Grenzflächenspannung

Grenzflächenspannung, symbol γ, bezeichnet die kohäsiven Kräfte, die an der Grenzfläche zweier immiscibler Phasen wirken. Sie ist die Energie pro Oberflächen- oder Grenzflächenfläche, die benötigt wird, um die Grenzfläche um eine zusätzliche Flächeneinheit zu vergrößern. Typischerweise wird γ in N/m oder mN/m angegeben. Grenzflächenspannung tritt bei Grenzflächen zwischen zwei Flüssigkeiten, aber auch zwischen Flüssigkeit und Gas (Flüssigkeit-Gas-Grenzfläche) auf.

Physikalisch lässt sich die Grenzflächenspannung mit der Oberflächenenergie eines Interfaces vergleichen. In einem ruhenden System führt das Gleichgewicht der Kräfte an der Grenzfläche zur Young-Laplace-Gleichung, die den Druckunterschied ΔP über gekrümmter Grenzfläche durch ΔP = γ (1/R1 + 1/R2) beschreibt. Die Größe γ charakterisiert die Stabilität von Tropfen, Blasen und Emulsionen: Hohe Grenzflächenspannung neigt zu kugelförmigen Tropfen, niedrige erleichtert das Ausbreiten und die Vermischung zweier Phasen.

Abhängigkeiten und Einflussfaktoren: Grenzflächenspannung hängt stark von Temperatur, chemischer Zusammensetzung und dem Vorhandensein von Grenzflächenaktiven Stoffen (Surfactants) ab. Mit zunehmender Temperatur sinkt γ typischerweise. Tenside oder Emulgatoren senken die Grenzflächenspannung deutlich und stabilisieren feine Emulsionen. Ionenstärke und Geliermittel können ebenfalls wirken. Dynamische Grenzflächenspannungen unterscheiden sich von Gleichgewichtswerten, da Adsorptionskinetiken eine Rolle spielen.

Messung und Anwendungen: Grenzflächenspannung wird mittels Pendant-Tropfen-Pendeln, du-Noüy-Ring, Wilhelmy-Platte oder Spinning-Drop-Verfahren bestimmt. Anwendungen finden sich in der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie, der Pharma-, Öl- und Materialindustrie sowie bei der Herstellung von Emulsionen, Schäumen und Beschichtungen. Typische Referenzwerte liegen je nach System im Bereich von wenigen mN/m bis zu einigen zehn mN/m; Wasser-Luft-Grenzflächenspannung beträgt etwa 72,8 mN/m bei 20°C.