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Adhäsion an Metallen

Kontaktwinkel und Oberflächenspannung für die Verarbeitung von Metalloberflächen

Bei ihrer Verarbeitung treten Metalle in adhäsiven Kontakt mit anderen Stoffen, zum Beispiel beim Kleben oder Lackieren. Die meist hohe freie Oberflächenenergie von Metallen ist dabei eine günstige Voraussetzung für gute Benetzung und feste Haftung. Um Beschichtungs- und Verklebungsprozesse zu optimieren, sind dennoch reinigende und bei einigen Metallen auch aktivierende Vorbehandlungsschritte notwendig. Unsere Instrumente zur Kontaktwinkel- und Oberflächenspannungsmessung übernehmen Aufgaben bei der Qualitätssicherung der Vorbehandlung und liefern Messergebnisse für die Optimierung von Beschichtungsstoffen.

Qualitätssicherung von Reinigungslösungen

Die Haftung auf Metallen wird durch adsorbierten Schmutz deutlich verringert, weshalb dem Oberflächenkontakt meist eine Reinigung vorausgeht. Reinigungslösungen enthalten häufig Tenside, welche die Oberflächenspannung herabsetzen, dadurch die Benetzung verbessern und so hydrophobe Substanzen mobilisieren.

Unsere Tensiometer messen die Oberflächenspannung und charakterisieren die Effizienz von Tensiden anhand der kritischen Mizellbildungskonzentration (CMC). Diese Information hilft bei der Auswahl und Dosierung des Tensids.

Der Tensidgehalt einer Reinigungslösung verringert sich während des Prozesses durch die Adsorption an der Oberfläche, sodass regelmäßig nachdosiert werden muss. Um den aktuellen Tensidgehalt zu prüfen, kann die dynamische Oberflächenspannung gemessen werden, die im Gegensatz zur statischen Oberflächenspannung auch im Bereich hoher Konzentrationen vom Tensidgehalt abhängt. Mit unserem stationären Laborgerät Bubble Pressure TenssiometerBP100 wird dazu eine Eichkurve erstellt. Diese dient als Grundlage zur Bestimmung des Wirkstoffgehalts mit unserem mobilen Instrument Bubble Pressure Tensiometer – BP50 vor Ort.

Prüfung der gereinigten Metalloberfläche

Die Überprüfung der Metallfläche vor der Verklebung oder Beschichtung ist ein weiterer wichtiger Schritt der Qualitätssicherung. Als Qualitätskriterium dient dabei die Benetzbarkeit, die unsere Messgeräte zur Tropfenkonturanalyse anhand des Kontaktwinkels messen. Hierbei werden die Homogenität und Güte der Reinigung durch einen niedrigen und möglichst überall gleichen Wasserkontaktwinkel angezeigt. Unser mobiles Messinstrument Mobile Surface Analyzer – MSA ermöglicht die Prüfung vor Ort, zerstörungsfrei und auf beliebig großen Oberflächen.

Messung der freien Oberflächenenergie sowie der Haftung und Rauigkeit

Einige Metalle, zum Beispiel Aluminium oder Magnesium, sind mit einer passivierenden Oxidschicht überzogen und benötigen eine aktivierende Behandlung vor dem adhäsiven Kontakt. Auch Titan als Prothesenmaterial wird vorbehandelt, um durch erhöhte Haftung biogenen Materials, zum Beispiel Collagen, die Biokompatibilität zu verbessern. Die verschiedenen Behandlungsmethoden bewirken eine Erhöhung der freien Oberflächenenergie oder der Rauigkeit, wodurch sowohl die Benetzbarkeit als auch die Haftung verbessert werden.

Die freie Oberflächenenergie kann mit unseren Messgeräten anhand des Kontaktwinkels mit mehreren Flüssigkeiten gemessen werden. Dabei werden auch der polare und dispersive Anteil der freien Oberflächenenergie ermittelt. Kombiniert mit der Messung der Oberflächenspannung des Beschichtungsstoffs kann die Adhäsionsarbeit als Maß für die Haftung gemessen werden. Durch die getrennte Messung der angrenzenden Phasen ist es möglich, die Zusammensetzung des Beschichtungsstoffs und die Vorbehandlung aufeinander abzustimmen. 

Der Einfluss der Rauigkeit auf die Benetzbarkeit wird sichtbar, wenn der Kontaktwinkel im Zuge der Benetzung (Fortschreitwinkel) mit dem Kontaktwinkel bei der Entnetzung (Rückzugswinkel) verglichen wird.

KRÜSS Applikationsberichte

AR264: Leichtes Metall, schwer zu kleben

Untersucht werden Aluminiumlegierungen, die in Konversionsbädern auf die Verklebung im Fahrzeugbau vorbereitet werden. Verweilzeit und Temperatur haben bei verschiedenen Legierungen unterschiedliche Auswirkungen auf die gemessene freie Oberflächenenergie.