Stood-up Drop
Der Stood-up Drop ist eine Dosier- und Messmethode zur optischen Bestimmung des Rückzugsabschlusswinkels (recently receded contact angle, RRCA). Dieser Kontaktwinkel bildet sich unmittelbar nach dem Rückzug einer Flüssigkeit von einem Festkörper aus und charakterisiert daher die Entnetzung.
Wie funktioniert die Stood-up Drop Methode?
Bei der Stood-up Drop Methode wird die Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit mittels Drucks mit einem dünnen Strahl auf die feste Oberfläche dosiert. Durch die hohe Dynamik breitet sich die Flüssigkeit zunächst flach auf dem Festkörper aus (Benetzung) und zieht sich dann zu einem Tropfen zusammen (Entnetzung).
Unterliegen die so entstehende Tropfenform und der gemessene Kontaktwinkel nicht dem Zufall?
Bei den Kräften, welche den Tropfen zusammenziehen, handelt es sich um eine Kombination aus der Oberflächenspannung der Flüssigkeit und der Grenzflächenspannung zwischen Flüssigkeit und (vorbenetztem) Festkörper. Die benetzte Fläche verkleinert sich, bis sich ein Gleichgewicht zwischen der Oberflächenspannung und den entnetzbarkeitsdominierenden Eigenschaften (freie Oberflächenenergie der Entnetzung, Rauheit, etc.) des vorbenetzten Festkörpers gebildet hat. Der so entstandene Rückzugsabschlusswinkel (recently receded contact angle, RRCA) ist also wohldefiniert.
Ist der Kontaktwinkel unabhängig davon, wie der analysierte Tropfen entstanden ist?
Der Kontaktwinkel, der sich im Zuge der Benetzung ausbildet (Fortschreitwinkel), unterscheidet sich signifikant von dem bei Entnetzung auftretenden Kontaktwinkel (Rückzugswinkel). Der Fortschreitwinkel ist niemals kleiner als der Rückzugswinkel; darüber hinaus gibt es eine klare Korrelation zwischen diesen Kontaktwinkeln.
Die Differenz zwischen Fortschreit- und Rückzugswinkel wird Kontaktwinkelhysterese genannt, die als dritter, unabhängiger Parameter das Bild vom Verhalten einer Flüssigkeit auf einer Oberfläche vervollständigt.
Welche Eigenschaften des Materials charakterisiert der Stood-up Drop?
Da der Stood-up Drop den Zustand der Fest-flüssig-Grenzfläche nach deren Verkleinerung wiedergibt, ist er besonders geeignet, um technische Entnetzungsvorgänge zu charakterisieren. Es wurde z. B. festgestellt, dass Ergebnisse von Adhäsionstests für Haftkleber (pressure sensitives adhesives, PSA's) die einem Entnetzungsvorgang nahekommen, oft mit Rückzugswinkeln korrelieren.
Mit dem Stood-up Drop lassen sich außerdem Auswirkungen von oberflächenchemischen oder mechanischen Einwirkungen auf die Entnetzung eines Materials bestimmen. Es hat sich gezeigt, dass sich bei vielen solcher Behandlungen, z. B. Oberflächenaktivierungen, der Rückzugswinkel stärker ändert als der (im Zuge der Benetzung gemessene) Fortschreitwinkel. Der Rückzugswinkel kann daher als sensibles Werkzeug in der F&E und bei der Fehlersuche zusätzlich zu den bisher etablierten Messungen des Fortschreitwinkels eingesetzt werden.
In vielen Fällen kann der Stood-up Drop nach unaufwändigen, empirischen Voruntersuchungen zügig in industrielle Prozessketten integriert werden. Dabei wird zunächst untersucht, ob eine Korrelation zwischen dem RRCA und einem Prozess- oder QC-Parameter besteht. Diese Korrelation kann dann ggf. genutzt werden, um mittels schnellen Prescreenings die Zahl komplizierterer Qualitätsuntersuchungen zu reduzieren oder diese sogar vollständig zu ersetzen.
Warum eignet sich die Messung des RRCA mit dem Stood-up Drop besonders für die Qualitätskontrolle?
Bei der Qualitätssicherung sind Schnelligkeit und nutzerunabhängige Ergebnisse gefordert. Der Stood-up Drop liefert den Messwert für den RRCA in weniger als einer Sekunde. Durch die definierte Dosierhöhe und die immer gleiche, vorgegebene Dosierdynamik sind die Ergebnisse außerdem gut reproduzierbar und besonders verlässlich.
Das Rückziehen eines dosierten Tropfens durch Einsaugen über eine Dosiernadel dauert erheblich länger und unterliegt zudem stärkeren Einflüssen durch Benutzerentscheidungen (z. B. Volumenstrom, Dosierhöhe).
Schneller und zuverlässiger ist der Stood-up Drop auch gegenüber der Testtintenmethode, welche ebenfalls das Rückzugsverhalten auf einer Oberfläche beschreibt. Anders als beim manuellen und nutzerabhängigen Tintentest liegt das Ergebnis digital vor und wird lückenlos dokumentiert, inklusive der bei der Tropfenkonturanalyse gespeicherten Bilder.
Was ist der Unterschied zwischen dem Rückzugsabschlusswinkel (RRCA) und dem dynamischen Rückzugswinkel (RCA)?
Der dynamische Rückzugswinkel RCA wird im Zuge der Rückzugsbewegung der Flüssigkeit gemessen, der Rückzugsabschlusswinkel RRCA erst dann, wenn die Dreiphasen-Kontaktlinie (Basislinie) in Ruhe ist. Mit dem Stood-up Drop kann nur der RRCA, nicht aber der RCA gemessen werden, da die Tropfenform während des schnellen Zusammenziehens weitgehend undefiniert ist. Mit einer Nadeldosiereinheit, bei welcher das Rückziehen durch Einsaugen von Flüssigkeit aus dem Tropfen erfolgt, können beide Rückzugswinkel gemessen werden.
RRCA und RCA sind bei vielen Oberflächen gleich groß, in manchen Fällen, z. B. bei inhomogenen Oberflächen, kann der RRCA jedoch größer ausfallen als der RCA. Das liegt daran, dass durch das Einsaugen eine von der Benetzbarkeit unabhängige Kraft auf den Tropfen wirkt, die mögliche Entnetzungsbarrieren überwinden kann.
Welche Flüssigkeit wird für den Stood-up Drop verwendet?
Für die Messung des RRCA mit dem Stood-up Drop wird bisher ausschließlich reines Wasser verwendet. Die Umgehung gesundheitsschädlicher Flüssigkeiten ist für die QC ein weiterer Vorteil gegenüber Testtinten, bei denen in der Regel problematische Stoffe zum Einsatz kommen. In vielen Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass der mit Wasser gemessene RRCA-Wert geeignet ist, um die Geeignetheit der Oberfläche für weitere Produktionsschritte zu bestimmen.
Wenngleich die Dosierung anderer Flüssigkeiten denkbar ist, gaben die bisherigen, zufriedenstellenden Ergebnisse keinen Anlass, das Substanzspektrum zu erweitern. Prinzipiell kommen nicht alle Flüssigkeiten in Frage, weil für die Bildung eines wohlgeformten Stood-up Drop die Oberflächenspannung der Flüssigkeit hinreichend groß sein muss, was bei Wasser der Fall ist. Die Dichte und die Viskosität spielen ebenfalls eine Rolle. Bei Diiodmethan etwa, einer Standard-Testflüssigkeit für Messungen der freien Oberflächenenergie, ist die Differenz zwischen dem RRCA mit dem Stood-up Drop und dem RCA mit einer Nadel oft deutlich größer als bei Wasser. Daher wird der Stood-up Drop nicht für Bestimmungen einer freien Oberflächenenergie der Entnetzung verwendet.
Eine Druckstrahldosiereinheit für Kontaktwinkel – hat KRÜSS dafür nicht die Liquid Needle entwickelt?
Während beim Stood-up Drop die Dosierdynamik so hoch ist, dass der Tropfen auf jeden Fall eine größere Fläche benetzt und sich dann zusammenzieht, macht die Liquid Needle das genaue Gegenteil: sie sorgt für eine dynamikarme Ausbreitung des Tropfens ohne Vorbenetzung seiner Umgebung.
Bei den mit der Liquid Needle gemessenen Kontaktwinkeln handelt es sich um Fortschreitwinkel, genauer um einen dynamischen Fortschreitwinkel (advancing contact angle, ACA) während der Dosierung und einen Fortschreitabschlusswinkel (recently advanced contact angle, RACA) unmittelbar nach der Dosierung. Unseren Untersuchungen zufolge geben der RACA mit der Liquid Needle und der RRCA mit dem Stood-up Drop die am eindeutigsten definierten Tropfenformen wieder, jeweils für den Fortschreit- und für den Rückzugsvorgang. Beide Methoden in Kombination liefern ein vollständiges Bild des Be- und Entnetzungsverhaltens.
