Kontaktwinkel geben Aufschluss über die Benetzbarkeit von festen Proben. Dynamische Kontaktwinkel lassen sich mit einem kraftbasierten Tensiometer und der Wilhelmy-Gleichung bestimmen. Imaginäre Kontaktwinkel sind rechnerische Lösungen für die Wilhelmy-Gleichung, die vor allem bei stark benetzbaren und rauen Oberflächen von Bedeutung sind.
Grundlagen: Der Kontaktwinkel an der Drei-Phasen-Kontaktlinie
Bevor wir uns den imaginären Kontaktwinkeln widmen, müssen einige Grundlagen geklärt werden. Um die Situation an der Grenzfläche zwischen verschiedenen Materialien näher zu beschreiben, ist der Kontaktwinkel Θ eine der wichtigsten Messgrößen. Der Kontaktwinkel kann gemessen werden, indem ein Flüssigkeitstropfen auf einer Festkörperoberfläche abgesetzt wird. Nun treffen drei verschiedene Phasen - Festkörper, Flüssigkeit und Gas - an der Drei-Phasen-Kontaktlinie aufeinander.
Ist das System in Ruhe, herrscht an der Drei-Phasen-Kontaktlinie ein Gleichgewicht der tangentialen Kräfte. In diesem Zustand bildet sich an der Drei-Phasen-Kontaktlinie der statische Kontaktwinkel ΘC aus. Ist das System in Bewegung, etwa, wenn die Festkörperoberfläche gekippt wird, kann man die dynamischen Kontaktwinkel ΘAdv und ΘRec bestimmen.
Kontaktwinkel geben Aufschluss über Benetzung des Festkörpers
Die Messung des Kontaktwinkels einer Flüssigkeit auf einem Festkörper gibt Aufschluss über das Benetzungsverhalten dieser Kombination. Das angestrebte Benetzungsverhalten ist von dem jeweiligen Anwendungsfall abhängig.
Bei einem Kontaktwinkel von 180° liegt der Tropfen kugelförmig zusammengezogen auf der Oberfläche auf und berührt den Festkörper nur an einem Punkt. In diesem Fall spricht man von vollständiger Entnetzung. Bei einem Kontaktwinkel von 0° ist der Tropfen vollständig auf der Festkörperoberfläche ausgebreitet oder gespreitet. Der Tropfen bildet einen dünnen, Flüssigkeitsfilm auf der festen Oberfläche. In diesem Fall spricht man von vollständiger Benetzung. Bei außerordentlich gut benetzbaren Proben ist es allerdings möglich, eine bessere Benetzung als mit einem Kontaktwinkel von 0° zu erreichen. Man spricht dann von imaginären Kontaktwinkeln.
Was sind dynamische Kontaktwinkel?
Der statische Kontaktwinkel beschreibt den Zustand im Gleichgewicht, sprich in Ruhe. Zusätzlich zum statischen können auch dynamische Kontaktwinkel bestimmt werden. Sie beschreiben einen Zustand bei dem sich die Drei-Phasen-Kontaktlinie in Bewegung befindet.
Man unterscheidet zwei dynamische Kontaktwinkel. Der Fortschreite-Kontaktwinkel ΘAdv beschreibt, wie eine Flüssigkeit einen Festkörper benetzt. Im Detail liefert er Erkenntnisse darüber, wie die Benetzung eines trockenen Festkörpers mit Flüssigkeit vonstattengeht. Der Rückzugs-Kontaktwinkel ΘRec beschreibt, wie die Flüssigkeit den Festkörper entnetzt. Der Rückzugs-Kontaktwinkel charakterisiert also, wie die Flüssigkeit sich von einem nassen Festkörper löst.