1、Dezember 2011DEUTSCHE NORM Normenausschuss Beschichtungsstoffe und Beschichtungen (NAB) im DINPreisgruppe 8DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet.ICS 01.040.87; 87.040
2、!$uA(“1823005www.din.deDDIN 55660-1Beschichtungsstoffe Benetzbarkeit Teil 1: Begriffe und allgemeine GrundlagenPaints and varnishes Wettability Part 1: Terminology and general principlesPeintures et vernis Mouillabilit Partie 1: Terminologie et principes gnrauxAlleinverkauf der Normen durch Beuth Ve
3、rlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 12 SeitenDIN 55660-1:2011-12 Inhalt Seite Vorwort . 3 1 Anwendungsbereich 4 2 Normative Verweisungen. 4 3 Begriffe 4 4 Allgemeine Grundlagen . 7 Literaturhinweise . 12 2 DIN 55660-1:2011-12 Vorwort Die vorliegende Norm wurde vom Arbeitskreis NA 002-00
4、-07-15 AK Kontaktwinkel/Benetzbarkeit“ des NA 002-00-07 AA Allgemeine Prfverfahren fr Beschichtungsstoffe und Beschichtungen“ ausgearbeitet. DIN 55660 Beschichtungsstoffe Benetzbarkeit besteht aus: Teil 1: Begriffe und allgemeine Grundlagen Teil 2: Bestimmung der freien Oberflchenenergie fester Ober
5、flchen durch Messung des Kontaktwinkels Teil 3: Bestimmung der Oberflchenspannung von Flssigkeiten mit der Methode des hngenden Tropfens Teil 4: Bestimmung des polaren und dispersen Anteils der Oberflchenspannung von Flssigkeiten aus einer Grenzflchenspannung Teil 5: Bestimmung des polaren und dispe
6、rsen Anteils der Oberflchenspannung von Flssigkeiten aus Kontaktwinkelmessungen auf einem Festkrper mit rein dispersem Anteil der Oberflchenenergie 3 DIN 55660-1:2011-12 1 Anwendungsbereich Die Normenreihe DIN 55660 legt Prfverfahren zum Messen des Kontaktwinkels, zur Bestimmung der freien Oberflche
7、nenergie einer festen Oberflche, einschlielich des polaren und des dispersen Anteils, zur Bestimmung der Oberflchenspannung von Flssigkeiten, einschlielich des polaren und des dispersen Anteils, zur berprfung der Messanordnung mit Referenzmaterialien mit optischen Methoden fest. Sie kann zur Charakt
8、erisierung von Substraten, Beschichtungen und Beschichtungsstoffen eingesetzt werden. Dieser Teil von DIN 55660 legt Begriffe fest und erlutert die allgemeinen Grundlagen. 2 Normative Verweisungen Die folgenden zitierten Dokumente sind fr die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Ve
9、rweisungen gilt nur die in Bezug genommene Ausgabe. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschlielich aller nderungen). DIN EN ISO 4618, Beschichtungsstoffe Begriffe 3 Begriffe Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die Begriffe nach DIN EN ISO 4
10、618 und die folgenden Begriffe. 3.1 Begriffe zur Bestimmung der freien Oberflchenenergie 3.1.1 chemische Homogenitt chemisch einheitliche Zusammensetzung einer zu betrachtenden Oberflche 3.1.2 topologische Homogenitt gleichmige Beschaffenheit der makroskopischen Oberflche; Ebenheit und Gltte ANMERKU
11、NG zu 3.1.1 und 3.1.2 Bei beiden Definitionen handelt es sich um rein qualitative Bewertungen der Oberflche. Im Hinblick auf die Kontaktwinkelmessung wird eine Oberflche als chemisch und topologisch hinreichend homogen angesehen, wenn beim Messen an mehreren Stellen auf der Oberflche keine signifika
12、nten Unterschiede der Kontaktwinkel festgestellt werden knnen. Die Grenzen fr die Signifikanz knnen anwenderspezifisch nach laborblichen Methoden festgelegt werden. 3.1.3 freie Grenzflchenenergie Grenzflchenspannung Energie bzw. Spannung, welche aus den zwischenmolekularen Krften an Grenzflchen resu
13、ltiert ANMERKUNG Der Begriff Grenzflchenenergie bezieht sich auf die Wechselwirkung zu festen Flchen und wird als freie Energie, bezogen auf die Flche, angegeben (Einheit mJ/m2). Der Begriff Grenzflchenspannung bezieht sich auf die Wechselwirkung zu Flssigkeiten und wird als Kraft je Lngeneinheit (m
14、N/m) angegeben. Die jeweiligen Indices l“ fr liquid“ und s“ fr solid“ kennzeichnen die beteiligten Phasen. 4 DIN 55660-1:2011-12 3.1.4 freie Oberflchenenergie s freie Grenzflchenenergie einer Festkrperoberflche 3.1.5 Oberflchenspannung lGrenzflchenspannung einer Flssigkeitsoberflche im Gleichgewicht
15、 mit ihrer Dampfphase ANMERKUNG 1 Die Oberflchenspannung wird als Kraft je Lngeneinheit (mN/m) angegeben. Sie entspricht im Zahlenwert der freien Energie der Grenz- bzw. Oberflche. ANMERKUNG 2 Die Oberflchenspannung entspricht der Arbeit, die verrichtet werden muss, um eine gegebene Oberflche um ein
16、en bestimmten Betrag zu vergrern. 3.1.6 Grenzflchenenergie (fest/flssig) sl Energie an der Phasengrenze zwischen einer festen und einer flssigen Phase 3.1.7 Dreiphasenpunkt Punkt, an dem sich die feste Phase, die flssige Phase und die Gasphase berhren (siehe Bild 1) 3.1.8 Basislinie bei ebenen Probe
17、nkrpern eine Gerade durch die beiden Dreiphasenpunkte (siehe Bild 1) 3.1.9 Kontaktwinkel Winkel zur Basislinie, der sich durch eine Tangente an die Tropfenkontur durch einen der Dreiphasenpunkte bildet (siehe Bild 1) ANMERKUNG Der Kontaktwinkel wird vorzugsweise in Grad () angegeben. 1 = (/180) Grad
18、. Dieser Kontaktwinkel wird auch als thermodynamischer Gleichgewichtskontaktwinkel bezeichnet. Legende 1 Dreiphasenpunkt 2 Flssigkeit lOberflchenspannung der Flssigkeit sFreie Oberflchenenergie der Festkrperoberflche slGrenzflchenenergie zwischen Festkrperoberflche und Flssigkeit Kontaktwinkel Bild
19、1 Benetzung 3.1.10 Aufsichtwinkel Winkel zur Ebene der Probenoberflche, unter dem der Tropfen beobachtet wird 5 DIN 55660-1:2011-12 3.1.11 Benetzung adhsiver Kontakt zwischen Festkrper und Flssigkeit 3.1.12 Benetzbarkeit Grad der Benetzung ANMERKUNG Kontaktwinkel = 0 bedeutet vollstndig benetzt und,
20、 = 180 bedeutet nicht benetzt. 3.2 Begriffe zur Bestimmung der Oberflchenspannung von Flssigkeiten 3.2.1 hngender Tropfen an einer Kanle hngender Tropfen ANMERKUNG Der Krmmungsverlauf der Kontur eines hngenden Tropfens wird im Wesentlichen durch das Eigengewicht des Tropfens und dessen Oberflchenspa
21、nnung bestimmt. Die Oberflchenspannung kann mittels Tropfenkonturanalyse aus der Form und Gre eines hngenden Tropfens berechnet werden. Voraussetzung dafr ist, dass der Tropfen gro genug (siehe DIN 55660-3) ist, damit seine Form auf Grund des Eigengewichts signifikant von der Kugelform abweicht (sie
22、he Bild 2). Legende r1 Hauptkrmmungsradius X, Z Koordinatenachsen x, z kartesische Koordinaten eines Tropfenkonturpunktes s Bogenlnge vom Ursprung bis zum Tropfenkontur-Koordinatenpunkt p Tropfenkontur-Koordinatenpunkt Tangentenwinkel in p zur X-Achse Bild 2 Hngender Tropfen 3.2.2 Young-Laplace-Glei
23、chung Gleichung, die den Differenzdruck p oberhalb und unterhalb einer gekrmmten Oberflche in Abhngigkeit von der Oberflchenspannung oder Grenzflchenspannung und den Hauptkrmmungsradien der Ober-flche (r1und r2) beschreibt: +=2111rrp (1) 6 DIN 55660-1:2011-12 3.2.3 Formparameter B dimensionsloser un
24、d numerisch ermittelter Parameter, der bei der Analyse des Tropfenbildes die Form der Tropfenkontur beschreibt ANMERKUNG Der Formparameter B wird in der Literatur auch als Form-Faktor“, Shape-Parameter“ oder Bond-Number“ bezeichnet. apex1kaB= Dabei ist kapexder Hauptkrmmungsradius im Apex des Tropfe
25、ns; a die Kapillarkonstante. ga=Dabei ist die Oberflchenspannung der zu untersuchenden Flssigkeit; die Dichtedifferenz der zu untersuchenden Flssigkeit gegenber der umgebenden Phase; g die lokale Schwerebeschleunigung. Herkunft der Bezeichnung: Die Bond-Number“ B ist eine dimensionslose Zahl, die da
26、s Verhltnis von Gravitation und Krmmung beschreibt. In der Physik wird sie ber die Betrachtungen der Navier-Stokes-Gleichungen zur Beschreibung von Bewegungen von Fluiden eingefgt 1. 3.2.4 Fit-Fehler mittlerer Abstand der gemessenen Konturpunkte zur mathematisch ermittelten Modellvorhersage ANMERKUN
27、G Angabe in Mikrometer je Messpunkt 2. 4 Allgemeine Grundlagen 4.1 Grundlagen zur Bestimmung der freien Oberflchenenergie Von Benetzung spricht man, wenn eine Flssigkeit mit einer festen Oberflche in Berhrung kommt. Dann zeigt die Flssigkeit eine typische Tropfenform. Das charakteristische Merkmal d
28、es Tropfens ist der Winkel, den die Tangente an die Kontur im Dreiphasenpunkt mit der festen Oberflche bildet (Bild 1). Bei einem Kontaktwinkel = 0 ist eine Oberflche vollstndig benetzt. Die Beschreibung der Benetzbarkeit einer Festkrperoberflche mit einer Flssigkeit beruht auf der Adsorp-tionstheor
29、ie (siehe 3 und 4). Die am liegenden Tropfen am Dreiphasenpunkt (Bild 1) wirksamen Krfte werden im Gleichgewichtszustand durch die Young-Gleichung beschrieben: coslsls+= (2) 7 DIN 55660-1:2011-12 Die Dupr-Young-Gleichung definiert die Adhsionsarbeit Wadbei der Benetzung: ( ) cos1coslllad+=+=W (3) Di
30、e Lage des thermodynamischen Gleichgewichtszustandes, der zur Ausbildung des statischen Kontakt-winkels fhrt, hngt sowohl von Temperatur als auch Druck und anderen thermodynamischen Zustands-gren ab. Da die freie Grenzflchen- und die Oberflchenenergie auf unterschiedlichen Krften zwischen Atomen ode
31、r Moleklen beruhen, ist es notwendig, zur Beurteilung der Benetzbarkeit die Polaritt zu bercksichtigen. Das nachfolgend beschriebene Modell basiert auf der Annahme, dass hauptschlich polare und disperse Wechselwirkungen vorherrschen. Beispiele fr polare Wechselwirkungen sind: ionische Wechselwirkung
32、en; Dipol-Dipol-Wechselwirkungen; Wasserstoffbrckenbindungen; Elektronenpaarakzeptor- und -donor-Wechselwirkungen (Lewis-Sure-Base-Wechselwirkungen). Zu den unpolaren (dispersen) Wechselwirkungen gehren die Londonschen Wechselwirkungen. Nach Owens, Wendt, Rabel und Kaelble (OWRK) 5 und 6 ergibt sich
33、 die Grenzflchenenergie slzwischen einem Festkrper (s fr solid“) und einer Flssigkeit (l fr liquid“) aus der Summe der Oberflchen-spannungen der beiden Phasen (s+ l), reduziert um die dispersen und polaren Wechselwirkungen an der Phasengrenze. Es gilt: und mit hoch Index p (polare Anteile) und hoch
34、Index d (disperse Anteile). dlpll +=dspss +=Owens, Wendt, Rabel und Kaelble (OWRK) bercksichtigen diese Wechselwirkungen als verdoppelte Summe der geometrischen Mittelwerte der dispersen dlds und der polaren Spannungskomponenten plps der einzelnen Phasen, beschrieben in folgender Gleichung: +=plpsdl
35、dslssl2 (4) Nach Einsetzen der Young-Gleichung (2) und Anpassung an die allgemeine Geradengleichung bxmy += (5) ergibt sich folgende Gleichung: ()dsdlplpsdll2cos1+=+(6) Aus dem Quadrat der Steigung m ergibt sich der polare Anteil der freien Oberflchenenergie des Festkrpers , aus dem Quadrat des Ordi
36、natenabschnitts b der disperse Anteil . Aus der Summe der beiden Anteile resultiert die gesamte freie Oberflchenenergie des Festkrpers s. psdsBild 3 zeigt ein Beispiel einer Auswertung nach Owens, Wendt, Rabel und Kaelble. 8 DIN 55660-1:2011-12 Bild 3 Beispiel einer Auswertung nach Owens, Wendt, Rab
37、el und Kaelble 4.2 Grundlagen zur Oberflchenspannungsmessung am hngenden Tropfen Hngt ein Flssigkeitstropfen an einer Kanle, so nimmt der Tropfen im Krftegleichgewicht eine charakteristi-sche Form an, aus der die Oberflchenspannung ermittelt werden kann. Die von der jeweiligen Hhe am Tropfen abhngig
38、e Gravitationskraft kompensiert den Differentialdruck, der sich aus der Krmmung der Tropfenkontur an dieser Stelle ergibt. Der Differentialdruck resultiert aus den senkrecht aufeinander stehenden Hauptkrmmungsradien in der folgenden Weise: +=2111rrp (7) Diese Gleichung beschreibt den Unterschied zwi
39、schen dem Druck unter und ber einem gekrmmten Ober-flchenausschnitt eines Tropfens mit den Hauptkrmmungsradien r1und r2(siehe Bild 2). Der Differential-druck p ist die Druckdifferenz zwischen der Innen- und der Auenseite des Tropfens; er wird durch die oberflchenminimierte spezifische Energie der Ob
40、erflchenspannung bewirkt. Fr einen in z-Richtung rotationssymmetrisch hngenden Tropfen ist, ausgehend von Gleichung (7), eine analytisch-geometrische Beschreibung der Hauptkrmmungsradien mglich. Die Tangente am Schnittpunkt der z-Achse mit dem Scheitelpunkt (Apex) des Tropfens bildet die x-Achse. Da
41、s Tropfenprofil ist durch Wertepaare (x,z) in der xz-Ebene gegeben. Im Krftegleichgewicht gilt die Beziehung gzpp = papex(8) Dabei ist papexdie Druckdifferenz am Scheitelpunkt; ppdie Druckdifferenz am Punkt P (x,z); die Dichtedifferenz zwischen Tropfenflssigkeit und umgebender Phase; g die lokale Sc
42、hwerebeschleunigung. 9 DIN 55660-1:2011-12 Mit den Hauptkrmmungen k (Kehrwerte der Hauptkrmmungsradien r) und der Young-Laplace-Gleichung erhlt man: ( )apex,2apex,1apexkkp += (9) ( )p,2p,1pkkp += (10) Dabei ist kapex,1(2)die Hauptkrmmungen am Scheitelpunkt; kp,1(2)die Hauptkrmmungen am Punkt P (x,z)
43、. Die Hauptkrmmungen am Scheitelpunkt sind aufgrund der Axialsymmetrie des Tropfens in allen Richtungen gleich ( kapex). Aus der Differentialgeometrie kennt man die analytischen Ausdrcke fr die Krmmungen der Hauptnormalenschnitte am Punkt P (x,z): 2/3222p,1dd1dddd+=xzxzsk 11)2/12p,2dd11ddsin+=xzxxzx
44、k (12) Aus den Gleichungen (8) bis (12) ergibt sich: xgpzks sin2ddapex=13)Dabei ist s die Bogenlnge entlang des Tropfenprofils; der Winkel zwischen der Tangente im Punkt P (x,z) und der x-Achse Gleichung (13) beschreibt das Profil eines hngenden Tropfens im Krftegleichgewicht. Zur Lsung der Gleichun
45、g wird sie in eine dimensionslose Form berfhrt. Dazu dienen folgende Definitionen: gpakaBasSazZaxX=:mit;1;apexDabei ist B der dimensionslose Formparameter des hngenden Tropfens; a die Kapillarkonstante. Mit diesen Definitionen kann Gleichung (13) auch folgendermaen ausgedrckt werden: sindd;cosdd;sin
46、2dd=SZSXXZBS(14) 10 DIN 55660-1:2011-12 Am Scheitelpunkt gelten die Randbedingungen X = Z = S = = 0. Daraus ergibt sich: BX1sin=(15) Gleichung (14) wird, zusammen mit den Anfangsbedingungen aus Gleichung (15), als Fundamentalgleichung eines hngenden Tropfens bezeichnet. B ist der einzige Parameter,
47、der die Form des Tropfenprofils beschreibt. Er wird deshalb Formparameter genannt. Weiterhin ergibt sich, dass die Oberflchenspannung bei bekannter Dichtedifferenz berechnet werden kann, wenn das relative Grenverhltnis a eines gemessenen Tropfens zum entsprechenden theoretischen Tropfenprofil bestim
48、mt wird. Durch Variation des Formparameters B knnen nach einem numerischen Integrationsverfahren theoretische Tropfenprofile berechnet werden. Wenn das theoretische Tropfenprofil dem gemessenen Tropfenprofil bestmglich entspricht, kann die Oberflchenspannung berechnet werden. 11 DIN 55660-1:2011-12 12 Literaturhinweise 1 J. G. Webster: Measurement, Instrumentation,
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