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Disperse & polare Anteile der Oberflächenenergie und Oberflächenspannung

Der Zusammenhalt von Atomen und Molekülen, der die Oberflächenenergie/-spannung einer Substanz bedingt, ist auf unterschiedliche Arten von Wechselwirkungen zurückzuführen. Insbesondere kann zwischen dispersen und polaren Wechselwirkungen unterschieden werden. Die Wechselwirkungen aufgrund von zeitlichen Fluktuationen der Ladungsverteilung der Atome/Moleküle werden als disperse Wechselwirkungen bezeichnet (Van-der-Waals-Wechselwirkungen). Unter polaren Wechselwirkungen werden Coulomb-Wechselwirkungen zwischen permanenten Dipolen und zwischen permanenten und induzierten Dipolen zusammengefasst (z.B. Wasserstoffbrückenbindungen). Entsprechend setzt sich auch die Oberflächenenergie bzw. Oberflächenspannung σi der Komponente i additiv aus einem dispersen σid und einem polaren σip Anteil zusammen:

Dispersive and polar part

Da van der Waals-Wechselwirkungen bei allen Atomen und Molekülen auftreten, kann es keine Substanz geben, deren Oberflächenenergie/-spannung nur einen polaren Anteil besitzt. Andererseits gibt es Substanzen, wie aus Kohlenwasserstoffketten aufgebaute Alkane, die keine polaren Gruppen besitzen. Ihre Oberflächenenergie/-spannung ist folglich rein dispers.

Vergleicht man für zwei Phasen jeweils das Verhältnis von dispersem zu polarem Anteil der Oberflächenenergie/-spannung, so können daraus Vorhersagen über die Haftung der beiden Phasen aneinander abgeleitet werden. Je stärker die dispersen und polaren Anteile übereinstimmen, desto mehr Wechselwirkungsmöglichkeiten gibt es zwischen den Phasen (vgl. Abbildung 1) und mit umso stärkerer Haftung ist zu rechnen. Ein großes Wechselwirkungspotential zwischen zwei Phasen äußert sich weiterhin in einer geringeren Grenzflächenenergie/-spannung.

Abbildung 1: Veranschaulichung der Wechselwirkungen zwischen zwei Phasen mit gleichen/ähnlichen (oben) bzw. unterschiedlichen (unten) dispersen und polaren Oberflächenenergie/-spannungsanteilen

Zur Berechnung der Grenzflächenenergie/-spannung gibt es verschiedene Modelle, die wiederum die dispersen und polaren Anteile der Oberflächenenergie/-spannung der beteiligten Phasen zugrunde legen. Diese Modelle werden auch herangezogen, um die polaren und dispersen Anteile der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit zu bestimmen. Man misst dazu die Oberflächenspannung der betreffenden Flüssigkeit, sowie ihre Grenzflächenspannung zu einer unpolaren Flüssigkeit mit rein disperser Oberflächenspannung, welche bekannt ist oder ebenfalls gemessen wird. Weiterhin lässt sich mithilfe der Modelle für die Grenzflächenenergie/-spannung die Oberflächenenergie eines Festkörpers über die Messung der Kontaktwinkel verschiedener Testflüssigkeiten bestimmen.

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