Beschreibung:

Technisches Gebiet:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Kontaktwinkels zwischen der Oberfläche eines flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers und der Oberfläche eines Festkörpers. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Vorrichtung oder Verfahrens zur Bestimmung der Hydrophobizität einer Oberfläche. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer solchen Vorrichtung oder Verfahrens zur Bestimmung, Analyse oder Nachweis von Substanzen oder

Reaktionsprodukten in einem mit Flüssigkeit gefüllten Körper.

Stand der Technik:

Flüssigkeitstropfen bilden auf hydrophoben Oberflächen eines Feststoffes einen

Kontaktwinkel, der mit zunehmender Hydrophobizität der Oberfläche des Festkörpers zunimmt. Der Kontaktwinkel kann mit zum Beispiel mit einem Kontaktwinkel-Goniometer gemessen werden. Der Kontaktwinkel zwischen Flüssigkeit und Feststoff hängt somit von der Wechselwirkung zwischen den Stoffen an der Berührungsfläche ab. Hydrophile

Oberflächen resultieren in einem geringen Kontaktwinkel zwischen Flüssigkeit und

Festkörper, während superhydrophobe Oberflächen zu großen Kontaktwinkeln führen. Der Kontaktwinkel ist abhängig von der Wechselwirkung zwischen der Oberfläche der Flüssigkeit und des Festkörpers, insbesondere von der Oberflächenspannung der Flüssigkeit, der Oberflächenenergie des Festkörpers und der Grenzflächenenergie zwischen Flüssigkeit und Festkörper. Der Kontaktwinkel gibt Aufschluss über das Benetzungsvermögen oder die Hydrophobizität von Oberflächen. Dies hat beispielsweise bei der industriellen Fertigung, beispielsweise in der Nanoversiegelung oder Fahrzeuglackierung, eine besondere

Bedeutung. Ein Maß für die Benetzungseigenschaften ist die freie Grenzflächenenergie, die an der Grenzfläche zwischen einem Festkörper und einer Flüssigkeit, an der Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas oder an der Grenzfläche zwischen einem

Festkörper einem Gas definiert ist.

Der Kontaktwinkel zwischen einem Tropfen einer Probenflüssigkeit und der Oberfläche eines Probenkörpers kann beispielsweise über eine Kontaktwinkel-Messvorrichtung ermittelt werden. Übliche Vorrichtungen umfassen eine Kamera, um den Übergangsbereich zwischen dem Tropfen und der Oberfläche des Probenkörpers von der Seite abzubilden. An dem Punkt, an dem die Tropfenkontur die Oberfläche des Festkörpers berührt, kann eine

Tangente angelegt werden, wobei die Steigung dieser Tangente den zu bestimmenden Kontaktwinkel liefert. Damit die Messung genau ist, muss die Kamera möglichst auf die Seite des Tropfens justiert werden.

Eine solche Kontaktwinkel-Messvorrichtung ist beispielsweise in der EP 0 919 801 A1 oder der WO 2000 070 324 A2 beschrieben. Diese Methoden sind vor allem geeignet, um das Benetzungsvermögen von Flüssigkeiten auf Festkörpern zu bestimmen, da die

Benetzungseigenschaften der beteiligten Stoffsysteme, beispielsweise beim Beschichten oder Lackieren, den Prozess stark beeinflussen.

Ein ähnliches Messsystem ist auch in der DE 38 08 860 A1 beschrieben. Das Messsystem weist eine horizontal und parallel zu der Oberfläche des Probenkörpers ausgerichtete

Videokamera auf, die den Übergangsbereich zwischen dem Tropfen und der Oberfläche des Probenkörpers in Seitenansicht abbildet. Anhand der Tropfenkontur wird über eine

Berechnungsmethode der Kontakt- oder Randwinkel bestimmt.

Eine weitere Vorrichtung ist auch in der DE 197 54 765 C1 beschrieben, bei der ebenfalls mittels einer Kamera der Übergangsbereich zwischen dem Tropfen und der Oberfläche des Probenkörpers in Seitenansicht abgebildet wird, wobei die optische Achse der Kamera unter einem Winkel zu der Oberfläche des Probenkörpers verläuft und wobei ferner eine

Umlenkeinrichtung nahe an der Oberfläche des Probenkörpers im Abbildungsstrahlengang vorgesehen ist.

Alternative Kontaktwinkel-Messverfahren sehen beispielsweise die Bestimmung der Oberflächenkonstellation einer wässrigen Lösung vor, wie in der EP 1 729 109 A1 beschrieben. Der Kontaktwinkel wird hierbei über zwei Kameras bestimmt, die

Seitenansichten eines Tropfens aufnehmen. Der Kontaktwinkel wird dann durch das Anlegen einer Ellipse an der Kontur des Tropfens und der Berechnung der Tangenten an den Schnittpunkten zwischen Ellipse und der Grundlinie berechnet. Auch hier ist jedoch ein optisches Kamerasystem für die Durchführung notwendig. Ein anderer Weg wird in der EP 2 093 557 A2 beschrieben. Das Verfahren und die

Vorrichtung eignen sich zur Bestimmung des Kontaktwinkels aus dem

Tropfenkrümmungsradius durch optische Distanzmessung. Bei dem Verfahren wird ein Objekt entsprechend der Reflexionseigenschaft der Oberfläche eines Tropfens an der Tropfenoberfläche abgebildet. Dabei sind die Lage des Objekts zu der optischen Achse eines optischen Messsystems und die Lage des Objekts zu einer Probenoberfläche bekannt. Die Symmetrieachse des Tropfens ist in der Nähe der optischen Achse angeordnet. Die Messung umfasst die Distanz zwischen der Abbildung und der optischen Achse des

Tropfens. Der Kontaktwinkel wird über den Krümmungsradius bestimmt, der wiederum über die gemessene Distanz ermittelt wird.

In der WO 2000 000 814 A1 wird ein Apparat zur Messung des Kontaktwinkels zwischen einem Tropfen Flüssigkeit und der Oberfläche einer Probe beschrieben, bei dem eine Hochleistungs-LED Licht auf den Tropfen projiziert. Über ein Monookular wird dann die Reflektion beobachtet und die Position ermittelt, bei der kein Licht reflektiert wird.

In der WO 2003 073 045 A1 wird eine indirekte Methode zur Messung des Kontaktwinkels beschrieben. Das Verfahren macht sich den geometrischen Zusammenhang zwischen einem bekannten Volumen eines Flüssigkeitstropfens, der Auflagefläche des Flüssigkeitstropfens und dem Kontaktwinkel zunutze.

Deäk et al. beschreiben einen Weg zur Bestimmung des Kontaktwinkels von Nanopartikeln. Bei dem beschriebenen Verfahren wird der Kontaktwinkel in situ durch das SAR-Verfahren (Scanning Angle Reflectrometry) bestimmt (A. Deäk, E. Hild, A. L. Kovacs and Z. Hörvölgyi. Contact angle determination of nanoparticles: film balance and scanning angle reflectometry studies. Physical Chemistry Chemical Physics 2007; 9: 6359-6370). Wu et al. berichten über einen Ansatz zur Messung des lokalen Kontaktwinkels von

Flüssigkeiten auf einer Oberfläche aus hydrophoben und hydrophilen Patch-Anordnungen, bei dem die konfokale Mikroskopie und eine sehr geringe Konzentration von Rhodamin-B eingesetzt wird. Bei der gewählten Rhodamin-B-Konzentration (2 x 10 ^"7 mol/L) aggregierte dieses an der Grenzfläche, wodurch die flüssige und feste Grenzfläche und die hydrophoben und hydrophilen Flecken (Patches) durch ihre entsprechenden Fluoreszenzintensitäten unterschieden werden (J. Wu, M. Zhang, X. Wang, S. Li, W. Wen. A Simple Approach for Local Contact Angle Determination on a Heterogeneous Surface. Langmuir 201 1 ; 27: 5705- 5708). Chibowski und Holysz haben untersucht, ob eine Kontaktwinkelbestimmung nach Young über die Washburn-Gleichung bestimmt werden kann. Sie haben herausgefunden, dass eine Berechnung des Kontaktwinkels mit der Washburn-Gleichung nicht dem Kontaktwinkel eines Tropfens von Young mit der gleichen Flüssigkeit auf der flachen Oberfläche eines

Feststoffes entspricht (E. I Chibowski and L. Holysz. On the use of Washburn's equation for contact angle determination. Journal of Adhesion Science and Technology 1997, 1 1 :10, 1289-1301 ).

Crick und Parkin haben eine weitere visuelle Methode zur Charakterisierung einer superhydrophoben Oberfläche entwickelt, die auf Hochgeschwindigkeitskamerasystemen basiert. Durch den Sprung eines wässrigen Tropfens (8 μΙ_) von eine bestimmten Höhe (20 mm) treffen kann. Dabei korreliert die Anzahl der Sprünge mit dem statischen Kontaktwinkel bei einer superhydrophoben Oberfläche (Crick and Parkin. Hüpfende Wassertropfen definieren den hydrophoben Charakter. Zeitschrift der Gesellschaft Deutscher Chemiker. 2012, 60:8).

Solche auf eine Kamera basierenden Kontaktwinkel-Messvorrichtungen sind jedoch nicht für jeden Anwendungszweck geeignet, teuer in der Anschaffung und kompliziert in der

Handhabung. So muss für eine genaue Messung die Kamera möglichst seitlich des Tropfens ausgerichtet sein, wodurch die optische Achse der Kamera praktisch über die Oberfläche des vorzugsweise horizontal ausgerichteten Probenkörpers verläuft. Hinzu kommt, dass eine Tangente an die Kontur des Tropfens angepasst werden muss, was bei einer manuellen Auswertung zu ungenauen Ergebnissen führt.

Daneben sind Vorrichtungen bekannt, mit denen es möglich ist, die Rolldauer eines Körpers auf einer schiefen Ebene zu ermitteln. Ein solches System ist beispielsweise bei einer Skischanze bekannt, bei der Sensoren entlang einer Fahrstrecke die Zeiterfassung des Skispringers vornehmen (vgl. DE 10 2007 0234 41 B4). Allerdings ist dort die Rollstrecke gekrümmt.

Daneben gibt es auch Verfahren zur Analyse der Tropfengeometrie, beispielsweise um den Zustand keratinischer Fasern zu bestimmen. Hierzu wird in der DE 10 2010 003 495 A1 auf einer Fasersträhne ein Tropfen einer Kontrollflüssigkeit aufgebracht und die Geometrie des Tropfens beobachtet. Vorzugsweise wird die Fasersträhne hierzu zunächst horizontal positioniert. Zur Beobachtung können beispielsweise auch Fotografien angefertigt werden. Die Fasersträhne kann zudem über einen Winkelbereich zwischen 5 und 70° geneigt werden. In Abhängigkeit von der Faserart, dem Zustand der Fasern, der Tropfengröße und der Art der Kontrollflüssigkeit rinnt oder rollt der Tropfen bei einem bestimmten Winkel an der schrägen Fasersträhne abwärts. Aus dem Grenzwinkel des Abrollens und der

Abrollgeschwindigkeit oder der Vollständigkeit des Abrollens lassen sich ebenfalls Erkenntnisse über den Faserzustand ableiten. Der Kontaktwinkel wird allerdings über dieses Verfahren nicht ermittelt.

Daneben gibt es Verfahren und Vorrichtungen zum Prüfen von Oberflächeneigenschaften, bei denen auf einer zu prüfenden Oberfläche ein Tropfen Flüssigkeit aufgebracht wird.

Anschließend wird die Oberfläche um eine horizontale Achse verschwenkt und der Winkel gemessen, bei dem der Tropfen abperlt. Allerdings erfolgt bei diesem Verfahren keine Zeiterfassung, sondern es geht lediglich darum zu prüfen, bei welchem Anstellwinkel ein Abperlen des Tropfens auf der Oberfläche beobachtet wird. Diese Analyse erfolgt rein qualitativ, beispielsweise um unterschiedliche Oberflächen zu prüfen. Daneben sind auch allgemeine Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften von Flüssigkeiten bekannt, wie sie beispielsweise in dem US-Patent 5,792,941 B beschrieben sind.

Darstellung der Erfindung:

Ausgehend von der DE 102 01 234 A1 ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative, vereinfachte Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des Kontaktwinkels zwischen der Oberfläche eines flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers und der Oberfläche eines Festkörpers zu bestimmen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 1.

Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen wieder.

Die vorliegende Vorrichtung ermöglicht die Bestimmung des Kontaktwinkels eines flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers durch Bestimmung der Rolldauer entlang einer definierten Rollstrecke zwischen dem Körper und der Oberfläche eines Festkörpers. Der Kontaktwinkel bezeichnet hierbei den Winkel, den die Oberfläche eines Flüssigkeitstropfens oder die Oberfläche eines mit Flüssigkeit gefüllten Körpers auf der Oberfläche eines

Feststoffs zu dieser Oberfläche bildet. Im Falle einer Reaktionskapsel würde der

Kontaktwinkel somit die Grenzfläche zwischen der Hülle der Kapsel und der Oberfläche des Festkörpers beschreiben. Über den Kontaktwinkel lassen sich beispielsweise Eigenschaften einer Flüssigkeit oder Materialeigenschaften der Oberfläche des Festkörpers entlang der Rollstrecke ermitteln oder analysieren. Ferner ermöglicht der Kontaktwinkel Aufschluss über den Inhalt des mit Flüssigkeit gefüllten Körpers. Bei dem Körper handelt es sich

vorzugsweise um einen Hohlkörper oder eine Kapsel mit einer äußeren, geschlossenen Hülle, die ein Lumen umschließt, ähnlich einem Ballon. Die Hülle des Hohlkörpers kann beispielsweise aus Polymeren hergestellt sein, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus wasserabsorbierenden Poly(meth)acrylaten, (Meth)Acrylsäure-Copolymeren, beispielsweise Ethylen-(Meth)Acrylsäure-Copolymeren, (Meth)Acrylsäureester- Copolymeren, Maleinsäure-Copolymeren, beispielsweise Maleinsäure-Propylen- Copolymeren, Polyurethanen, Vinylacetat-Copolymeren, beispielsweise ein Ethylen- Vinylacetat-Copolymeren oder Vinylacetat-Butylacrylat-Copolymeren, Styrol-Copolymeren, beispielsweise Butylacrylat-Styrol-Copolymeren, Polycarbonaten, Polyvinylalkoholen oder organischen Materialien wie Cellulosen. Vorzugsweise handelt sich bei dem flüssigen Körper um einen Flüssigkeitstropfen einer beliebigen Flüssigkeit oder einen mit einer solchen Flüssigkeit gefüllten Kapsel. Im Falle eines Hohlkörpers oder einer Kapsel ist der

Kontaktwinkel neben der Flüssigkeit natürlich auch von den Eigenschaften der

umschließenden, geschlossenen Hülle abhängig. Dennoch lassen sich physikalische Eigenschaften verschiedener Flüssigkeiten mit solchen mit diesen gefüllten Kapseln über das Abrollverhalten ermitteln, wie zum Beispiel das Abperlverhalten.

Bei dem Festkörper handelt es sich vorzugsweise um eine neigbare Ebene mit einer Oberfläche, auf der der flüssige oder mit Flüssigkeit gefüllte Körper bei einem bestimmten Abrollwinkel entlang der Rollstrecke einer Abrollbahn abrollen kann. Der Kontaktwinkel bezieht sich hierbei auf die Grenzfläche des Flüssigkeitstropfens oder des mit Flüssigkeit gefüllten Körpers und der Oberfläche des Festkörpers.

Die Vorrichtung besteht aus einem Träger und einer damit verbundenen, in einem

Winkelbereich von mehr als 0° bis maximal 90°, vorzugsweise zwischen 10° und 80°, bevorzugter zwischen 10° und 60°, neigbaren Ebene mit einer darin ausgebildeten

Abrollbahn für den flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körper. Vorzugsweise ist die Abrollbahn in der Ebene integriert und besteht aus einer hydrophoben Oberfläche oder ist mit einer solchen beschichtet. Vorzugsweise ist die Abrollbahn mit PTFE

(Polytetrafluorethylen) oder einem sonstigen unverzweigten, linearen Polymer beschichtet. Für die Prüfung von Materialeigenschaften kann die Oberfläche allerdings mit einem beliebigen Substrat beschichtet oder versehen sein. Je nach Substrat können sich dadurch unterschiedliche Eigenschaften der Oberfläche oder der darauf angeordneten Flüssigkeit ermitteln. In einer bevorzugten Variante werden deshalb die Abrolleigenschaften des mit Flüssigkeit gefüllten Körpers auf Abrollbahnen mit unterschiedlichen Oberflächen ermittelt. In einer solchen Ausführungsform ist die Oberfläche des Festkörpers entlang der Abrollbahn auswechselbar. Dadurch lassen sich beispielsweise physikalische Eigenschaften der Oberfläche ermitteln, wie z.B. das Abperlverhalten oder die Oberflächenenergie.

An einem oberen Ende der Ebene ist ein erster Sensor zur Erfassung der Abrollstartzeit angeordnet. Die Abrollstartzeit muss nicht notwendigerweise der Zeitpunkt des

Bewegungsbeginns des Flüssigkeitstropfens oder des mit Flüssigkeit gefüllten Körpers sein, sondern sie bezeichnet eine Startzeit am Anfang der Rollstrecke zur Bestimmung der Rolldauer. Die Ebene wird bis zu einem bestimmten Neigungswinkel bewegt, bis ein Abrollen des flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers entlang der Abrollbahn ausgelöst wird. Der erste Sensor erfasst beim Passieren des sich bewegenden Körpers die Startzeit.

Entlang einer definierten Rollstrecke befindet sich am unteren Ende der Ebene ein weiterer Sensor zur Erfassung der Abrollendzeit des Körpers. Die Rollstrecke ist daher durch die Anordnung der beiden Sensoren definiert, d.h. sie beginnt beim ersten oberen Sensor und endet beim zweiten unteren Sensor. Zur Erfassung der Rolldauer des Körpers entlang der Rollstrecke ist zwischen den beiden Sensoren eine Zeiterfassungseinrichtung vorgesehen. Hierbei können übliche Zeitmesser zum Einsatz kommen. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Einstellung des Neigungswinkels der Ebene über ein Winkelmessgerät erfolgt, wodurch der Abrollwinkel erfassbar ist, bei dem der Körper in Bewegung gerät und den ersten Sensor und den zweiten Sensor der Ebene zur Ermittlung der Rolldauer passiert. Vorzugsweise umfasst die Abrollbahn eine halbrundförmige Nut zur Führung des

Flüssigkeitstropfens oder des mit Flüssigkeit gefüllten Körpers (z.B. einem mit Flüssigkeit gefüllten Polymerkörper). Vorzugsweise ist die Nut mit einer hydrophoben Oberfläche, beispielsweise PTFE, beschichtet. Bei wässrigen Lösungen kommen vorzugsweise superhydrophobe Oberflächen zum Einsatz.

Bei dem Körper handelt es sich in einer weiteren Variante der Erfindung um eine mit Medium gefüllte Reaktionskapsel. Bei der Flüssigkeit kann es sich beispielsweise um Wasser oder ein Lösungsmittel handeln. Die Reaktionskapsel umfasst vorzugsweise eine hydrophobe, vorzugsweise eine superhydrophobe Oberfläche aus magnetischen Partikeln. Vorzugsweise umfasst die Reaktionskapsel eine Hülle aus einer Silanverbindung, vorzugsweise einer

Fluor-Silan-Verbindung, oder eine Dextranhülle. Ferner sind auch Eisenoxidnanopartikel als Reaktionskapsel verwendbar. Im Inneren der Reaktionskapsel befindet sich eine Flüssigkeit, beispielsweise eine wässrige Lösung, die eine oder mehrere chemische Substanzen enthalten kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nun zur Bestimmung des Vorhandenseins oder des Gehalts einer Substanz in der wässrigen Lösung der Reaktionskapsel. Je nach Art und Konzentration der in der wässrigen Lösung enthaltenen Substanz unterscheiden sich die einzelnen Rolldauern der Reaktionskapseln beim Passieren der Sensoren. Dadurch können unbekannte Anteile einer Substanz in der wässrigen Lösung bestimmt werden. Neben dem Nachweis von Substanzen können die Reaktionskapseln auch verwendet werden, um festzustellen, ob eine Reaktion stattgefunden hat, da die Reaktionsprodukte den Inhalt der Reaktionskapsel und damit auch deren Rolldauer auf der Oberfläche der Ebene verändern.

Zur Einstellung des Neigungswinkels der Ebene umfasst der Träger eine Führungsstange, über welche die Ebene mittels eines Motors höhenverstellbar ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Motor um einen Schrittmotor oder eine sonstige stufenlos regelbare

Antriebseinrichtung. Bei den an der Ebene angeordneten Sensoren handelt es sich vorzugsweise um Lichtschranken. Sobald der flüssige oder mit Flüssigkeit gefüllte Körper (zum Beispiel die Reaktionskapsel) die am oberen Ende angeordnete erste Lichtschranke passiert, wird die Abrollstartzeit erfasst und damit die Zeitmessung begonnen. Beim

Passieren des am unteren Ende der Ebene angeordneten Sensors (Lichtschranke) wird die Zeitmessung gestoppt. Neben Lichtschranken können auch Kontaktsensoren als Sensoren im Sinne der Erfindung eingesetzt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ebene quer zur Abrollbahn einen Sperrschieber, der vorzugsweise eine Vertiefung zur Absperrung der Nut aufweist. Der Sperrschieber verhindert ein unbeabsichtigtes Abrollen des Körpers.

Erfindungsgemäß wird die Ebene durch die Antriebseinrichtung graduell angehoben, bis der flüssige oder mit Flüssigkeit gefüllte Körper in Bewegung kommt und die erste Lichtschranke passiert. Über eine Steuereinrichtung wird die Antriebseinrichtung gestoppt und die

Zeiterfassung gestartet. Beim Passieren der zweiten Lichtschranke wird die Zeitmessung gestoppt. Ein Winkelmessgerät gibt den Abrollwinkel an, der zugleich dem Neigungswinkel der Ebene entspricht. Die Größe des Kontaktwinkels zwischen dem Flüssigkeitstropfen bzw. des mit Flüssigkeit gefüllten Körpers und dem Feststoff (d.h. der Oberfläche der Rollstrecke) hängt ab von der Wechselwirkung zwischen den Stoffen an der Berührungsfläche. Je geringer diese

Wechselwirkung ist, desto größer wird der Kontaktwinkel. Aus der Bestimmung der

Kontaktwinkel können bestimmte Eigenschaften der Oberfläche eines Feststoffs bestimmt werden, z.B. die Oberflächenenergie. Erfindungsgemäß wird der Kontaktwinkel mit dem Abrollverhalten des Flüssigkeitstropfens bzw. der mit Flüssigkeit gefüllten Kapsel auf der Oberfläche korreliert. Dabei kann über eine Testreihe der Kontaktwinkel mit dem ermittelten Abrollwinkel, der Rolldauer korreliert werden. Beispielsweise kann über eine Kalibriergerade der Kontaktwinkel anhand der Rolldauer einer mit Medium gefüllten Kapsel mit

unterschiedlichen Medienkonzentrationen ermittelt werden. Um den Kontaktwinkel einer Flüssigkeit zu bestimmen, wird die jeweilige Geradengeleichung verwendet. Ferner können auch bekannte Grenzflächen für die Kalibrierung herangezogen werden, d.h. Grenzflächen und Materialien deren Kontaktwinkel bereits durch Alternativmethoden ermittelt wurden. Als Alternativmethode kann der Kontaktwinkel einer bekannten Festkörperoberfläche (Z.B.

Gummimatte) durch den Kontaktwinkel eines Prüfkörpers dividiert werden. Die Rolldauer der Festkörperoberfläche wird sodann mit der Rolldauer des Prüfkörpers dividiert. Der

Kontaktwinkel lässt sich wiederum anhand der relativen Werte, wie sie anhand einer

Kalibriergeraden über eine Multiplikation mit den Kontaktwinkeln des flüssigen Körpers erhalten werden, ermitteln. Einmal kalibriert, ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung die Analyse von unterschiedlichen Eigenschaften des flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers oder der Oberfläche des Festkörpers.

Sehr kleine Kontaktwinkel um 0° (wie z.B. bei Wasser als Flüssigkeit) treten bei hydrophilen Oberflächen auf, Winkel um 90° treten bei hydrophoben und noch größere Winkel treten bei superhydrophoben Oberflächen auf. Die Oberflächen bei sehr großen Winkeln (> 120°) neigen zu einer extrem geringen Benetzbarkeit. Durch Oberflächenbehandlung kann der Kontaktwinkel verändert werden, was über die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. dem Verfahren ermittelbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ferner die Bestimmung der Hydrophobizität von Oberflächen, beispielsweise der Oberfläche eines flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers oder der Oberfläche der Abrollbahn. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen den Oberflächen des flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers sowie der Oberfläche der Abrollbahn bestimmen. Somit eignet sich die

erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren zur Bestimmung der Hydrophobizität von Flüssigkeiten und von Festkörpern sowie zum Testen unterschiedlicher Oberflächen bzw. Oberflächenbeschichtungen am Festkörper. Die Ermittlung des Kontaktwinkels ermöglicht das Testen unterschiedlicher Materialien auf der Oberfläche der Abrollbahn und es lassen sich unterschiedliche Rückschlüsse bezüglich der Materialeigenschaften des eigensetzten Materials ziehen. Vorzugsweise ist daher die Abrollbahn mit verschiedenen Materialien auswechselbar. In einer bevorzugten Ausführungsführungsform wird die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet, um eine Kraftberechnung durchzuführen. Beispielsweise lässt sich die Haftkraft zwischen dem mit Flüssigkeit gefüllten Körper und der Oberfläche des Festkörpers ermitteln. Im Gegensatz zu Kamerasystemen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung leicht installierbar und kostengünstig herstellbar. Aufgrund ihrer Größe und des niedrigen Energiebedarfs kann die Vorrichtung auch an Orten eingesetzt werden, bei denen der Einsatz von Kamera- Messeinrichtungen nicht möglich ist (beispielsweise im Freigelände). Der kompakte Aufbau ermöglicht ferner einen erleichterten portablen Transport zur Einsatzstelle. Durch die mechanische Bestimmung des Kontaktwinkels erübrigt sich zudem eine visuelle Erfassung oder anschließende Bestimmung des Kontaktwinkels.

In verschiedenen Versuchsbeispielen haben die Erfinder gezeigt, dass sich die

erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren auch dafür eignen, die Zusammensetzung einer Substanz in wässrigen Lösungen über den Kontaktwinkel zu bestimmen. Dadurch erübrigen sich beispielsweise aufwändige chromatographische Analysen. Unterschiedlich zusammengesetzte Lösungen in Form eines Flüssigkeitstropfens oder einer mit Flüssigkeit gefüllten Reaktionskapsel resultieren in unterschiedliche Rollzeiten entlang der in der Abrollbahn festgelegten Rollstrecke. Auch die Umsetzung einer chemischen oder physikalischen Reaktion kann durch Bestimmung des Kontaktwinkels mittels der Vorrichtung oder des Verfahrens bestimmt werden, da sich die Reaktionsprodukte im Gegensatz zu den Ausgangsprodukten verändert haben und somit auch die Zusammensetzung der wässrigen Lösung verändern. Dadurch kann beispielsweise festgestellt werden, ob eine chemische oder physikalische Umsetzung von Ausgangsstoffen stattgefunden hat. Damit stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu den bekannten visuellen Verfahren (zum Beispiel Kamerasysteme) eine kostengünstigere und zugleich leicht handhabbare Methode dar. Über die Vorrichtung und das Verfahren lassen sich Abrollwinkel, Abrolldauer gleichzeitig und automatisch erfassen. Auf diese Weise lassen sich beliebige Oberflächen oder Flüssigkeiten analysieren. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass die Prüfung der Oberflächen sehr praktikabel ist, da der kugelförmige Prüfkörper verschleißfrei wiederverwendet und einfach gelagert bzw. eingesetzt werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Die Erfindung wird in den nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 den Grundaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung und das Prinzip des Verfahrens,

Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 die Ebene von der Stirnseite,

Fig. 4 die neigbare Ebene mit Abrollbahn in Seitenansicht, Fig. 5 Versuchsergebnisse mit verschiedenen Reaktionskapseln.

Fig. 6 eine Kalibriergerade für die Bestimmung des Kontaktwinkels

Fig. 7 eine Gegenüberstellung der Kontaktwinkelmessungen auf unterschiedlichen

Oberflächen

Wege zur Ausführung der Erfindung und gewerbliche Verwertbarkeit:

In Fig. 1 ist das Prinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Diese besteht aus einem vertikal angeordneten Träger 1 und einer daran befestigten Führungsstange 2. Eine neigbare Ebene 8 ist mit dem Träger 1 über seitliche Schienen 6, 7 verbunden. Die Ebene 8 wird über einen Motor entweder nach oben oder nach unten bewegt, wodurch sich unterschiedliche Neigungswinkel einstellen lassen. Dies erfolgt über ein Verbindungsmittel 3, welche die Schienen 6, 7 miteinander verbindet. Das Verbindungsmittel umfasst

vorzugsweise Gleitmittel, die in die Schienen 6, 7 gleiten und für verschiedene

Winkeleinstellungen über die Gewindestange 2 zum Motor sorgen. Die gezeigte

Antriebseinheit besteht aus unterschiedlichen Kupplungselementen 3, 19, Pufferscheiben 21 , 23 und einem Federelement 20. Die Bedienung erfolgt über ein Bedienteil 15. Während das obere Ende der Ebene 8 von dem Träger 1 gehalten wird, liegt das untere Ende der Ebene 8 auf einem Sockel 13 und einer damit verbundenen Konsole 29 auf.

In der Ebene 8 ist eine Abrollbahn 9 eingebracht, in der sich eine rundförmige Nut 24 befindet. Der flüssige oder mit Flüssigkeit gefüllte Körper wird am oberen Ende der Ebene 8 in die Nut 24 eingebracht, beispielsweise durch Pipettieren, manuelles Auftragen oder mit Hilfe einer Abgabeeinrichtung. Der Schieber 5, der quer zur Abrollbahn 9 innerhalb einer Furche 4 angeordnet ist, verhindert ein unbeabsichtigtes Abrollen des Körpers. Am oberen Ende der Ebene 8 befindet sich ein erster Sensor 1 1 und am unteren Ende der Ebene 8 ein zweiter Sensor 12. Bei beiden Sensoren 1 1 , 12 handelt es sich in der gezeigten Ausführungsform um Lichtschranken. Die Ebene 8 wird mit dem beaufschlagten Körper (zum Beispiel einem Flüssigkeitstropfen oder einer Reaktionskapsel) über die Antriebseinrichtung graduell nach oben bewegt, bis der Körper in Bewegung gerät. Beim Passieren des ersten Sensors 1 1 wird eine Zeiterfassung über eine Zeiterfassungseinrichtung 14 ausgelöst, welche die Abrollstartzeit festhält. Wenn der Körper den am Ende der Abrollstrecke angeordneten zweiten Sensor 12 passiert, wird die Rollzeit über die

Zeiterfassungseinrichtung 14 gestoppt. Gleichzeitig stoppt auch die Antriebseinheit, der die Ebene 8 über das Verbindungsmittel 3 und die Führungsstange 2 in Neigung versetzt.

Anhand eines Winkelmessgerätes 10 lässt sich der Neigungswinkel der Ebene 8 und damit der Abrollwinkel des flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers bestimmen.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt. Hier sind die Zeiterfassungseinrichtung und das Winkelmessgerät in einer Konsole 18 integriert. Über eine Anzeigevorrichtung 17 wird die Rolldauer angezeigt. Der Abrollwinkel ist in einer weiteren Anzeige 16 ablesbar.

In Fig. 3 ist der Aufbau der Abrollbahn 9 und die Funktion des Schiebers 5 näher zu sehen. Der Schieber 5 ist entlang einer Achse 26 schwenkbar ausgestaltet. In der Abrollbahn 9 befindet sich die halbrundförmige Nut 24. An einem Schenkel des Schiebers 5 ist an der Unterseite eine Nase 25 ausgebildet, die in die Nut 24 der Abrollbahn 9 der Ebene 8 greift.

In Fig. 4 ist die Ebene 8 von einer anderen Perspektive gezeigt. Zu sehen ist der Schieber 5, die Abrollbahn 9 und die beiden Sensoren 1 1 , 12. Die Ebene 8 wird mittels einer Konsole 29 gehalten und ist an dieser schwenkbar ausgeführt.

Fig. 5 zeigt die Versuchsergebnisse, die mit Reaktionskapseln erzielt wurden, die mit einer wässrigen Lösung aus einer Ethanol-Wasser-Mischung bzw. Wasser erzielt wurden. In Fig. 5A wurde eine Reaktionskapsel mit einem Volumen von 10 μί auf die Ebene 8 aufgetragen. Der höchste Kontaktwinkel wird mit Wasser erzielt. Mit zunehmender Ethanolkonzentration (Konzentrationen in Höhe von 0 %, 5 %, 10 % bis 45 %) verringert sich der Kontaktwinkel der Reaktionskapseln. Neben den experimentellen Werten sind auch die theoretischen Werte aufgeführt. Als Vergleich wurde zudem eine Stahlkugel eingesetzt. Die experimentell ermittelten Werte zeigen einen linearen Verlauf.

In Fig. 5B ist die Rolldauer von Reaktionskapseln mit einem Volumen von 10 μί in

Abhängigkeit der Ethanolkonzentration gezeigt. Mit steigender Ethanolkonzentration nimmt die Rolldauer der Reaktionskapseln zu. Dadurch eignen sich das erfindungsgemäße

Verfahren und die Vorrichtung zur Bestimmung der Hydrophobizität einer Oberfläche, entweder der Oberfläche des flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers, also der Reaktionskapsel oder des Tropfens, oder der Oberfläche der Abrollbahn. Experimentell lassen sich unterschiedliche Materialien auf die Abrollbahn anbringen, beispielsweise hydrophobe oder superhydrophobe Oberflächen. Das Verfahren eignet sich ferner zur Bestimmung, Analyse oder Nachweis von Substanzen oder Reaktionsprodukten in einem mit Flüssigkeit gefüllten Körper. Sollte bei einer Reaktion die Konzentration eines

Reaktionsproduktes zunehmen oder abnehmen, so würde sich dies anhand des

Rollverhaltens (z.B. Rolldauer) der Reaktionskapsel zeigen.

In Fig. 6 ist eine Kalibriergerade für die Bestimmung des Kontaktwinkels anhand der

Rolldauer einer Kapsel mit unterschiedlichen Ethanolkonzentrationen von 0 bis 45 % als Beispiel gezeigt. Um den Kontaktwinkel einer Flüssigkeit zu bestimmen, wird die jeweilige Geradengeleichung verwendet. Im gezeigten Beispiel ist y= -76,484x + 96,944. Für x wird die Rolldauer eingesetzt, so dass der Kontaktwinkel y berechnet werden kann.

In Fig. 7 ist eine Gegenüberstellung der Kontaktwinkelmessungen auf unterschiedlichen Oberflächen gezeigt. Als Vergleich wurde ein Kontaktwinkelmessgerät verwendet, bei dem ein Wassertropfen verwendet wurde. Die erfindungsgemäße Vorrichtung (= STEG) wurde mit einem einfachen festen Prüfkörper (Kugel) bestückt. Da sich die Messeinheiten der beiden Systeme grundlegend unterscheiden, wurden die Ergebnisse anhand der jeweiligen

Kontaktwinkel bzw. Rollzeiten auf einer Teflonoberfläche normiert (d.h. auf den Wert 1 ). Des Weiteren wurde der ermittelte Kontaktwinkel von der Gummimatte durch den Kontaktwinkel vom Teflon dividiert. Die Rolldauer von der Gummimatte wurde dementsprechend mit der Rolldauer der Teflonfolie dividiert. Um wieder auf den Kontaktwinkel zu schließen, werden die relativen Werte aus der Figur 6 mit dem Kontaktwinkel Wasser auf Teflon (106,5°) multipliziert. Es ist zu erkennen, dass beide Verfahren gemäß Fig. 6 und Fig. 7 die unterschiedlichen

Oberflächen mit sehr hoher Genauigkeit wiedergegeben. Die jeweiligen Balkenpaare sind in erster Näherung gleich hoch.