobachtungswinkel
• Videomesssystem mit Hochleistungskamera und USB 3-Interface
• LED-Beleuchtung mit manuell und Software-seitig einstellbarer Intensität inklusive automatischer Temperaturdrift-Kompensation
• Optionales Dosiersystem für Messungen bei Raumtemperatur
• Optionaler Transportwagen für den einfachen Transport des gesamten Systems

Zubehör

Der Anwendungsbereich und der Bedienkomfort des OCA 25-HTV 1800 können mit optionalem Zubehör vergrößert werden:

• Dosiersystem für Messungen bei Raumtemperatur
• Transportwagen für den einfachen Transport des gesamten Systems
• Turbomolekularpumpe für Drücke bis zu 10^-5 mbar

OCA 25-PMC 750

Das OCA 25-PMC 750 bietet mit seiner Hochdruckmesszelle die Möglichkeit Messungen der Grenzflächenspannung und des Kontaktwinkels unter Hochdruckbedingungen von bis zu 750 bar und bei Temperaturen von -30 °C bis 200 °C durchzuführen.

Damit ist das OCA 25-PMC 750 die ideale Lösung um z.B. die Grenzflächenspannung zwischen Tensidlösung und Rohöl oder den Kontaktwinkel zwischen Gestein, Öl und Tensidlösung unter Reservoir-Bedingungen zu untersuchen.

OCA 25-PMC 750 Broschürefile_download

Hauptmerkmale

• Hochdruckkammer mit optischem Saphirglas
• Druckgeber für die Erzeugung und Regelung des umgebenden Gas-/Flüssigkeitsdrucks und des Tropfendrucks (manuell oder automatisch)
• Temperaturregler für die Regelung der Kammertemperatur
• herausnehmbares magnetisches Positioniersystem für Festkörper Proben
• ein Satz Nadeln mit unterschiedlichen Durchmessern für einen großen Bereich an Grenzflächenspannungen
• lichtstarkes Messobjektiv mit 6,5-fach Zoom
• stufenlose Innenfokussierung und einstellbarer Beobachtungswinkel
• Videomesssystem mit Hochleistungskamera und USB 3-Interface
• LED-Beleuchtung mit manuell und Software-seitig einstellbarer Intensität inklusive automatischer Temperaturdrift-Kompensation

OCA 50 & OCA 50EC

Das OCA 50 ist das vollautomatische Kontaktwinkelmessgerät und Konturanalysesystem für die zeitsparende und automatisierte Untersuchung der Benetzbarkeit von festen Oberflächen und die Ermittlung der Oberflächenenergie von Festkörpern.

Der Probentisch des OCA 50 ist in allen drei Raumrichtungen mit elektrisch angetriebenen Achsen positionierbar und bietet dabei außerordentliche Geschwindigkeit und höchste Präzision.

In Kombination mit einem elektronischen Direktdosiersystem DDE/x mit bis zu vier elektronischen Spritzenmodulen ESr-N lässt sich die Bestimmung von Oberflächenparametern vollständig automatisieren

Dabei hilft der intuitiv zu bedienende Automationsdialog der OCA Software mit seiner graphischen Tropfenpositionierung. Selbst auf großflächigen Proben kann damit schnell und ohne manuelles Eingreifen an verschiedenen Stellen z.B. die Oberflächenenergie mit vier Testflüssigkeiten ermittelt werden. Dies ermöglicht ein vollständiges und automatisiertes Proben-Mapping.

Um ein solches Mapping auf Siliziumwafern durchzuführen, stehen elektronische Drehtische mit Vakuumfixierung zur Verfügung, die es ermöglichen selbst auf 12″-Wafern jede beliebige Stelle zur Kontaktwinkelmessung anzufahren.

Das 6,5-fach-Zoomobjektiv und die Hochleistungskamera mit USB 3-Interface gewährleisten dabei stets eine ideale Abbildung der abgesetzten Tropfen.

Damit die Gerätebedienung auch bei komplexen Messungen schnell und intuitiv vonstatten geht, ist das TP 50 Steuergerät mit Touchscreen und Präzisions-Steuerrad im Lieferumfang des OCA 50 bereits enthalten.

Hauptmerkmale

• Probentisch in allen drei Raumrichtungen mit elektronischen Präzisionsachsen verstellbar
• lichtstarkes Messobjektiv mit 6,5-fach Zoom
• stufenlose Innenfokussierung und einstellbarer Beobachtungswinkel
• Videomesssystem mit Hochleistungskamera und USB 3-Interface
• LED-Beleuchtung mit manuell und Software-seitig einstellbarer Intensität inklusive automatischer Temperaturdrift-Kompensation
• TP 50 Steuergerät mit Touchscreen und Präzisions-Steuerrad

Software

Die Software für die optischen Kontakt­winkel­messgeräte und Kontur­analyse­systeme der OCA-Serie wird laufend um neue innovative Funktionen erweitert.

Erfahren Sie mehr über die OCA Software und ihre Möglichkeiten

Zubehör

Dank unserer modularen Produktphilosophie ist das OCA 50 mit einer Vielzahl an Zubehöroptionen aus der vielfältigen OCA Zubehörpalette kombinierbar. Erfahren Sie mehr über das verfügbare Zubehör.

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OCA 200

Das OCA 200 ist das Kontaktwinkelmessgerät und Tropfenkonturanalysesystem für mikroskopische und makroskopische Strukturen.

Die elektrisch betriebene softwaregesteuerte Optikausrichtung des OCA 200 ermöglicht es, den Beobachtungswinkel zu ändern und automatisch zu fokussieren.

Dank des wegweisenden 10-fach-Zoomobjektivs und des bewährten DataPhysics Instruments Autofokussystems ist das OCA 200 für jede erdenkliche Probengröße vom makroskopischen Siliziumwafer bis zu den mikroskopischen Metallstreben eines Koronarstents geeignet.

Zusammen mit der Hochleistungskamera mit USB 3-Interface können selbst kleinste Tropfen hoch flüchtiger Flüssigkeiten beobachtet werden.

Der elektrisch betriebene Probentisch erlaubt es, mikrostrukturierte Proben mit höchster Genauigkeit und, für automatisierte Messabläufe, mit außerordentlicher Geschwindigkeit zu positionieren.

Zusammen mit einem elektronischen Direktdosiersystem DDE/x mit bis zu vier elektronischen Spritzenmodulen ESr-N können Flüssigkeiten auf makroskopischen Proben abgesetzt und die Oberflächenparameter dieser Proben automatisiert bestimmt werden.

Um mikrostrukturierte Proben zu analysieren, steht das Nanoliter-Dosiersystem zur Verfügung, welches bis zu 10 Nanoliter kleine Tropfen generiert. Diese passen beispielsweise in die Gewindegänge eines Zahnimplantats, dessen Oberfläche so untersucht werden kann.

Für noch kleinere Strukturen bietet das Pikoliter-Dosiersystem PDDS die Möglichkeit sogar bis zu 30 Pikoliter kleine Tropfen zu dosieren. Damit kann z.B. auf den Metallstreben eines Koronarstents oder auf Einzelfasern gemessen werden.

Hauptmerkmale

• Probentisch in allen drei Raumrichtungen mit elektronischen Präzisionsachsen verstellbar
• wegweisendes 10-fach-Zoomobjektiv
• softwaregesteuerte Optikausrichtung für Autofokus und Einstellung des Beobachtungswinkels
• Videomesssystem mit Hochleistungskamera und USB 3-Interface
• LED-Beleuchtung mit manuell und Software-seitig einstellbarer Intensität inklusive automatischer Temperaturdrift-Kompensation
• TP 50 Steuergerät mit Touchscreen und Präzisions-Steuerrad

Software

Die Software für die optischen Kontakt­winkel­messgeräte und Kontur­analyse­systeme der OCA-Serie wird laufend um neue innovative Funktionen erweitert.

Erfahren Sie mehr über die OCA Software und ihre Möglichkeiten

Zubehör

Dank unserer modularen Produktphilosophie ist das OCA 200 mit einer Vielzahl an Zubehöroptionen aus der vielfältigen OCA Zubehörpalette kombinierbar. Dank des erweiterten Zoombereichs und der hochauflösenden Optik ist das OCA 200 das ideale Messgerät für die Arbeit mit kleinsten Tröpfchen, wie sie ein Pikoliter-Dosiersystem PDDS erzeugen kann.

Erfahren Sie mehr über das verfügbare Zubehör.

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Portable und robotergeführte Kontaktwinkelmessung

Laufende Produktionskontrolle kann teure nachträgliche Rückrufaktionen vermeiden. Doch oft sind fertige Produkte zu groß oder zu schwer um sie mit einem Labormessgerät wie aus der DataPhysics Instruments OCA-Serie zu analysieren. Mit dem portablen Kontaktwinkelmessgerät PCA 100M von DataPhysics Instruments kommt das Messgerät deshalb einfach zur Probe.

Mit Hilfe des PCA 100M können so auch große Oberflächen wie z.B. ganze Autowindschutzscheiben, Karosserieteile, großflächige Wafer oder Verbundwerkstoffe zerstörungsfrei geprüft werden. Durch die Messung von Kontaktwinkeln und die Bestimmung der Oberflächenenergie lassen sich auch direkt während der Produktion Aussagen über die Qualität einer Beschichtung oder die Probenreinheit nach einem Reinigungsprozess treffen.

Dank des kompakten Designs und des einfachen Anschluss an einen Laptop oder vor Ort befindlichen PC kann das PCA 100M fast überall eingesetzt werden — selbst in Reinräumen. Das optionale Messstativ PCA-MS erlaubt es das PCA 100M auch als Laborgerät einzusetzen.

In Verbindung mit Einzel- und Mehrachsen-Robotern eignet sich das PCA 100R für eine direkte Integration einer automatisierten Oberflächenanalyse in den Produktionsablauf. Eine entsprechende Roboterzelle wird nach Kundenwunsch konzipiert und passt so genau zu den zu untersuchenden Proben.

Individuell angepasste Steuersoftware gewährleistet eine problemlose Übergabe der Proben zwischen dem PCA 100R und anderen Robotersystemen. So lässt sich eine automatische, zuverlässige Kontrolle der Oberflächeneigenschaften auch in Produktionslinien gewährleisten.

Hauptmerkmale

• Video-Messsystem mit telezentrischem Hochleistungsobjektiv mit integrierter Blende und anpassbarem Betrachtungswinkel
• Hintergrund Beleuchtung mit Software-seitig einstellbarer Intensität
• integriertes Mehrfachdosiersystem für zwei (PCA 100M/2) oder vier (PCA 100M/4) Testflüssigkeiten
• integriertes automatisches Nachfüllsystem mit Spül- und Reinigungsfunktion für die Dosierung von bis zu 5000 Tropfen pro Flüssigkeitsbehälter
• USB-Anschlussbox für Stromversorgung und Kommunikation mit dem PCA 100M

Software

Die Software für die optischen Kontakt­winkel­messgeräte und Kontur­analyse­systeme der OCA-Serie wird laufend um neue innovative Funktionen erweitert.

Erfahren Sie mehr über die OCA Software und ihre Möglichkeiten

Zubehör

Der Anwendungsbereich des PCA 100M kann mit optionalem Zubehör vergrößert werden:

• optionaler Adapter für Messungen der Ober-/Grenzflächenspannung anhand der Form von hängenden Tropfen
• optionales Messstativ PCA-MS für den Laboreinsatz

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