Wie funktioniert die Pendant-Drop-Methode?

Abbildung 1: Die Pendant-Drop-Methode erlaubt es, die Grenz- und Oberflächenspannung eines Flüssigkeitstropfens zu bestimmen. Die Ergebnisse ermöglichen Analysen des Benetzungs- und Mischverhaltens der Flüssigkeit.

Die Pendant-Drop-Methode dient der optischen Bestimmung der Grenz- und Oberflächenspannung von Flüssigkeiten. Für die Messung wird hierzu das Bild eines Tropfens aufgezeichnet, der von einer Nadel hängt. Mit Hilfe der Young-Laplace-Gleichung kann aus diesem Bild die Oberflächenspannung oder die Grenzflächenspannung berechnet werden.

In der Chemie und Materialwissenschaft ist die Messung der Oberflächenspannung wichtig, um das Verhalten von Flüssigkeiten auf Oberflächen zu verstehen. Dies ist beispielsweise relevant bei der Entwicklung von Beschichtungen und Farben. Die Grenzflächenspannung zwischen zwei Flüssigkeiten ist unter anderem dann von Bedeutung, wenn zwei Flüssigkeiten miteinander vermischt werden sollen. Ein Beispiel aus der Lebensmittelindustrie ist die Vermengung von Ölen mit Wasser. Die Oberflächenspannung und die Grenzflächenspannung kann optisch mit der sogenannten Pendant-Drop-Methode bestimmt werden, welche nachfolgend vorgestellt wird.

Der Messaufbau für die Pendant-Drop-Methode

Bei der Pendant-Drop-Methode handelt es sich um eine Messmethode, die mithilfe eines optischen Kontaktwinkelmessgeräts, etwa denen der OCA-Serie von DataPhysics Instruments, durchgeführt werden kann. Der Aufbau besteht im Wesentlichen aus einer an einen PC angeschlossenen Kamera, einer Lichtquelle und einem an einer Dosiernadel hängenden Flüssigkeitstropfen (vgl. Abbildung 2).

Abbildung 2: Der schematische Messaufbau für die Pendant-Drop-Methode besteht aus einer an einen PC angeschlossenen Kamera, einer Lichtquelle und einem an einer Dosiernadel hängenden Flüssigkeitstropfen.

Ermittlung der Oberflächenspannung mit Hilfe der Pendant-Drop-Methode

Eine Software übernimmt die Auswertung der aufgezeichneten Kamerabilder. Über die Kontrastwerte des Bildes kann die Kontur des hängenden Flüssigkeitstropfen erkannt werden. Mithilfe eines numerischen Verfahrens auf Basis der Young-Laplace-Gleichung wird daraufhin die Oberflächenspannung berechnet.

Der aus der Young-Laplace-Gleichung ableitbare Zusammenhang ist selbst mit bloßem Auge sichtbar: Die Kräfte, die die ausgebildete Form des hängenden Tropfens bestimmen, sind im Wesentlichen die Oberflächenspannung und die Schwerkraft. Die Oberflächenspannung versucht, die Oberfläche zu minimieren und den Tropfen möglichst in Kugelform zu bringen. Die Gravitation hingegen streckt den Tropfen aus dieser Kugelform, sodass sich die typische, an eine Birne erinnernde Form, ergibt. Ist die Oberflächenspannung hoch, ist ein Tropfen folglich eher „kugelförmig“. Ist die Oberflächenspannung schwach, wird der Tropfen „in die Länge gezogen“.

Ermittlung der Grenzflächenspannung mit Hilfe der Pendant-Drop-Methode

Mit der Pendant-Drop-Methode kann außerdem die Grenzflächenspannung zwischen zwei Flüssigkeiten bestimmt werden. Dazu wird ein ganz ähnlicher Messaufbau verwendet. Der Unterschied besteht darin, dass der hängende Tropfen in einer umgebenden Flüssigkeit erzeugt wird.

Je nach Dichteverhältnis kann der an der Nadel hängende Tropfen auch in der umgebenden Flüssigkeit aufsteigen. In diesem Fall wird eine gebogene Nadel verwendet, damit der Tropfen seine Form ungestört nach oben ausbilden kann. Nun wird anhand des Tropfenumrisses und Annährung auf Basis der Young-Laplace-Gleichung die Grenzflächenspannung berechnet.

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