Die Tropfenkonturanalyse ist eine optische Messmethode, mit der sich verschiedene Eigenschaften von Flüssigkeiten und Festkörpern direkt oder indirekt bestimmen lassen. Für die Messung wird das Bild eines Tropfens aufgezeichnet und die Kontur des Tropfens ausgewertet.

Messgeräte für die Tropfenkonturanalyse

Mit Hilfe der Tropfenkonturanalyse können wichtige Ober- und Grenzflächeneigenschaften von Flüssigkeiten und Festkörpern bestimmt werden. Für die Analyse der Tropfenkontur wird ein Tropfen mit einer Kamera erfasst und die Kontur des Tropfens mit einer Software ausgewertet.

Im Wesentlichen besteht ein System für die Tropfenkonturanalyse aus einer Kamera, der zu analysierenden Probe und einer Lichtquelle. Optische Kontaktwinkelmessgeräte, etwa die der OCA-Serie von DataPhysics Instruments, können sowohl Kontaktwinkel als auch die statische und dynamische Grenz- und Oberflächenspannung messen. Die Tropfen werden in einer Seitenansicht von der Kamera beobachtet und die Tropfenkontur mit einer Software ausgewertet.

Mit einem Spinning-Drop-Tensiometer, wie etwa dem SVT 25 von DataPhysics Instruments, können besonders geringe Grenzflächenspannungen gemessen werden. Dabei wird die Kontur eines Tropfens in einer rotierenden Kapillare analysiert.

Methoden für die Tropfenkonturanalyse

Mit einem optischen Kontaktwinkelmessgerät, wie denen der OCA-Serie von DataPhysics Instruments, können viele verschiedene Methoden durchgeführt werden. Die sogenannte Sessile-Drop-Methode dient der Messung von statischen Kontaktwinkeln und der Bestimmung der Oberflächenenergie von Festkörpern. Bei der Sessile-Drop-Methode wird ein Tropfen auf einer glatten Oberfläche abgesetzt (Abbildung 2).

Diese Methode kann zur Captive-Bubble-Methode abgewandelt werden. Hierbei wird die Oberfläche des Festkörpers in eine umgebende Flüssigkeit getaucht und der Tropfen der zu messenden Flüssigkeit oder eine Gasblase mit einer U-förmig gebogenen Nadel von unten an die eingetauchte Oberfläche dosiert.

Die sogenannte Pendant-Drop-Methode liefert als Ergebnis die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten (Abbildung 3). Hierbei hängt der Tropfen an einer Nadelspitze. Ist dieser Tropfen in eine weitere Flüssigkeit getaucht, so kann auf diese Weise die Grenzflächenspannung gemessen werden.

Neben den statischen Werten lassen sich über die Auswertung auch dynamische Messwerte wie der Fortschreite- und Rückzugswinkel bestimmen. Dazu sind weitere Methoden nötig. Die sogenannte Needle-in-Methode ist ähnlich aufgebaut wie die Sessile-Drop-Methode: Dabei liegt der Tropfen auf einer Festkörperoberfläche auf. Zusätzlich ist eine Nadel in den Tropfen eingetaucht. Sie wird verwendet, um den Tropfen dynamisch zu vergrößern und verkleinern, um so die dynamischen Kontaktwinkel zu messen.

Eine Methode zur Messung der dynamischen Oberflächenspannung ist die Oscilliating-Drop-Methode. Dabei wird der Tropfen, wie bei der Pendant-Drop-Methode, von einer Nadel hängend dosiert. Im regelmäßigen Abständen wird Flüssigkeit in den Tropfen zudosiert oder abgezogen, sodass sich der Tropfen vergrößert und verkleinert.

Mit einem Spinning-Drop-Tensiometer, wie etwa dem SVT 25 von DataPhysics Instruments, lassen sich besonders niedrige Grenzflächenspannungen messen. Hierzu wird die sogenannte Spinning-Drop-Methode verwendet. Dabei wird eine Kapillare mit einer Flüssigkeit gefüllt und ein Tropfen einer anderen Flüssigkeit in diese Flüssigkeit dosiert. Die Kapillare wird dann bei hohen Drehzahlen gedreht, sodass sich der Tropfen, abhängig von der Geschwindigkeit, verformt.

Tropfenkonturanalyse: Auswertung

Die Tropfenkonturanalyse erfolgt über eine moderne Software, die das aufgezeichnete Kamerabild auswertet. Die Kontur des Tropfens wird über den Schwarz-Weiß-Kontrast erkannt und eine mathematische Gleichung an die Form des Tropfens angepasst. Dabei gibt es verschieden Modelle, welche die Tropfenform beschreiben können. Anhand dieser Modelle werden automatisch Werte wie die Oberflächenspannung, der Kontaktwinkel oder die Grenzflächenspannung ausgegeben.