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Geschrieben von Dr. Amit Pratap Singh
Bewertet von Dr. Alidad Amirfazli
Geprüft: 28
Dies ist ein praktischer Leitfaden zur Oberflächenforschung für Forscher, die in der industriellen und mechanischen Industrie arbeiten.
In diesem brandneuen Leitfaden erfährst du alles über:
Lassen Sie uns gleich eintauchen.
Oberflächeneigenschaften spielen im Bereich des Maschinen- und Wirtschaftsingenieurwesens eine grundlegende Rolle. Die Wechselwirkung von Materialien und Bauteilen mit der Umwelt und anderen Materialien findet vor allem auf Oberflächen statt. Zum Beispiel der Kontakt zwischen zwei Maschinenteilen, die Strömung von Flüssigkeiten in Rohren oder die Haftung von Beschichtungen auf Substraten. Das Ergebnis all dieser Wechselwirkungen wird von den Oberflächeneigenschaften beeinflusst. Als solche spielen sie eine entscheidende Rolle bei der Produktentwicklung, den Herstellungsprozessen und der Gesamtleistung technischer Systeme. Daher ist das Verständnis und die Kontrolle dieser Eigenschaften unerlässlich, um eine optimale Leistung, Effizienz und Zuverlässigkeit in verschiedenen industriellen Prozessen und Anwendungen zu erreichen.
Wir verwenden die folgenden wichtigen Oberflächeneigenschaften, um das Verhalten industrieller und mechanischer Produkte zu verstehen und ihre Qualität zu verbessern.
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
In der industriellen und mechanischen Industrie gibt es mehrere Fallstudien, die die Vorteile der Durchführung von Messungen der Oberflächeneigenschaften veranschaulichen.
Herausforderung : Im Bereich der Meerestechnik ist die Aufrechterhaltung der Leistung von Unterwasserausrüstungen wie Lagern von entscheidender Bedeutung.
Lösung : Ingenieure haben an hydrophoben Lagern für Unterwasseranwendungen gearbeitet, indem sie Oberflächen mit geringem Gleitwinkel geschaffen haben. Die Hydrophobie in Lagern trägt dazu bei, die Reibung zwischen beweglichen Teilen in Unterwassermaschinen wie Schiffspropellern und Unterwasserfahrzeugen zu verringern. Niedrigere Gleitwinkel sorgen für einen reibungsloseren Betrieb, eine höhere Effizienz und einen geringeren Verschleiß und erhöhen die Zuverlässigkeit der Schiffsausrüstung.
Herausforderung : In der Luftfahrtindustrie ist die Eisbildung auf Flugzeugoberflächen ein großes Problem. Eisansammlungen auf den Flugzeugflügeln unterbrechen die Luftströmung, was zu einem verringerten Auftrieb und einer verringerten Kontrolle führt.
Lösung : Ingenieure haben an einem Anti-Icing-System gearbeitet, das von den Kontaktwinkeln abhängt. Durch eine sorgfältige Steuerung des Kontaktwinkels entstehen superhydrophobe Oberflächen. Es sorgt dafür, dass Eis nicht so leicht an den Flügeln und Oberflächen des Flugzeugs haften bleiben kann. Die neue superhydrophobe Oberfläche erhöht die Sicherheit, indem sie die Ansammlung von Eis verhindert und das Gewicht und den Energieverbrauch reduziert, die mit herkömmlichen Enteisungsmethoden verbunden sind.
Herausforderung : Beim 3D-Druck ist die Steuerung der Oberflächenspannung von Druckmaterialien unerlässlich, um präzise und qualitativ hochwertige Drucke zu erzielen.
Lösung : Ingenieure haben 3D-Druckmaterial entwickelt, das eine relativ niedrige Oberflächenspannung aufweist. Eine niedrigere Oberflächenspannung fördert eine bessere Benetzung und Haftung des Druckmaterials auf der Bauoberfläche und zwischen aufeinanderfolgenden Schichten. Daher bietet das neue 3D-Druckmaterial eine verbesserte Druckqualität, weniger Defekte wie Verformungen und Delamination und eine erhöhte Gesamtzuverlässigkeit des Drucks. Es hilft dem 3D-Druckmaterial, sich gleichmäßig über die Bauoberfläche zu verteilen, wodurch starke Bindungen zwischen den Schichten entstehen und die Wahrscheinlichkeit von Problemen wie "Elefantenfuß" (übermäßiges Quetschen des Materials in der ersten Schicht) oder "Stringing" (unerwünschte dünne Materialstränge) verringert wird.
Herausforderung : Die Entwicklung von Geräten wie Kathetern erfordert blutabweisende Oberflächen, um die Gerinnung zu verhindern und eine reibungslose Funktion zu gewährleisten.
Lösung : In der Medizintechnik wird eine superhydrophobe Beschichtung mit hohem Kontaktwinkel auf die Oberflächen von Medizinprodukten aufgebracht. Dadurch entsteht eine nicht benetzende Oberfläche, die Blut und andere Körperflüssigkeiten abstoßen kann. Der hohe Kontaktwinkel verhindert das Anhaften von Blut an der Oberfläche von Medizinprodukten und verringert so das Risiko der Gerinnselbildung. Es verbessert die Gesamtleistung und Sicherheit dieser Geräte.
Herausforderung : In der Automobilindustrie ist es wichtig, die Sicht bei Regen zu wahren, um die Sicherheit des Fahrers zu gewährleisten.
Lösung : Bei herkömmlichen Windschutzscheibenoberflächen ist Wasseransammlung ein häufiges Problem. Es verringert die Sicht und beeinträchtigt die Sicherheit des Fahrers. Die Branche verfügt über eine einzigartige Lösung, um die Regenwasserabweisung zu verbessern. Eine hydrophobe Beschichtung mit geringem Gleitwinkel wird auf die Windschutzscheiben von Autos aufgebracht. Der niedrige Gleitwinkel sorgt dafür, dass Regenwasser leicht von der Oberfläche abperlt. Es verbessert die Sicht bei Nässe. Die hydrophobe Beschichtung reduziert die Wasseransammlung auf den Windschutzscheiben erheblich, was zu einer verbesserten Sicht und Sicherheit des Fahrers bei Regenwetter führt.
Wenn Sie an der Implementierung dieser oder anderer Anwendungen interessiert sind, kontaktieren Sie uns bitte.
Wohin wenden sich Industrie- und Maschinenbauhersteller in einer Branche, in der Präzision an erster Stelle steht, um sicherzustellen, dass ihre Produkte einer genauen Prüfung standhalten? Die Antwort liegt in Normen und Richtlinien: dem Kompass, der Kosmetikhersteller durch das komplexe Labyrinth von Qualität und Leistung führt.
Halogenid-Ionenchlorid- und Fluorid-Ionen können zur externen Spannungsrisskorrosion (ESCC) beitragen, wenn keine hemmenden Ionen vorhanden sind, wenn sie auf der Oberfläche von austenitischem Edelstahl abgeschieden und konzentriert werden. Daher stellt diese Norm die Prüfverfahren für Laborverfahren zur Bestimmung von wasserauslaugbaren Chlorid-, Fluorid-, Silikat- und Natriumionen in Wärmedämmstoffen im Bereich von ppm zur Verfügung.
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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