Messung der Oberflächenspannung

Die Oberflächenspannung σ (Sigma) ist eine Eigenschaft einer Flüssigkeit (z.B. Wasser) an der Grenzfläche zu einem Gas (z.B. Luft). Sie ist in vielen industriellen Prozessen von Bedeutung, z.B. bei der Benetzung von Oberflächen. 

In einer Flüssigkeit stehen die Moleküle miteinander in Wechselwirkung. Kohäsionskräfte bewirken, dass sich die Moleküle anziehen. An der Oberfläche der Flüssigkeit erzeugen diese Kohäsionskräfte eine Spannung, ähnlich einer Haut, die immer bestrebt ist, die Oberfläche so klein wie möglich zu halten. Besonders deutlich wird dieser Effekt bei Wassertropfen, deren runde Form durch eben diese nach innen gerichteten Kräfte entsteht.^[1]. 

Beschrieben wird die Oberflächenspannung als Arbeit, die aufgebracht werden muss, um die Oberfläche um ein bestimmtes Maß zu vergrößern:

Die Angabe der Oberflächenspannung erfolgt in mN/m oder dyne/cm. Die Oberflächenspannung von Wasser bei 20 °C beträgt 72,75 mN/m (vgl. Ethanol 22,55 mN/m). Für viele wässrige Anwendungen muss die Oberflächenspannung herabgesetzt werden. Hier kommen Tenside zum Einsatz.

Als Tenside wird eine Gruppe chemischer Verbindungen bezeichnet, die aus zwei gegensätzlichen Molekülteilen bestehen: einem unpolaren, hydrophoben Kohlenwasserstoffteil (im Bild: graue Stäbchen) und einer polaren, hydrophilen Kopfgruppe (im Bild: blau Kugeln). Je nach Art der Kopfgruppe unterscheidet man nichtionische, anionische, kationische und amphotere Tenside. Für Anwendungen in der wässrigen Teilereinigung werden hauptsächlich nichtionische und anionische Tenside eingesetzt. Kationische Tenside wirken in Weichspülern oder als Hydrophobierungsmittel auf Oberflächen. Amphotere Tenside wiederum werden in vielen Haut- und Haarwaschmitteln eingesetzt. 

Die beiden Molekülteile verhalten sich Wasser gegenüber sehr gegensätzlich: Der hydrophobe Teil wendet sich vom Wasser ab, während der hydrophile Teil dem Wasser zugeneigt ist. Aufgrund dieser so gegensätzlichen Bausteine bewegen sie sich in wässriger Umgebung zu Oberflächen hin^[2]. 

Solche Oberflächen sind z.B. die Grenzflächen Wasser-Luft, Wasser-Festkörper oder auch Wasser-Öl. An der Oberfläche nehmen die Tenside Plätze zwischen den Wassermolekülen ein, stören dort die Kohäsion und senken auf diese Weise die Oberflächenspannung. Dieses Verhalten bezeichnet man als oberflächenaktiv. Die Bewegung der Tenside hin zu einer Oberfläche ist zeitabhängig und wird u.a. beeinflusst von Tensidart und -konzentration, Temperatur und der Flüssigkeit, die sie umgibt (sog. Matrixeffekte).

Durch eine Kapillare wird Luft in die Flüssigkeit eingeleitet, wodurch an der Kapillarspitze eine Luftblase entsteht. Kontinuierlich wird der Druck im (Luft-)Volumenstrom gemessen. Die Luftblase durchläuft drei Zustände, wie im Bild rechts dargestellt:

1. Kurz nach Abriss einer Luftblase von der Kapillare wird durch den Kapillareffekt die Grenzfläche in die Kapillare hineingezogen. Ein Druckminimum entsteht (oben links). 
2. Durch das Einleiten von Luft bläst sich die Blase auf bis an den Punkt, an dem der Blasenradius dem Kapillarradius gleicht und ein Druckmaximum erreicht wird (oben mittig). Man bezeichnet das als Halbkugelblase. 
3. Wird noch mehr Luft eingeleitet, expandiert die Blase schlagartig (oben rechts). Das Volumen vergrößert sich, der Druck nimmt ab. Kurz danach reißt die Blase von der Kapillare ab und der Vorgang beginnt erneut. 

Die Differenz zwischen Minimaldruck p_min und Maximaldruck p_max ist nach der Young-Laplace-Gleichung proportional der Oberflächen­spannung σ:

Weitere dynamische Messmethoden sind die Tropfenvolumenmethode per Stalagmometer oder die Grenzflächenrheologie an einem hängenden Tropfen. Methoden zur Messung der statischen Oberflächenspannung sind z.B. die Ringmethode nach Du Noüy oder die Plattenmethode nach Wilhelmy. 

Bei dynamischen Methoden wie der Blasendrucktensiometrie wird ein quasistatischer Wert der Oberflächenspannung im Vergleich zu statischen Methoden erst bei hohen Tensidkonzentrationen c bzw. nach langen Blasenlebensdauern t_life erreicht. Dadurch ist die zur Konzentrationsbestimmung nötige eindeutige Korrelation zwischen Oberflächenspannung und Konzentration auch oberhalb der kritischen Mizellbildungskonzentration cmc^[2] gegeben. Bei der Oberflächenspannungsmessung tensidfreier, nicht-oberflächenaktiver Flüssigkeiten (z.B. Lösungsmittel) unterscheiden sich dynamische und statische Methoden nicht.

Wird in Messvorschriften oder der Literatur eine Oberflächenspannung genannt ohne Angabe eines Oberflächenalters oder des Parameters Blasenlebensdauer t_life, ist von einer statischen Oberflächenspannung auszugehen.