Hysterese des Kontaktwinkels

Der Begriff Kontaktwinkelhysterese bezeichnet das Phänomen, dass bei nicht vollständig benetzbaren Oberflächen der sich im Zuge der Benetzung einstellende Kontaktwinkel (Fortschreitwinkel) größer ist als der Kontaktwinkel bei der Entnetzung (Rückzugswinkel).

Allgemein beschreibt Hysterese das Verhalten eines Systems, bei dem eine Ausgangsgröße von einer Eingangsgröße und zusätzlich vom vorherigen Zustand der Ausgangsgröße abhängt. Dabei nimmt die Ausgangsgröße bei Zunahme der Eingangsgröße andere Werte an als bei deren Abnahme.

Wie entsteht Kontaktwinkelhysterese?

Hysterese tritt bei fast allen nicht vollständig benetzbaren Oberflächen auf (Kontaktwinkel > 0°), wobei sie bei chemisch und/oder topographisch inhomogenen Oberflächen in der Regel ausgeprägter ist. Im Zuge der Benetzung können zum Beispiel Vertiefungen rauer Oberflächen mit Flüssigkeit gefüllt werden, was bei der Rückzugsbewegung die Benetzbarkeit erhöht. Zudem wird der Grad der Hysterese mit der Adhäsionskraft zwischen der Flüssigkeit und der festen Oberfläche in Verbindung gebracht.

Für welche Fragestellungen ist die Hysterese des Kontaktwinkels interessant?

Zunächst einmal treten bei der Entstehung von Fest-flüssig-Phasengrenzen Be- und Entnetzungsprozesse häufig zusammen auf, sodass zu einer vollständigen Charakterisierung der Benetzbarkeit beide Vorgänge und deren Unterschiede betrachtet werden sollten.

Besonders aufschlussreich ist die Hysterese bei der Beurteilung hydrophober, antiadhäsiver und/oder selbstreinigender Oberflächen. Die landläufige Auffassung, dass ein hoher initialer Kontaktwinkel die wasserabweisenden Eigenschaften solcher Materialien charakterisiert, trifft nicht immer zu; die Adhäsion der Flüssigkeit kann sogar überraschend stark sein (Rose Petal Effect). Durch die komplementäre Messung des Verhaltens bei der Entnetzung und der Quantifizierung der Hysterese können hydrophobe Materialien daher umfassender analysiert werden.

Wie wird die Hysterese des Kontaktwinkels bestimmt?

Da die Hysterese das unterschiedliche Verhalten bei Benetzung und Entnetzung beschreibt, werden Kontaktwinkelmessmethoden verwendet, die beide Vorgänge abbilden. Anschließend wird die Differenz zwischen den erhaltenen Kontaktwinkelwerten berechnet.

Optische Messung mit kontaktlos druckdosierten Tropfen: Mit der Liquid Needle wird an einem Tropfen, der sich dynamikarm ausgebreitet und nicht zurückgezogen hat, der Fortschreitabschlusswinkel (recently advanced contact angle, RACA) gemessen. Komplementär erfasst die Stood up Drop Methode den Rückzugabschlusswinkel (recently receded contact angle, RRCA) unmittelbar nach der Bildung eines sich selbst zusammenziehenden Tropfens.
Optische Messung mit einer Nadeldosiereinheit (needle-in): Der Tropfen wird zur Messung des Fortschreitwinkels (advancing contact angle, ACA) mithilfe einer Dosiernadel durch Volumenzugabe vergrößert und für den Rückzugswinkel (receding contact angle, RCA) durch Absaugen verkleinert.
Optische Messung kombiniert mit einer Neigeeinrichtung: Der Tropfen gleitet über die geneigte Oberfläche. In Bewegungsrichtung wird vorne der Fortschreitwinkel und hinten der Rückzugswinkel gemessen.
Meniskusmethode (optische Methode für Fasern): Gemessen wird der Kontaktwinkel am Meniskus einer eintauchenden Faser im Zuge des Eintauchens (Fortschreitwinkel) und des Herausziehens (Rückzugswinkel).
Mechanische Methode nach Wilhelmy mit einem Tensiometer: Gemessen wird die Benetzungskraft (Kapillarkraft) an einem Probenkörper oder einer Faser beim Eintauchen und Herausziehen (bzw. Heben und Senken der Flüssigkeit).