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Adhäsion an Polymeren

Kontaktwinkel und Oberflächenspannung zur Optimierung von Kunststoffbeschichtungen

Kunststoffe sind Materialien mit vergleichsweise geringer freier Oberflächenenergie und entsprechend geringer Grenzflächenhaftung beim Verkleben, Beschichten oder Bedrucken. Das gilt insbesondere bei Beschichtungsstoffen auf wässriger Basis mit einer tendenziell hohen Oberflächenspannung. Häufig werden beide Phasen auf den Kontakt vorbereitet: der flüssige Beschichtungsstoff durch Verringerung der Oberflächenspannung, der Kunststoff durch Erhöhung der freien Oberflächenenergie. Beide Vorgänge können mit Hilfe unserer Tensiometer und Kontaktwinkelmessgeräte optimiert werden.

  • Kunststoffverklebung, besonders im Automobilbau und bei Verpackungen
  • Folienbedruckung
  • Lackieren von Kunststoffen
  • Adhäsion von anorganischen Fasern und Pulvern in Matrixpolymeren bei Verbundstoffen

Verringerung der Oberflächenspannung des flüssigen Beschichtungsstoffs

Farben und Lacke oder auch Kleber enthalten häufig Tenside, welche die Oberflächenspannung reduzieren und so die Benetzung verbessern. Unsere halb- und vollautomatischen Tensiometer verfügen über präzise Methoden zur Messung der Oberflächenspannung.

Unser Force Tensiometer – K100 ermittelt die Effizienz eines Tensids anhand der kritischen Mizellbildungskonzentration (CMC). Dieser Wert zeigt die maximale Absenkung der Oberflächenspannung durch ein Tensid an. Durch Messung der CMC kann eine teure Überdosierung vermieden werden.

Für schnelle Prozesse analysieren unsere stationären oder mobilen Blasendruck-Tensiometer die Geschwindigkeit, mit der Tenside die Oberflächenspannung reduzieren. Die Instrumente erfassen die dynamische Oberflächenspannung über einen großen Zeitbereich bis hinunter zu wenigen Millisekunden. Die Ergebnisse helfen dabei, optimale, auf die Prozessgeschwindigkeit abgestimmte Tenside auszuwählen oder zu entwickeln.

Erhöhung der freien Oberflächenenergie des Kunststoffs

Gute Benetzung allein bewirkt noch keine gute Haftung. Um diese zu erzielen, wird häufig die freie Oberflächenenergie des Kunststoffs durch eine Vorbehandlung erhöht. Gängige Verfahren sind hierbei Plasma-, Korona- oder Flammbehandlung sowie die Einwirkung oxidierender Gase wie Ozon oder Fluor.

Die Erhöhung der freien Oberflächenenergie im Zuge der Behandlung können unsere Messgeräte zur Tropfenkonturanalyse anhand des Kontaktwinkels mit mehreren Flüssigkeiten erfassen. Dabei wird auch der polare Anteil der freien Oberflächenenergie ermittelt, der die gewünschte Kunststoffaktivierung durch die Einlagerung polarer Gruppen in die Oberfläche widerspiegelt. Unser mobiles Messinstrument Mobile Surface Analyzer – MSA ermöglicht die Messung auch vor Ort, zerstörungsfrei und auf beliebig großen Proben. Wiederholungsmessungen werden durchgeführt, um den Langzeiteffekt der Behandlung zu prüfen.

Berechnung der Haftung und der Langzeitstabilität

Anhand kombinierter Messungen der freien Oberflächenenergie des Polymers und der Oberflächenspannung der flüssigen Phase kann die Adhäsionsarbeit als direktes Maß für die Haftung berechnet werden. Dank der getrennten Analyse können beide Komponenten auf den gewünschten Kontakt hin optimiert werden. Die Gesamtheit der Messmethoden wird in dem Standard DIN 55660 für Beschichtungsstoffe beschrieben.

Ein weiteres Ergebnis aus den kombinierten Oberflächenuntersuchungen ist die Grenzflächenspannung, welche die inhärente Instabilität einer Beschichtung beschreibt. Je geringer die Grenzflächenspannung ist, desto geringer ist die Neigung zur Ablösung der Schicht durch andere Substanzen, welche durch kleine Risse in die Schicht eindringen.

Messungen an Fasern und Pulvern

Kontaktwinkel, freie Oberflächenenergie und Adhäsionsarbeit lassen sich auch an Fasern und Pulvern bestimmen, zum Beispiel bei der Qualitätssicherung und Entwicklung von Faserverbundwerkstoffen. Untersuchte Fasern und Pulver können sowohl beschichtete Kunststoffe als auch Materialien sein, bei denen Polymere die Beschichtung bilden.

Für diese Messaufgaben wird vor allem unser Universal-Tensiometer K100 eingesetzt. Die hochpräzise Spezialausführung K100SF kann die Benetzung und die freie Oberflächenenergie selbst an sehr dünnen Einzelfilamenten wie zum Beispiel Carbonfasern bestimmen.

KRÜSS Applikationsberichte

TN318: Inline-Prozesskontrolle der Benetzbarkeit durch Kontaktwinkelmessung auf sich bewegenden Oberflächen

Mit einer Machbarkeitsstudie zeigen wir, wie Kontaktwinkelmessungen für unterbrechungsfreie Inline-Prozesskontrollen eingesetzt werden können. Im Mittelpunkt stehen die schnelle Liquid Needle Dosiereinheit und die Software-Schnittstelle ADVANCE API zur Anbindung an Informationssysteme.

AR280: Flammaktivierung von Polymeroberflächen optimieren

Ein Zulieferer für die Automobilindustrie war beim Aufbringen einer Dekorfolie auf flammaktiviertes Polypropylen mit hohen Ausschussraten konfrontiert. Nach ergebnislosen Prüfungen mit Test­tinten gaben Messungen der freien Oberflächenenergie vor Ort Aufschluss über die Ursache des Problems.

AR272: Warum Testtinten nicht die ganze Wahrheit über die freie Oberflächenenergie sagen

Bei 16 Materialien und plasmabehandelten Polymeren wird die SFE mit Kontaktwinkeln und Testtinten bestimmt. Die zum Teil großen Unterschiede beim Methodenvergleich erklären sich dadurch, dass Tintentests die polaren Anteile der SFE nicht berücksichtigen.

AR271: Wettability of carbon fibres using single-fibre contact angle measurements - a feasibility study

Die sehr geringen Benetzungskräfte an einer Carbonfaser können mit Hilfe eines Einzelfaser-Kontaktwinkelmessgerätes K100SF gemessen werden. Unterschiede im Mittelwert gehen über die Streubreite hinaus und quantifizieren somit die Benetzbarkeit der Fasern.

AR262: Der Einfluss einer Sauerstoff-Helium-atmosphärischen Plasmabehandlung auf Kunststoffe für den medizinischen Einsatz

Oberflächenmodifikation von Polymeren mittels Plasmabehandlung verbessert die Benetzbarkeit durch Wasser deutlich. Dieser Befund lässt eine höhere Biokompatibilität der Kunststoffe beim medizinischen Einsatz erwarten.

AR256: Wie Kunststoffe ihre Wasserscheu verlieren

Die Erhöhung der Oberflächenpolarität durch Ozonbehandlung wird bei den Kunststoffen POM und PBT anhand von Kontaktwinkelmessungen nachgewiesen. Die Ergebnisse zeigen zudem einen unterschiedlichen Einfluss der Einwirkdauer auf die Oberflächenaktivierung.