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Industrie und Mechanik Industrie
The Practical Guide to Surface Science (2026)

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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:

  • Entscheidende Prinzipien der Oberflächenforschung
  • Die Bedeutung von oberflächenwissenschaftlichen Messungen für die industrielle und mechanische Industrie
  • Anwendbare ASTM-Normen und -Richtlinien

Lassen Sie uns gleich eintauchen.

mechanisch

Inhalt

Messung

Messung des Kontaktwinkels

Spannung

Messung der Oberflächenspannung

Energie

Messung der Oberflächenenergie

Gleitwinkel

Gleitwinkelmessung

reale Welt

Anwendungen in der realen Welt

Standardund Leitfaden

Normen und Richtlinien

Executive Summary

What it covers: A practical playbook for Industrial & Mechanical teams on measuring contact angle (static and dynamic), surface tension (including dynamic), surface energy, and sliding angle, with examples of how these metrics map to real products and processes. It also outlines how to document and interpret results so measurements are comparable and actionable.
Key insights: Real surfaces exhibit contact-angle hysteresis, so advancing/receding (dynamic) angles usually diagnose wetting, cleanliness, roughness, and homogeneity better than a single static value. Dynamic surface tension is the right tool when interfaces change fast (droplet/bubble formation, foams, coalescence, and drying paints), and using benchmarks plus distributions (median/IQR, zone mapping) helps spot contamination and treatment drift quickly.
Business value: These measurements turn “surface feel” problems into quantifiable process controls—improving adhesion, coating performance, lubrication/friction behavior, cleaning validation (e.g., membranes), and reliability in demanding environments (marine, aviation, automotive). They also enable faster troubleshooting and lower scrap/downtime by catching non-uniformity and surface-condition changes before they become defects or failures.
Standards to follow: Use ASTM D8597-24 for portable goniometer contact-angle measurement on real parts, and enforce a strict SOP (fixed droplet volume, fixed capture time, controlled environment, defined sampling map, replicates, and documented QC checks). Establish pass/fail limits only via internal correlation to your acceptance tests, and use follow-on methods such as ASTM D7490 when you need surface-energy estimation or deeper root-cause work.
Bottom line: Pick the measurement that matches the physics of your problem—dynamic contact angles for real-world wetting behavior, dynamic surface tension for fast-changing interfaces, surface energy for adhesion/compatibility, and sliding angle for runoff/slip performance. Run them with disciplined reporting and standards-aligned controls, and they become a dependable decision system for industrial and mechanical design, manufacturing, and maintenance.

Kapitel 1: Einführung

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.

We use the following surface properties to understand the behavior of Industrial and Mechanical products and improve their quality.

Kapitel 2: Kontaktwinkelmessung

Der Kontaktwinkel quantifiziert die Benetzbarkeit einer Oberfläche, indem er den Winkel zwischen der Oberfläche einer Flüssigkeit und einer festen Oberfläche darstellt.
Dropletlab-Forschung

Sample Image taken from Droplet Lab Tensiometer.

Young – Laplace-Methode

  • 1. Bei dieser Methode wird das gesamte Tropfenprofil verwendet, um den Wert des Kontaktwinkels zu berechnen.
  • 2. This method is only compatible with an axisymmetric drop, which is not always seen in practice because a needle is typically inserted into the drop to increase or decrease the drop volume.
  • 3. This method yields more consistent results than the polynomial fitting method.

Polynomiale Methode

  • 1. This method uses only a portion of the drop profile to calculate the contact angle value.
  • 2. Diese Methode ist sowohl mit achsensymmetrischen als auch mit nicht-achsensymmetrischen Tropfen kompatibel.
  • 3. The measurement results of this method are less consistent, as they can be influenced by local surface imperfections.
Dynamischer Kontaktwinkel

Ideally, when we place a drop on a solid surface, a unique angle exists between the liquid and the solid surface. We can calculate the value of this ideal contact angle (the so-called Young’s contact angle) using Young’s equation. In practice, due to surface geometry, roughness, heterogeneity, contamination, and deformation, the contact angle value on a surface is not necessarily a single consistent value but rather falls within a range. The upper and lower limits of this range are known as the advancing and receding contact angles, respectively. The values of advancing and receding contact angles for a solid surface are highly sensitive to many parameters, such as temperature, humidity, homogeneity, and minor contamination of the surface and liquid. For example, the advancing and receding contact angles of a surface can differ at different locations.

Dynamischer Kontaktwinkel versus statischer Kontaktwinkel

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 practical applications, we need to understand how easily a liquid spreads (advancing angle) and how easily it is removed (receding angle), such as in painting and cleaning. Measuring advancing and receding angles offers a holistic view of liquid-solid interaction, unlike static measurements, which yield an arbitrary value within the range.

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

Kontaktwinkelmessung: Der ultimative Leitfaden

Open Benchmark Data: Contact Angle & Surface Energy

These reference measurements show how deionized water wets four standard substrates measured with the Droplet Lab Dropometer. Use them as visual and numerical benchmarks when you're checking your own sample preparation, treatments, and chemistry.

Full contact angle and surface energy datasets (including additional liquids and statistics) are available on our dataset hub.

Glass - DI Water
Glass - DI Water
Nylon - DI Water
Nylon - DI Water
PMMA - DI Water
PMMA - DI Water
Teflon - DI Water
Teflon - DI Water

The droplet images above are taken from the same benchmark series as our open dataset. For each substrate and probe liquid we report:

● Advancing and receding contact angles (and hysteresis)
● Derived surface energy (SFE) values based on multi-liquid measurements
● Measurement conditions, uncertainties, and sample preparation details

Comparing your own droplet shapes and angles against these references is a fast way to spot contamination, treatment drift, or unexpected changes in wettability.

Explore the full benchmark datasets (contact angle + surface energy)

Measurements were performed with the Droplet Lab Dropometer under controlled laboratory conditions. Treat these values as sanity checks and starting points for your own process targets, not as product specifications.

Kapitel 3: Messung der Oberflächenspannung

Diese Eigenschaft misst die Kraft, die auf die Oberfläche einer Flüssigkeit wirkt, mit dem Ziel, ihre Oberfläche zu minimieren.

Messung der Oberflächenspannung

Sample Image taken from Droplet Lab Tensiometer

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.

Wann sollte die dynamische Oberflächenspannungsmessung verwendet werden?

Dynamic surface tension is essential for processes that involve rapid changes at the liquid-gas or liquid-liquid interface, such as droplet and bubble formation, coalescence (change in surface area), the behavior of foams, and the drying of paints (change in composition, e.g., evaporation of solvent). It is measured by analyzing the shape of a hanging droplet over time.

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

Messung der Oberflächenspannung: Der endgültige Leitfaden

Kapitel 4: Messung der Oberflächenenergie

Die Oberflächenenergie bezieht sich auf die Energie, die erforderlich ist, um eine Flächeneinheit einer neuen Oberfläche zu erzeugen.
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Sample Image taken from Droplet Lab Tensiometer

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

Messung der Oberflächenenergie: Der ultimative Leitfaden

For benchmark contact angle and surface energy values on glass, nylon, PMMA, and Teflon, see the Open Benchmark Data panel above or visit our Dataset Hub for full CSV downloads.

Dataset Hub

Kapitel 5: Gleitwinkelmessung

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.

Gleitwinkel 1

Sample Image taken from Droplet Lab Tensiometer

Erfahren Sie, wie die Gleitwinkelmessung mit unserem Tensiometer durchgeführt wird

Für ein umfassenderes Verständnis der Gleitwinkelmessung lesen Sie unsere Gleitwinkelmessung: Der endgültige Leitfaden

Gleitwinkelmessung: Der ultimative Leitfaden

Kapitel 6: Anwendungen in der Praxis

In der industriellen und mechanischen Industrie gibt es mehrere Fallstudien, die die Vorteile der Durchführung von Messungen der Oberflächeneigenschaften veranschaulichen.

Industrial Membrane Systems: Using Contact Angle to Diagnose Residual Fouling and Validate Cleaning Effectiveness in PVDF AnMBR Membranes

The study evaluates PVDF membrane performance in a thermophilic submerged anaerobic membrane bioreactor treating pulp and paper primary sludge at different solids retention times. It quantifies how well a standard physical + chemical cleaning sequence restores flux and characterizes what residual foulants remain after cleaning, highlighting opportunities to optimize industrial cleaning protocols.

Role of the Droplet Lab Goniometer

The Droplet Lab goniometer (referred to in the paper as a Droplet Smart Tech Inc. sessile contact angle system) was used to measure water contact angle as a direct indicator of membrane surface wettability/hydrophilicity—a key surface property linked to fouling propensity and cleaning effectiveness.

  • The study used a sessile drop contact angle method with a 3 µL water droplet, performed in triplicate on both mixed liquor and membrane samples (reporting averaged values).
  • This type of workflow aligns with Droplet Lab capability for contact angle testing (e.g., 10°–175° range, 0.01° resolution, 0.35° accuracy) and supports small-droplet dosing capability (minimum drop volume with automatic dosing 0.05 µL).

Key Findings

  • The applied cleaning protocol restored ~84%–94% of flux (normalized via permeability testing), but residual foulants still remained—indicating incomplete cleaning effectiveness.
  • Cake/gel layer formation dominated resistance (reported as ~97% of total resistance in the related discussion), supporting the importance of physical cleaning in addition to chemicals.
  • Wettability changed after operation: the contact angles of employed membranes decreased by 20%, 24%, and 39% for 32-, 45-, and 55-day SRT conditions, respectively (significant effect of SRT on contact angle).
  • Longer SRTs increased fouling severity (e.g., higher average fouling rate) and were associated with more persistent residual fouling signals even after cleaning.

Why It Matters

For industrial membrane equipment designers and operators, this paper shows how contact angle can function as a fast surface-quality metric to complement permeability/TMP tracking. If flux recovery looks “acceptable” but wettability shifts substantially, that can indicate surface-condition changesund residual foulant interactions that may accelerate re-fouling, shorten membrane life, and increase downtime. Embedding contact angle checks into cleaning validation (and membrane autopsy workflows) can support cleaning recipe optimization, maintenance scheduling, and membrane replacement decisions.

Method Snapshot

  • Sample: Flat-sheet PVDF membrane module (0.1 µm pore size) used in thermophilic submerged AnMBR treating pulp and paper primary sludge; membrane samples taken for characterization after cleaning steps.
  • Droplet & angle type: 3 µL water droplet, sessile contact angle (static CA implied), triplicate measurements.
  • Surface tension: Not reported/measured in the provided methods/results text.

Data Note

Where contact angle data are reported: The paper reports contact angle changes (percent decreases by SRT) in the “Membrane surface properties” results discussion—immediately following the SEM/roughness discussion—rather than in a dedicated contact-angle figure/table.

Citation (APA Format)

Bokhary, A., Leitch, M., & Liao, B. Q. (2025). Membrane performance evaluation and residual fouling characterization in a thermophilic submerged AnMBR treating pulp and paper primary sludge at varying solids retention times. Separation and Purification Technology, 358, 130438. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.130438

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Hydrophobe Lager für Marineanwendungen

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.

Hydrophobe Lager für Marineanwendungen

Verhinderung von Flugzeugvereisung

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 : Engineers have worked on an anti-icing systems that depends on contact angles. By carefully controlling the contact angle superhydrophobic surfaces are created. It makes sure that ice cannot easily stick to the aircraft's wings and surfaces. The new superhydrophobic surface enhanced safety by preventing ice accumulation and reduced the weight and energy consumption associated with traditional de-icing methods.

Aircraft Icing Prevention 

Verbesserter 3D-Druck

Herausforderung : Beim 3D-Druck ist die Steuerung der Oberflächenspannung von Druckmaterialien unerlässlich, um präzise und qualitativ hochwertige Drucke zu erzielen.

Lösung : Engineers have developed 3D printing material that has relatively low surface tension. Lower surface tension promotes better wetting and adhesion of the printing material to the build surface and between successive layers. Therefore, the new 3D printing material will offer improved print quality, reduced defects such as warping and delamination, and enhanced overall printing reliability. It will help the 3D printing material spread evenly across the build surface, creating strong bonds between layers and will reduce the likelihood of issues like "elephant's foot" (excessive material squishing at the first layer) or "stringing" (unwanted thin strands of material).

Verbesserter 3D-Druck

Medizinprodukte und Blutabweisung

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.

Medizinprodukte und Blutabweisung

Kfz-Windschutzscheiben und Regenabweisung

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.

Kfz-Windschutzscheiben und Regenabweisung

Wir sind Ihre Partner bei der Lösung Ihrer geschäftlichen und technologischen Probleme herausforderungen

Wenn Sie an der Implementierung dieser oder anderer Anwendungen interessiert sind, kontaktieren Sie uns bitte.

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Kapitel 7: Normen und Richtlinien

In an industry where precision reigns supreme, how can Industrial and Mechanical manufacturers ensure their products withstand scrutiny? The answer lies in standards and guidelines: the compass that guides them through the complex maze of quality and performance.

ASTM D8597-24 — Surface Wettability by Contact Angle Using Portable Goniometers

What it is

ASTM D8597-24 describes a method to measure the contact angle of a deposited liquid droplet using a portable (handheld) goniometric device to assess surface wettability on real parts. It enables documented, comparable line-side/field wettability checks when measurement conditions are controlled through a consistent SOP.

When to use it

Line-side / field wettability screening on real parts

Use when parts are too large or impractical to coupon (e.g., coated panels, films, molded components, large assemblies) and you need a non-destructive, traceable wettability check at the point of use.

Uniformity verification after cleaning, treatment, or handling

Use when you need to map zone/lane variability (edge/center/edge, drive/operator side, lane-by-lane) to detect non-uniform treatment or localized contamination risk.

In-scope / Out-of-scope

In scope
  • Portable/handheld goniometric devices for sessile-drop contact-angle measurement
  • Measuring contact angle (θ) from an imaged droplet profile on a substrate/part surface
  • Fixed-time or otherwise standardized capture/reporting defined in your SOP for comparability
  • Mapping wettability across zones/lanes/placements to evaluate surface uniformity
Out of scope
  • Pass/fail adhesion or printability claims without correlating θ to your acceptance tests (adhesion, defects, peel strength, etc.)
  • Identifying the chemical origin of contamination/non-uniformity (often requires follow-on analytics)
  • Direct measurement of liquid surface tension or definitive surface energy without appropriate follow-up methods
  • Assuming results transfer across different liquids/surfaces/process states unless validated (material, roughness, storage history, etc.)

Minimum you must report (checklist)

  • Surface identification & condition: material/coating, finish, treatment history, and state (“as received / post-clean / post-treatment / post-storage”)
  • Test liquid: identity and quality controls (e.g., DI water), plus batch/handling notes as applicable
  • Droplet volume setpoint: one locked value used for all measurements in the dataset
  • Capture time: the fixed timestamp after placement used for θ reporting (e.g., “θ @ 1.5 s”)
  • Measurement definition & results: which θ is reported (e.g., left/right/average if applicable), plus replicates and distribution stats (at minimum median + IQR)
  • Sampling plan: number of placements per zone and the zone/lane map plan (where points were taken)
  • Environment: temperature and relative humidity (or equivalent conditions impacting comparability)
  • Data quality controls: instrument leveling/calibration checks, “golden panel” or reference surface results, and documented rejects (glare/tilt/edge-fit failure/droplet motion) with frames flagged for audit traceability

Note: ASTM D8597 describes the measurement method; your “GO / HOLD” thresholds must be established by internal correlation to real outcomes on your surfaces with your liquids. This guide-style summary does not confer ASTM certification—purchase and follow the official ASTM standard for full requirements.

How to interpret results (guardrails)

  • Lower θ (with the same liquid, volume, and timestamp) generally indicates easier wetting and typically lower wetting-related risk, but only your correlation study can define what “good” means.
  • Higher θ generally indicates poorer wetting and elevated risk—investigate contamination, insufficient treatment, or storage/handling changes.
  • Use distributions, not single drops: median shifts suggest global process changes; widening IQR and zone-pattern signatures suggest non-uniformity (treatment/handling/lane effects).
  • Escalate when decisions are high-stakes or chemistry separation is needed: repeat under controlled conditions and, where appropriate, add deeper methods (e.g., two-liquid solid surface property estimation via ASTM D7490 and/or analytical tools) to identify root cause.
View the Official ASTM D8597 Standard

Jetzt sind Sie an der Reihe

We hope this guide showed you how to apply surface science in the Industrial and Mechanical industry.

Nun möchten wir das Wort an Sie übergeben:

  • Was ist die #1 reale Anwendung aus diesem Beitrag, die Sie zuerst ausprobieren möchten?
  • Vielleicht haben wir einen relevanten Industriestandard übersehen.
  • Oder vielleicht haben Sie eine Frage zu etwas, das Sie gelesen haben.

Feel free to leave a comment below—we’d love to hear from you.

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