Als Kontaktwinkel ${\displaystyle \theta }$ (theta; auch Dihedrischer, Rand- oder Benetzungswinkel) wird derjenige Winkel bezeichnet, den die Oberfläche eines Flüssigkeitstropfens mit der Oberfläche eines Feststoffs bildet, wobei das mit Flüssigkeit befüllte Tropfenvolumen vom Kontaktwinkel eingeschlossen wird. Da die Oberfläche des Flüssigkeitstropfens aufgrund von dessen Oberflächenspannung gekrümmt ist, entspricht der Kontaktwinkel dem Winkel zwischen der Tangente an die Tropfenoberfläche in unmittelbarer Nähe zur Festkörperoberfläche und der Festkörperoberfläche selber. Verallgemeinert ist der Kontaktwinkel der experimentell beobachtbare Winkel zwischen einer Festkörperoberfläche und der Tangente an die Grenzfläche zweier fluider Phasen an der Dreiphasen-Kontaktline der beiden fluiden Phasen und der Festkörperoberfläche, der das mit der dichteren fluiden Phase befüllte Volumen einschließt. Die weniger dichte fluide Phase kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Kontaktwinkel sind eine wichtige Größe zur Quantifizierung der Benetzbarkeit von Festkörperoberflächen.

Bedeutung

Je kleiner der Kontaktwinkel zwischen benetzender Flüssigkeit und benetzter Festkörperoberfläche ist, desto höher ist die Benetzbarkeit der benetzten Festkörperoberfläche bezogen auf die benetzende Flüssigkeit. Dabei spricht man von Spreitung oder vollständiger Benetzung, wenn sich die Flüssigkeit auf der Festkörperoberfläche in Form eines flachen Films ausbreitet, was einem Kontaktwinkel von 0° entspricht. Ist der Kontaktwinkel größer 0° und kleiner 90°, spricht man von partieller Benetzung. Ist der Kontaktwinkel größer als 90°, spricht man von Nichtbenetzung.

Sofern Wasser die benetzende Flüssigkeit ist, bezeichnet man die benetzte Festkörperoberfläche:

• bei kleinen Kontaktwinkeln als hydrophil („wasserliebend“)
• bei Kontaktwinkeln über 90° als hydrophob (wasserabweisend)
• bei Kontaktwinkeln über 150° als superhydrophob.

Durch Oberflächenbehandlung kann der Kontaktwinkel verändert werden. In bestimmten Formen der Oberflächenstrukturierung entstehen omniphobe Eigenschaften, die sowohl hydrophob als auch lipophob sind. Das Gegenteil ist die Amphiphilie.

Definitionen

Kontaktwinkel auf heterogenen Oberflächen

Bei feinstrukturierten Oberflächen beobachtete R. Wenzel die Änderung des Kontaktwinkels zu ${\displaystyle \theta _{W}*}$:

${\displaystyle \cos {\theta }_{W}*=r\cdot \cos {\theta }}$

mit r als Verhältnis der tatsächlichen zur projizierten Fläche.

Dabei verstärkt die Feinstrukturierung die bereits vorhandenen Eigenschaften der Oberfläche: eine hydrophobe Oberfläche, d. h. mit einem Kontaktwinkel über 90°, wird noch wasserabweisender, z. B. beim Lotoseffekt, während eine hydrophile Oberfläche noch hydrophiler wird.

Cassie und Baxter beobachteten die Änderung des Kontaktwinkels zu ${\displaystyle \theta _{CB}*}$, wenn der Tropfen nur noch auf den Erhebungen der feinstrukturierten Oberfläche aufliegt:

${\displaystyle \cos {\theta }_{CB}*=\phi \cdot [\cos({\theta })+1]-1}$

mit ${\displaystyle \phi }$ als Kontaktfläche zwischen fest und flüssig.

Dabei muss die folgende Ungleichung erfüllt sein:

${\displaystyle \cos {\theta }<{\frac {\phi -1}{r-\phi }}}$

Alternative Kriterien für den Cassie-Baxter-Zustand sind: Die Kontaktlinienkräfte müssen die Gravitation übersteigen, und die Feinstrukturen müssen lang genug sein, um eine Ausbildung von Brücken zur Grundfläche zu verhindern.

Die Abhängigkeit von Kontaktwinkeln auf heterogenen Festkörperoberflächen von den Ober- und Grenzflächenspannungen der beteiligten fluiden Phasen (der benetzenden Flüssigkeit und einer weiteren fluiden Phase wie einem umgebenden Gas) sowie der benetzten Festkörperoberfläche wird kontrovers diskutiert. So vertreten unter anderem McCarthy und Koautoren die Auffassung, dass Kontaktwinkel durch die Eigenschaften der Dreiphasen-Kontaktlinie zwischen den beteiligten fluiden Phasen und der Festkörperoberfläche bestimmt werden.

Kontaktliniendichte zur Vorhersage der Oberflächeneigenschaften

Ein Modell zur Vorhersage der Oberflächeneigenschaften verwendet die Kontaktliniendichte Λ, bei vier Kontaktpunkten ist Λ = 4x/y². Die kritische Kontaktliniendichte Λ_c wird durch folgende Gleichung beschrieben:

${\displaystyle \Lambda _{C}={\frac {-\rho {g}{V^{1/3}}\left(\left({\frac {1-\cos \left(\theta _{a}\right)}{\sin(\theta _{a})}}\right)\left(3+\left({\frac {1-\cos(\theta _{a})}{\sin(\theta _{a})}}\right)^{2}\right)\right)^{2/3}}{(36\pi )^{1/3}\gamma \cos(\theta _{a,0}+w-90)}}}$

mit

ρ = Dichte der Flüssigkeit

g = Gravitation

V = Volumen der Flüssigkeit

θ_a = letzter Kontaktwinkel vor einer Bewegung

θ_a,0 = letzter Kontaktwinkel vor einer Bewegung auf glatter Oberfläche

γ = Grenzflächenspannung der Flüssigkeit

w = tower wall-Winkel

Wenn Λ > Λ_c ist, befindet sich die Flüssigkeit im Cassie-Baxter-Zustand, sonst im Wenzel-Zustand. Die veränderten letzten Kontaktwinkel vor einer Bewegung werden durch folgende Gleichung beschrieben:

${\displaystyle \theta _{a}=\lambda _{p}(\theta _{a,0}+w)+(1-\lambda _{p})\theta _{\text{Gas}}}$

${\displaystyle \theta _{r}=\lambda _{p}\theta _{r,0}+(1-\lambda _{p})\theta _{\text{Gas}}}$

mit dem Wenzel-Zustand:

${\displaystyle \theta _{a}=\lambda _{p}(\theta _{a,0}+w)+(1-\lambda _{p})\theta _{a,0}}$

${\displaystyle \theta _{r}=\lambda _{p}(\theta _{r,0}-w)+(1-\lambda _{p})\theta _{r,0}}$

mit

λ_p = linearer Anteil der Kontaktlinie zur Unebenheit

θ_r,0 = Rückkehrender Kontaktwinkel auf einer glatten Oberfläche

θ_Gas = Kontaktwinkel zwischen Flüssigkeit und Luft (als 180° angenommen)

Siehe auch

• Kapillareffekt
• Kapillarität (Oberflächenphysik)
• OWRK-Verfahren
• Young-Laplace-Gleichung

Weblinks

• Literatur zu Kontaktwinkel und Kontaktwinkelmessung
• Theoretische Grundlagen der Kontaktwinkelmessung

Einzelnachweise