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Geschrieben von Dr. Amit Pratap Singh
Bewertet von Dr. Alidad Amirfazli
Geprüft: 28
This is a practical guide to Surface Science for researchers working in the Consumer Products Industry.
In diesem brandneuen Leitfaden erfährst du alles über:
Lassen Sie uns gleich eintauchen.
Consumer products leverage diverse surface properties to achieve specific functionalities. Food packaging materials, for example, require water resistance, grease resistance, and antimicrobial properties to extend shelf life and minimize waste. To enhance clothing and textile durability and ease of care, fabrics are often treated for water resistance, stain resistance, and wrinkle resistance.
Non-stick cookware utilizes surface coatings to prevent food from sticking, even when cooked without oil or butter. Anti-scratch glasses are coated with a hard, durable material that resists scratches, extending their lifespan and maintaining their appearance. Windows benefit from a titanium dioxide coating that breaks down dirt and grime under sunlight, simplifying cleaning.
These examples showcase how manipulating surface characteristics allows for achieving desired outcomes across a wide range of consumer products.
We use the important surface properties below to understand the behavior of Consumer Products products and improve their quality.
Young – Laplace-Methode
Polynomiale Methode
Dynamischer Kontaktwinkel
Wenn wir einen Tropfen auf eine feste Oberfläche geben, besteht im Idealfall ein einzigartiger Winkel zwischen der Flüssigkeit und der festen Oberfläche. Den Wert dieses idealen Kontaktwinkels (den sogenannten Young-Kontaktwinkel) können wir mit Hilfe der Young-Gleichung berechnen. In der Praxis ist der Kontaktwinkelwert auf einer Oberfläche aufgrund der Oberflächengeometrie, Rauheit, Heterogenität, Verschmutzung und Verformung nicht unbedingt eindeutig, sondern liegt innerhalb eines Bereichs. Wir nennen die oberen und unteren Grenzen dieses Bereichs den fortschreitenden Kontaktwinkel bzw. den zurückweichenden Kontaktwinkel. Auch die Werte des vor- und zurückgehenden Kontaktwinkels für einen festen Untergrund sind sehr empfindlich. Sie können von vielen Parametern beeinflusst werden, wie z. B. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Homogenität und kleinste Verschmutzung der Oberfläche und der Flüssigkeit. So können z.B. der vor- und zurückgehende Kontaktwinkel einer Fläche an verschiedenen Stellen unterschiedlich sein.
Praktische Oberflächen und Beschichtungen weisen von Natur aus eine Kontaktwinkelhysterese auf, die auf eine Reihe von Gleichgewichtswerten hinweist. Wenn wir statische Kontaktwinkel messen, erhalten wir einen einzigen Wert innerhalb dieses Bereichs. Sich ausschließlich auf statische Messungen zu verlassen, wirft Probleme auf, wie z. B. schlechte Wiederholgenauigkeit und unvollständige Oberflächenbewertung in Bezug auf Haftung, Sauberkeit, Rauheit und Homogenität.
In der Praxis müssen wir die Leichtigkeit der Flüssigkeitsverteilung (Vorschubwinkel) und die Entfernungsleichtigkeit (Rückzugswinkel) einer Oberfläche verstehen, z. B. beim Lackieren und Reinigen. Die Messung von Vorschub- und Rückzugswinkeln bietet eine ganzheitliche Sicht auf die Flüssig-Feststoff-Wechselwirkung, im Gegensatz zu statischen Messungen, die einen beliebigen Wert innerhalb des Bereichs liefern.
Diese Erkenntnisse sind entscheidend für reale Oberflächen mit Variationen, Rauheit und Dynamik und helfen Branchen wie Kosmetik, Materialwissenschaft und Biotechnologie bei der Gestaltung effektiver Oberflächen und der Optimierung von Prozessen.
Erfahren Sie, wie die Kontaktwinkelmessung mit unserem Tensiometer durchgeführt wird
Für ein vollständigeres Verständnis der Kontaktwinkelmessung lesen Sie unsere Kontaktwinkelmessung: Der endgültige Leitfaden
Diese Eigenschaft misst die Kraft, die auf die Oberfläche einer Flüssigkeit wirkt, mit dem Ziel, ihre Oberfläche zu minimieren.
Dynamische Oberflächenspannung
Die dynamische Oberflächenspannung unterscheidet sich von der statischen Oberflächenspannung, die sich auf die Oberflächenenergie pro Flächeneinheit (oder die Kraft, die pro Längeneinheit entlang des Randes einer flüssigen Oberfläche wirkt) bezieht.
Die statische Oberflächenspannung charakterisiert den Gleichgewichtszustand der Grenzfläche von Flüssigkeiten, während die dynamische Oberflächenspannung die Kinetik von Änderungen an der Grenzfläche berücksichtigt. Diese Veränderungen können das Vorhandensein von Tensiden, Additiven oder Schwankungen in Temperatur, Druck und Zusammensetzung an der Grenzfläche beinhalten.
Die dynamische Oberflächenspannung ist essentiell für Prozesse, die schnelle Änderungen an der Flüssig-Gas- oder Flüssig-Flüssig-Grenzfläche beinhalten, wie z. B. Tröpfchen- und Blasenbildung oder Koaleszenz (Änderung der Oberfläche), Verhalten von Schäumen und Trocknung von Lacken (Änderung der Zusammensetzung, z. B. Verdampfung von Lösungsmittel). Wir messen es, indem wir die Form eines hängenden Tröpfchens im Laufe der Zeit analysieren.
Die dynamische Oberflächenspannung gilt für verschiedene Branchen, darunter Kosmetika, Beschichtungen, Pharmazeutika, Farben, Lebensmittel und Getränke sowie industrielle Prozesse, in denen das Verständnis und die Kontrolle des Verhaltens von Flüssigkeitsgrenzflächen für die Produktqualität und Prozesseffizienz unerlässlich ist.
Erfahren Sie, wie die Messung der Oberflächenspannung mit unserem Tensiometer durchgeführt wird
Für ein vollständigeres Verständnis der Oberflächenenergiemessung lesen Sie unsere Oberflächenspannungsmessung: Der endgültige Leitfaden
Erfahren Sie, wie die Messung der Oberflächenenergie mit unserem Tensiometer durchgeführt wird
Für ein umfassenderes Verständnis der Oberflächenenergiemessung lesen Sie unsere Oberflächenenergiemessung: Der ultimative Leitfaden
Der Gleitwinkel misst den Winkel, in dem ein flüssiger Film über eine feste Oberfläche gleitet. Es wird häufig verwendet, um die Rutschhemmung einer Oberfläche zu beurteilen.
Erfahren Sie, wie die Gleitwinkelmessung mit unserem Tensiometer durchgeführt wird
Für ein umfassenderes Verständnis der Gleitwinkelmessung lesen Sie unsere Gleitwinkelmessung: Der endgültige Leitfaden
Within the Consumer Products industry, several case studies exemplify the advantages of conducting surface property measurements.
Fluctuating oil prices presented a major challenge for manufacturers who relied on oil-based adhesives. This forced them to seek alternative solutions. Researchers identified natural rubber latex (NRL) water-based adhesive as a promising alternative. To ensure its successful implementation, they investigated the peel and holding strengths of various paper backings on stainless steel and glass substrates. Through surface energy and contact angle experiments on different backing papers, they discovered that mahjong paper had the highest surface energy (59.50 mN/m), making it an ideal substrate for optimal adhesive wetting.
Herausforderung: Food products sticking to their packaging can increase the risk of harmful package compounds migrating into the food or unwanted off-flavors being absorbed.
Lösung: Researchers identified that to address this, packaging films need to be both hydrophobic (water-repelling) and have low surface energy. However, the same film also needs to adhere well to the outer layer of the packaging. Therefore, to improve adherence to other plastic layers, they decided to increase the surface energy of the packaging film. They employed the widely used corona discharge treatment (CDT) for this purpose. To assess the level of adhesion achieved, the R&D team measured the contact angle of the treated film, which helps determine how much the surface energy has increased by introducing polar groups to the surface.
An eyewear company faced a fogging problem with their sports goggles, hindering athletes’ visibility during activities. To combat this, they actively developed hydrophobic coatings using contact angle measurements. Their aim was to achieve an optimal angle that minimized water adhesion, the key factor in fog formation. By minimizing adhesion, they successfully created anti-fog eyewear, significantly improving user experience across various sports.
Obwohl PDMS hydrophob ist, absorbiert es überraschenderweise bis zu ~30 mM Wasser bei Kontakt. Die Forscher gingen diese Herausforderung an, indem sie die vor- und zurückgehenden Kontaktwinkel von Wassertröpfchen auf vernetzten PDMS maßen. Sie entdeckten, dass PDMS sich an Wasser anpasst, indem es die Grenzfläche mit freien Oligomeren anreichert, was zu einer Nettoabnahme der Oberflächenspannung führt. Diese wichtigen Informationen helfen uns, Strategien zu entwickeln, um die Wasseraffinität zu minimieren und die Leistung von PDMS-Materialien zu verbessern.
To address the challenge of poor adhesion, the screen protector manufacturer’s technical team actively measured the surface energy of different materials. This allowed them to select materials with compatible surface energies, ensuring strong adhesion between the screen and the protector. This proactive approach significantly enhanced the reliability of their screen protectors, directly meeting consumer expectations for durable and long-lasting device protection.
Wenn Sie an der Implementierung dieser oder anderer Anwendungen interessiert sind, kontaktieren Sie uns bitte.
In an industry where precision reigns supreme, where do Consumer Products manufacturers turn to ensure their products can survive scrutiny? The answer lies in standards and guidelines: the compass that guides cosmetics manufacturers through the complex maze of quality and performance.
This standard explains the contact angle measurement on a drop of liquid which is applied to a coated surface, substrate, or preformed disk of pigment. It is notable that this standard is only applicable to advancing contact angles. This standard can be utilized for characterizing the wettability of surfaces.
ASTM D5946-17 Standard Test Method for Corona-Treated Polymer Films Using Water Contact Angle Measurements
This standard is identical to ISO 15989. This test method explains the contact angle measurement of water droplets on corona-treated polymer film surfaces. The electrical discharge treatment, such as corona treatment increases the wetting tension of a polymer film. Therefore it is possible to relate the contact angle of a polymer film surface to its ability to accept and retain inks, coatings, adhesives, etc.
Plastics/rubber (Polymer dispersions and rubber latices (natural and synthetic)) Determination of surface tension: This standard provides the method for surface tension measurements of polymer dispersions and rubber latices (natural and synthetic). The standard offers two methods for surface tension determination named Method A and Method B.
Wir hoffen, dass dieser Leitfaden Ihnen gezeigt hat, wie Sie die Oberflächenwissenschaft in der Kosmetikindustrie anwenden können.
Nun möchten wir das Wort an Sie übergeben:
Droplet Lab wurde 2016 von Dr. Alidad Amirfazli, Fakultätsmitglied an der York University, und zwei seiner Forscher, Dr. Huanchen Chen und Dr. Jesus L. Muros-Cobos, gegründet.
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