Dynamische Oberflächenspannung

Abbildung 1: Das Aufsprühen einer Flüssigkeit auf eine Pflanzenoberfläche verdeutlicht die Bedeutung der dynamischen Oberflächenspannung. Denn diese beeinflusst, wie schnell sich die Tenside in der Sprühlösung an der neu entstandenen Flüssigkeits-Luft-Grenzfläche ansammeln. Dies hat wiederum Auswirkungen auf die Benetzung und Verteilung.

Die Oberflächenspannung beschreibt die Arbeit, die erforderlich ist, um die Oberfläche einer Flüssigkeit zu vergrößern. Man unterscheidet zwischen statischer und dynamischer Oberflächenspannung. Die dynamische Oberflächenspannung ist abhängig vom Oberflächenalter. Mit der Zeit stellt sich die statische Oberflächenspannung im Gleichgewicht ein.

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.

Wie beeinflussen Tenside die Oberflächenspannung?

Die Oberflächenspannung kann durch oberflächenaktive Substanzen, welche als Tenside bezeichnet werden, beeinflusst werden. Tenside sind Amphiphile: Sie bestehen aus einer polaren Kopfgruppe und einer unpolaren Seitenkette. Der polare Teil des Moleküls wechselwirkt bevorzugt mit einer polaren Flüssigkeit, wie etwa Wasser. Daher nennt man diesen Teil auch hydrophil oder wasserliebend. Der unpolare Teil des Moleküls wechselwirkt bevorzugt mit unpolaren Flüssigkeiten, wie Öl oder mit Gasen. Daher nennt man ihn lipophil oder fettliebend. Aufgrund ihres zweigeteilten Aufbaus lagern sich Tenside bevorzugt an Oberflächen oder Grenzflächen an, da sie dort energetisch günstige Bedingungen vorfinden.

An einer Wasseroberfläche orientieren sich die Tenside beispielsweise so, dass die polare Kopfgruppe in das Wasser zeigt und die unpolare Seitenkette in die Gasphase, also etwa in die Luft. So können Tenside mit beiden Phasen gute Wechselwirkungen eingehen. Durch die Anlagerung von Tensiden an der Oberfläche verringert sich die Oberflächenspannung. Die Zugabe von Tensiden erleichtert daher die Vermischung unpolarer und polarer Phasen.

Die Geschwindigkeit, mit der sich Tenside an der Oberfläche anlagern, ist eine charakteristische Größe für jedes Tensid. Sie ist bestimmt durch die Diffusions- und Adsorptionsgeschwindigkeit des Tensids. Misst man beispielsweise die Oberflächenspannung einer frisch gebildeten Wasseroberfläche mit einem zugegebenen Tensid gegenüber Luft, so liefert die Messung zu Beginn den Oberflächenspannungswert von reinem Wasser, also 72,5 mN/m bei Raumtemperatur. Dieser Wert nimmt wegen des Tensids über die Zeit ab.

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 sogenannten 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 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.

Abbildung 2: Die dynamische Oberflächenspannung σ nimmt mit der Zeit ab, während sich die Tenside an der Oberfläche anlagern. Die statische Oberflächenspannung stellt sich nach einiger Zeit ein.

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.

In der Praxis verwendet man für eine solche Bestimmung ein Blasendruck-Tensiometer, wie das MBP 200 von DataPhysics Instruments. Das Ziel besteht darin, die Oberflächenspannung in Abhängigkeit des Oberflächenalters der Blase zu messen. Bei einem gleichbleibenden Volumenstrom erhält man den Wert der Oberflächenspannung für ein gewisses Oberflächenalter. Um Werte für verschiedene Oberflächenalter der Blase zu ermitteln, muss der Volumenstrom variiert werden. So 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.

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