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Einführung in die Oberflächenenergie

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Grundlagen zur Oberflächenenergie

Alle Materialien verfügen über Eigenschaften wie die Dichte oder den Schmelzpunkt anhand derer man sie charakterisieren und unterscheiden kann. Die Oberflächenenergie ist eine weitere Materialeigenschaft: Sie ist ein Maß für die Anziehungskraft der Materialmoleküle sowohl untereinander als auch zu Molekülen anderer Materialien. Die Oberflächenenergie ist ein guter Gradmesser dafür, wie einfach oder schwierig sich eine Oberfläche verkleben lässt.

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Erfahren Sie, welche Auswirkung unterschiedliche Oberflächenenergieniveaus darauf haben, ob sich Materialien einfach oder schwer verkleben lassen.
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Was ist mit Benetzung gemeint?

Unter „Benetzung“ oder „benetzen“ versteht man das Auseinanderfließen oder Ausbreiten einer Flüssigkeit, wenn sie auf eine feste Oberfläche aufgetragen wird. Durch die Benetzung erlangt der Klebstoff einen engen Kontakt zur Oberfläche des zu verklebenden Materials. Abhängig von der Oberflächenenergie des Materials wird ein Klebstoff entweder in natürlicher Weise über die Oberfläche fließen und diese benetzen oder dazu neigen, Tröpfchen zu bilden. Die Benetzung ist eine notwendige Voraussetzung für eine Klebeverbindung.

  • Beispiel einer guten Benetzung – Wasser breitet sich aus

    Gute Benetzung – das Wasser breitet sich aus

  • Beispiel einer schlechten Benetzung – Wasser bildet Tröpfchen

    Schlechte Benetzung – das Wasser bildet Tröpfchen

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Benetzung von Materialien mit hoher und geringer Oberflächenenergie

Materialien mit hoher Oberflächenenergie lassen sich einfacher benetzen als Materialien mit niedriger Oberflächenenergie. Betrachten Sie die Soßen-Pfannen in den obigen Abbildungen. Wenn die Pfanne eine höhere Oberflächenenergie aufweist, zerfließen die Wassertröpfchen über der Oberfläche zu einem dünnen Film. Bei einer Pfanne mit niedriger Oberflächenenergie (wie das zum Beispiel bei Antihaftbeschichtungen der Fall ist), perlen die Wassertröpfchen ab. Darauf werden wir in den nächsten Abschnitten weiter eingehen.

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Messung der Oberflächenenergie

  • Die Oberflächenenergie wird in Einheiten von Energie pro Fläche oder „Dyn“ gemessen. 1 dyn/cm entspricht 1 mJ/m.

    Wie gut oder schlecht ein Klebstoff eine Materialoberfläche benetzt, hängt von der Oberflächenenergie des Materials ab. Die Oberflächenenergie wird, wie nicht anders zu erwarten, in Energie pro Fläche gemessen. Die üblicherweise dafür verwendete Einheit wird „Dynes“ genannt. 1 dyn/cm entspricht dabei 1 mJ/m.
     

    Meistens wird die Oberflächenenergie mit Wasser gemessen. Wenn ein Wassertropfen auf einer Oberfläche aufgebracht wird, wird er zu einem gewissen Grad abperlen. Theoretisch ist der Tropfen eine perfekte Kugel, wenn die Oberflächenenergie gleich null ist. Wenn dagegen die Oberflächenenergie unendlich hoch ist, bilden die Tröpfchen einen perfekt gleichmäßigen Film. Die Werte dazwischen lassen sich durch Messen des Winkels am Rand des Tropfens bestimmen. (Bei einer Kugel betrüge der Winkel 0°, bei einem Film 180°.)


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Falls Sie sich gewundert haben:

Warum wird zur Messung der Oberflächenenergie Wasser verwendet?

  • Üblicherweise wird Wasser zur Messung der Oberflächenenergie eingesetzt. Dafür gibt es verschiedene Gründe. Der wichtigste ist, dass es leicht verfügbar ist. Außerdem ist es leicht zu reinigen, relativ preiswert, zeichnet sich durch eine geringe Viskosität aus und kommt auf der Oberfläche sehr schnell zur Ruhe – normalerweise innerhalb von 60 Sekunden. Stellen Sie sich vor, man würde zur Messung der Oberflächenenergie zum Beispiel Pech verwenden. Das würde ein paar hundert Jahre dauern!

    Erfahren Sie mehr über das Pechtropfenexperiment, das am längsten andauernde Laborexperiment der Welt.


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