Kontaktwinkel

Bei vielen Grenzflächenphänomenen treffen drei verschiedene Phasen aufeinander, wobei die häufigste Situation das Zusammentreffen von Festkörper, Flüssigkeit und Gas ist. Die drei Phasen treffen an der sogenannten Drei-Phasen-Kontaktlinie aufeinander. Ist das System in Ruhe/im Gleichgewicht (statische Situation), so ist die Drei-Phasen-Kontaktlinie unbewegt und an ihr herrscht ein Gleichgewicht der tangentialen Kräfte, welche durch die Grenz- und Oberflächenspannungen hervorgerufen werden.
Steht eine Flüssigkeit mit einem Festkörper und einem Gas in Kontakt, so bildet sich an der Drei-Phasen-Kontaktlinie zwischen Festkörper und Flüssigkeit der Gleichgewichtskontaktwinkel ΘC aus. Das vorherrschende vektorielle Kräftegleichgewicht (vgl. Abbildung) lässt sich durch eine anschauliche skalare Gleichung ausdrücken. Eine Vektorprojektion auf die Kontaktfläche zwischen Flüssigkeit und Festkörper liefert die Young-Gleichung:

(Young Gleichung) Gleichgewichtskontaktwinkel Oberflächenspannung der Flüssigkeit Oberflächenenergie des Festkörpers Grenzflächenenergie zwischen Festkörper und Flüssigkeit Young Gleichung

Die Oberflächenenergie des Festkörpers und die Grenzflächenenergie zwischen Festkörper und Flüssigkeit sind in der Regel unbekannt. Um diese Werte bestimmen zu können verwendet man Modelle, die verschiedene Arten von Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Festkörper berücksichtigen.

Für den Gleichgewichtskontaktwinkel gibt es zwei Extremwerte. Bei 0° ist der Tropfen vollständig auf der Festkörperoberfläche ausgebreitet (gespreitet) und bildet einen dünnen (monomolekularen) Flüssigkeitsfilm. In diesem Fall spricht man von vollständiger Benetzung. Bei einem Winkel von 180° liegt der Tropfen kugelförmig zusammengezogen vor und berührt den Festkörper nur noch in einem Punkt. In diesem Fall spricht man von vollständiger Entnetzung.

Je nach Anwendung möchte man dem Minimal- oder dem Maximalwert des Kontaktwinkels durch entsprechendes Materialdesign möglichst nahe kommen. Ein Beispiel für Materialien mit sehr hohem Kontaktwinkel ist Keramik mit "Lotus-Effekt", welche besonders leicht zu reinigen sein soll. Hier kann Wasser leicht abperlen. Beispiele für einen geringen Kontaktwinkel finden sich in der Farben- und Lackindustrie, wo eine möglichst gute Verteilung der flüssigen Formulierung auf dem Festkörper angestrebt wird.

Der Gleichgewichtskontaktwinkel kann optisch über die Sessile Drop Methode mit einem Kontaktwinkelmessgerät und Konturanalysesystem bestimmt werden.

Kontaktwinkel an einer fest-flüssig-gas-Kontaktlinie Abbildung Kontaktwinkel an einer fest-flüssig-gas-Kontaktlinie