• Behandelte Oberfläche

    Behandelte Oberfläche

Oberflächenbehandlung im Allgemeinen

Kontaktwinkel und Oberflächenspannung bei der Optimierung von Benetzung und Beschichtung

Die Oberflächenbeschaffenheit von Materialien ist für die Verarbeitung und die Endverwendung häufig ebenso wichtig wie die Volumeneigenschaften. Für die Haftung beim Verkleben, Bedrucken oder Beschichten sind die Reinheit, freie Oberflächenenergie und Rauigkeit entscheidend. Auch das Benetzbarkeits- und Haftungsverhalten gegenüber Schmutz und Wasser ist für zahlreiche Materialien und Anwendungen relevant. Viele Schritte der Oberflächenvorbereitung und –veredelung können anhand grenzflächenchemischer Methoden mit Hilfe unserer Messinstrumente optimiert werden.

Charakterisierung von Reinigungsflüssigkeiten und gereinigten Oberflächen

Prozessstationen und Bäder für die Reinigung von Oberflächen arbeiten oft auf wässriger Basis, wobei zur Verbesserung der Benetzung und Mobilisierung hydrophober Stoffe Tenside eingesetzt werden. Tenside verbessern die Benetzung durch die Verringerung der hohen Oberflächenspannung von Wasser. Die Qualitätskontrolle kann anhand präziser Messungen der Oberflächenspannung mit unseren halb- oder vollautomatischen Force Tensiometern – K11, K20 oder K100 erfolgen.

Beim Reinigen werden hydrophobe Substanzen durch Einlagerung in Tensidmolekülverbände, so genannte Mizellen, mobilisiert. Unser Force Tensiometer – K100 misst die Tensidkonzentration, bei der Mizellen gebildet werden, und charakterisiert auf diese Weise die Effizienz von Tensiden hinsichtlich der Waschwirkung.

Der Tensidgehalt von Reinigungsbädern kann anhand der konzentrationsabhängigen, dynamischen Oberflächenspannung mit unseren Blasendruck-Tensiometern ermittelt werden. Dazu wird im Labor eine Eichkurve mit dem stationären Instrument Bubble Pressure Tensiometer – BP100 erstellt. Die Einhaltung festgelegter Grenzwerte kann dann vor Ort mit unserem mobilen Messgerät Bubble Pressure Tensiometer – BP50 überprüft werden.

Untersuchungen der Benetzbarkeit mit Hilfe von Kontaktwinkelmessungen zeigen den Erfolg der Oberflächenreinigung. Bei einer homogen gereinigten, gleichmäßigen Oberfläche ist der Kontaktwinkel überall gleich. Hydrophob verschmutzte Bereiche sind an einem erhöhten Kontaktwinkel erkennbar. Unser mobiles Messgerät Mobile Surface Analyzer – MSA leistet die Qualitätskontrolle vor Ort, zerstörungsfrei und auf beliebig großen Proben.

Erhöhung der freien Oberflächenenergie

Je höher die freie Oberflächenenergie eines Festkörpers ist, desto besser ist die Haftung und Benetzung. Materialien mit niedriger freier Oberflächenenergie, besonders Kunststoffe, erhalten vor dem Verkleben, Beschichten oder Bedrucken oft eine aktivierende Vorbehandlung. Gängige Behandlungsmethoden sind Plasmabehandlung, Koronabehandlung oder Flammbehandlung sowie die chemische Einwirkung von oxidierenden Gasen wie Fluor oder Ozon.

Unsere Instrumente zur Messung des Kontaktwinkels ermitteln die freie Oberflächenenergie und quantifizieren den Erfolg der Behandlung. Ein wichtiges Teilergebnis ist dabei der polare Anteil der freien Oberflächenenergie. Er beschreibt den Grad, mit dem die Kunststoffoberfläche sich oberflächenchemisch der polaren Flüssigkeit Wasser angenähert hat. Dadurch charakterisiert der polare Anteil die Affinität zu wässrigen Farben und Beschichtungsstoffen.

Wird die Oberflächenspannung eines Beschichtungsstoffs ebenfalls gemessen, können die Adhäsionsarbeit als Maß für die Haftung und die Grenzflächenspannung als Kenngröße für die Langzeitstabilität berechnet werden. Auf Basis der Ergebnisse kann die Qualität von Beschichtungen gezielt optimiert werden.

Änderung der Rauheit von Oberflächen

Benetzung und Haftung können in vielen Fällen durch Aufrauen der Oberfläche verbessert werden. Die Auswirkung der erhöhten Rauheit auf die Benetzung kann anhand des Unterschiedes zwischen dem Kontaktwinkel bei der Benetzung (Fortschreitwinkel) und der Entnetzung (Rückzugswinkel) gemessen werden. Unsere softwaregesteuerten Dosiereinheiten für unsere Kontaktwinkel-Messinstrumente leisten die kontrollierte Vergrößerung und Verkleinerung des aufdosierten Tropfens. Alternativ wird der Fortschreit- und Rückzugswinkel durch Eintauchen und Herausziehen der Probe (Wilhelmy-Methode) mit unserem Force Tensiometer – K100 gemessen.

Galvanisieren

In Galvanisierbädern sind zur besseren Benetzung Tenside gelöst. Die bessere Benetzung wird dabei durch Verringerung der Oberflächenspannung erreicht. Daher kann die Wirkung von Tensiden durch Messungen der Oberflächenspannung bestimmt werden. Der Tensidgehalt eines Bades kann durch Messung der dynamischen Oberflächenspannung mit unseren Bubble Pressure Tensiometern BP100 und BP50 gemessen werden.

Hydrophobe und Antihaft-Beschichtungen

Häufig wird von Oberflächen nicht gute, sondern geringe Benetzbarkeit und Haftung erwartet. Das gilt immer dann, wenn Oberflächen nach dem Kontakt mit anderen Stoffen rein bleiben und keine Schicht adsorbierter Stoffe bilden sollen. Beispiele sind Hauswände, lackierte Fahrzeugkarosserien oder Brillen- und Fenstergläser, Kochgeschirr oder medizinische Geräte. Solche Oberflächen werden häufig hydrophob beschichtet.

Ob eine Beschichtung optimal ist, kann anhand des Kontaktwinkels festgestellt werden. Hydrophobe Oberflächen weisen einen hohen Wasserkontaktwinkel auf. Geringe Haftung zeigt sich durch eine niedrige freie Oberflächenenergie des Festkörpers.

Ultrahydrophobe Beschichtungen unterstützen einen Selbstreinigungseffekt, bei dem Wassertropfen von der Oberfläche abrollen und Schmutzteilchen mitreißen (Lotuseffekt). Dieses Verhalten kann mit Hilfe von Neigeeinrichtungen für unsere optischen Kontaktwinkel-Messinstrumente Drop Shape Analyzer – DSA30 und DSA100 anhand des Abrollwinkels quantifiziert werden, um solche Beschichtungen zu optimieren. Der Abrollwinkel ist der Neigungswinkel einer Oberfläche, bei dem ein aufdosierter Tropfen von der Oberfläche rollt oder gleitet.

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.

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.

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.

AR253: Correlation of receding water contact angle data with moisture vapor transition rate on corona treated polypropylene packaging film

Die Erhöhung der freien Oberflächenenergie einer PP-Folie durch Corona-Behandlung wird durch Kontaktwinkelmessungen quantifiziert. Die unerwünschte Erhöhung der Feuchtedurchlässigkeit bei zu langer Behandlungsdauer korreliert gut mit dem gemessenen Rückzugswinkel.