Die Oberflächenspannung beschreibt die Arbeit, die erforderlich ist, um die Oberfläche einer Flüssigkeit zu vergrößern. Bevor sich ein Gleichgewicht der grenzflächenaktiven Teilchen an der Oberfläche einstellt, spricht man von der dynamischen Oberflächenspannung. Die Methode des maximalen Blasendrucks ermöglicht es, die dynamische Oberflächenspannung in Abhängigkeit des Oberflächenalters zu ermitteln. Um die Messung durchzuführen, benötigt man ein Blasendruck-Tensiometer.

Was ist die Oberflächenspannung?

Die Oberflächenspannung beschreibt die Arbeit, die verrichtet werden muss, um die Oberfläche einer Flüssigkeit zu vergrößern. Sie wird in Millinewton pro Meter (mN/m) angegeben. Somit ist die Oberflächenspannung eine wichtige Kenngröße, um das Verhalten einer Flüssigkeit in Kontakt mit anderen Phasen zu beurteilen.

Die Oberflächenspannung kann durch oberflächenaktive Substanzen, welche als Tenside bezeichnet werden, beeinflusst werden. Aufgrund ihres Aufbaus lagern sich Tenside bevorzugt an Oberflächen an. Die Geschwindigkeit, mit der sich Tenside an der Oberfläche anlagern, stellt eine charakteristische Größe für jedes Tensid dar. Sie ist bestimmt von der Diffusions- und Adsorptionsgeschwindigkeit des Tensids.

Statische und dynamische Oberflächenspannung

Mit zunehmender Diffusion des Tensids an die Oberfläche sinkt die Oberflächenspannung, bis sich nach einiger Zeit eine statische Oberflächenspannung einstellt. Die Werte der Oberflächenspannung, die vor Erreichen des Gleichgewichts gemessen werden, werden als dynamische Oberflächenspannung bezeichnet. Die dynamische Oberflächenspannung wird in Abhängigkeit des Oberflächenalters angegeben. Das Oberflächenalter bezeichnet die Seit der Bildung der Oberfläche vergangene Zeit.

Die Geschwindigkeit, mit der sich Tenside an einer Oberfläche anlagern, ist für die Untersuchung schneller Prozesse relevant. In der Praxis umfasst dies Anwendungsfälle wie die schnelle Benetzung von Oberflächen bei Sprühprozessen im Bereich des Inkjetdrucks, der Sprühbeschichtung oder des Pflanzenschutzes. Tenside werden auch in weiteren Branchen verwendet, beispielsweise in der Reinigungsmittelindustrie in Spül- oder Waschmitteln.

Methode des maximalen Blasendrucks zur Bestimmung der dynamischen Oberflächenspannung

Die dynamische Oberflächenspannung kann mit der Methode des maximalen Blasendrucks bestimmt werden. Dabei werden Gasblasen in einer Flüssigkeit oder in einem Flüssigkeitsgemisch – wie etwa Wasser mit zugegebenem Tensid – erzeugt.

Zur Messung macht man sich zunutze, dass die Oberflächenspannung mit dem Druck innerhalb der Gasblase sowie mit deren Krümmungsradius zusammenhängt. Konkret wirkt die Oberflächenspannung gegen den Druck in der Blase und versucht, deren Oberfläche zu verkleinern. Dieser Zusammenhang wird durch die Young-Laplace-Gleichung definiert:

Δ P = σ * (2/r_B)

Wobei gilt:
Δp = Druckunterschied zwischen dem Druck innerhalb der Gasblase und dem Druck außerhalb der Gasblase in der Flüssigkeit
σ = Oberflächenspannung
r_B = Krümmungsradius der Gasblase

Folglich kann aus den Werten für den Druckunterschied und des Krümmungsradius der Gasblase die Oberflächenspannung errechnet werden.

Experimenteller Aufbau für die Messung des maximalen Blasendrucks

In der Praxis verwendet man für eine solche Bestimmung ein Blasendruck-Tensiometer, wie das MBP 200 von DataPhysics Instruments. Im experimentellen Aufbau wird die Flüssigkeit in einem Gefäß unter einer Kapillare platziert. Anschließend wird die Öffnung der Kapillare in die Flüssigkeit getaucht. Die Kapillare ist mit einem pneumatischen System verbunden, welches einen kontrollierten Gasvolumenstrom durch die Kapillare strömen lässt. Wird ein Gas durch die Kapillare in die Flüssigkeit geleitet, bilden sich an der Öffnung der Kapillare Gasblasen.

Das Volumen einer so erzeugten Gasblase wächst stetig. Anfangs hat die Blase einen großen Krümmungsradius, welcher dann immer kleiner wird. Gleichzeitig steigt der Druck innerhalb der Blase an (Abb. 2 [1]→[2]). Wenn die Gasblase an der Öffnung der Kapillare eine Halbkugel bildet, erreicht der Krümmungsradius ein Minimum und der Druck ein Maximum (Siehe Abb. 2 [3]). Der Krümmungsradius der Halbkugel entspricht nun dem Radius der Kapillaröffnung. In dem Moment, in dem die Radien der Kapillaröffnung (r_C) und der Gasblase (r_B) übereinstimmen, ist der maximale Blasendruck erreicht. Wächst das Volumen der Gasblase weiter, erhöht sich der Krümmungsradius wieder, der Druck sinkt und die Gasblase reißt von der Kapillare ab (Siehe Abb. 2 [4]).

Mithilfe des Drucksensors im Blasendruck-Tensiometer kann der Druck innerhalb der Gasblase und damit auch sein Maximum bestimmt werden. Der Druck außerhalb der Gasblase entspricht dem hydrostatischen und atmosphärischen Druck der Flüssigkeit, der sich aus der Eintauchtiefe der Kapillare ergibt. Der Kapillarradius, welcher zum Zeitpunkt des maximalen Blasendrucks dem Krümmungsradius der halbkugelförmigen Gasblase entspricht, ist durch eine vorherige Eichmessung bekannt. Aus den Werten für den maximalen Druck innerhalb der Blase und dem Kapillarradius lässt sich die dynamische Oberflächenspannung berechnen. Genauer ergibt sich zum Zeitpunkt des maximalen Blasendrucks Folgendes:

r_B = r_C

So entsteht folgende Abwandlung der Young-Lapace-Gleichung:

Δp = σ * (2/r_C)

Da wir die Oberflächenspannung zum Zeitpunkt des Druckmaximums ausrechnen wollen, folgt:

σ = Δp * r_C / 2

Dynamische Oberflächenspannung in Abhängigkeit vom Oberflächenalter

Das Oberflächenalter beschreibt den Zeitraum zwischen dem Druckminimum einer Blase – dem Moment, in dem sich eine neue Blase zu formen beginnt – und ihrem Druckmaximum. Von der „Totzeit“ einer Blase spricht man in dem Zeitraum vom Druckmaximum bis zum erneuten Druckminimum, also der Zeit, in der eine Blase von der Kapillare abreißt und sich noch keine neue Blase bildet.

Bei einem gleichbleibenden Volumenstrom erhält man den Wert der Oberflächenspannung für ein bestimmtes Oberflächenalter. Um nun Werte für verschiedene Oberflächenalter zu bestimmen, muss der Volumenstrom variiert werden. Dies geschieht, über die Ventile im pneumatischen System des Blasendruck-Tensiometers. So lässt sich der Zeitspanne, nachdem das Druckmaximum erreicht wird, variieren. Auf diese Weise können dynamische Prozesse, wie die Geschwindigkeit, mit der sich Tenside an der Blasenoberfläche anlagern, untersucht werden.

Die dynamische Oberflächenspannung ist von weiteren externen Variablen abhängig. Deshalb sollten Messungen bei wohldefinierten Temperaturen und Tensid-Konzentrationen durchgeführt werden.