Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
Benetzbarkeit von Oberflächen: Für die sichere Adhäsion von Klebstoffen und Lacken
Die Benetzbarkeit eines Bauteils spielt eine zentrale Rolle, damit Klebstoffe, Beschichtungen und Lacke stabil und sicher auf dessen Oberflächen haften. Zudem gibt es selbstreinigende oder trennende Schichten, für die nur eine geringe Benetzbarkeit benötigt wird. Um sicherzustellen, dass eine Oberfläche für ihre Anwendung optimal vorbereitet ist, bietet das Fraunhofer IFAM verschiedene Testmöglichkeiten wie Kontaktwinkel- und Testtintenmessungen an. Darüber hinaus werden Lösungen zur Optimierung der Bauteiloberflächen von der Reinigung über die Aktivierung bis zur Beschichtung auf Wunsch für Sie erarbeitet.
Benetzungseigenschaften charakterisieren: Von der Kontaktwinkelmessung über Testtinten bis zur Entnetzung
Für viele industrielle Anwendungen ist essentiell, dass Klebstoffe, Beschichtungen oder Lacke und Oberflächeneigenschaften bestmöglich aufeinander abgestimmt sind. Die Benetzbarkeit einer Oberfläche hängt von verschiedenen Faktoren wie der Oberflächenchemie und –zusammensetzung (die oft von dem Grundwerkstoff abweicht), der Oberflächenstruktur (Rauheit), aber auch von prozessbedingten Effekten ab. Ist eine Oberfläche beispielsweise durch Fette oder Trennmittelreste kontaminiert, können Lacke abplatzen oder Klebstoffe nicht richtig anhaften. Dies kann zu hohen Kosten und weiteren schwerwiegenden Folgen führen, z. B. wenn eine geklebte Struktur am Auto einem Unfall nicht standhält. Umso bedeutender ist es, die Benetzung von Oberflächen vor einem Kleb-, Lackier- oder Beschichtungsprozess zu bestimmen. Hierfür gibt es unterschiedliche Möglichkeiten:
a) Testtinten
Die einfachste Methode zur Charakterisierung der Benetzungseigenschaften verschiedener Materialien wie Metall oder Kunststoff erfolgt mittels Testtinten. Diese werden mit verschiedenen Oberflächenspannungen auf die Prüffläche aufgebracht und die jeweilige Benetzung wird visuell beurteilt. Die Vorteile dieser Methode liegen in der schnellen und direkten Anwendung. Da es sich um eine manuelle Prüfmethode handelt, kann es jedoch zu anwenderabhängigen Abweichungen und Fehlinterpretationen kommen.
b) Kontaktwinkelmessungen
Die Kontaktwinkelmessung ist eine der zuverlässigsten Methoden zur Bestimmung der Benetzbarkeit. Durch die Verwendung von Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Eigenschaften, können die Oberflächenenergien hinsichtlich ihrer dispersen und polaren Anteile beurteilt werden. So sind eine sehr gute Benetzungsvoraussage und ein genaues Verständnis der auf den Oberflächen vorliegenden oder erzeugten Zustände möglich. Hierfür stehen am Fraunhofer IFAM verschiedene Messsysteme zur Verfügung – von mobilen Geräten zur Kontaktwinkelmessung in der Fertigungslinie vor Ort bis zu vollautomatisierten Anlagen für Serienmessungen und Prozessentwicklungen. Die Kontaktwinkelmessung eignet sich besonders gut für kleine Flächen und lokale Messungen. Werden großflächige Informationen benötigt, kann der Aerosol-Wetting-Test verwendet werden.
c) Entnetzung
Neben der Messung der Benetzung ist auch die Analyse der Entnetzung, also des Abrollens von Flüssigkeiten, von großer Bedeutung für das Verständnis von Oberflächen. Dadurch kann zum Beispiel die Dosierung von Impfspritzen, die Selbstreinigungsfähigkeit von Oberflächen aber auch das Wachstum von Eis durch Regentropfen untersucht und kontrolliert werden. Am Institut sind unterschiedliche Geräte vorhanden, die das Be- und Entnetzungsverhalten unter variablen Neigungswinkeln analysieren können.
d) Pulver und Fasern
Neben einfachen Oberflächen von Bauteilen kann auch das Benetzungsverhalten von Pulvern und Fasern mit Hilfe eines Tensiometers untersucht werden, um so die Behandlung dieser Materialien bedarfsgerecht und gezielt zu entwickeln. So kann die Dispergierbarkeit von Lackfüllstoffen genauso wie die Wechselwirkung von Harzen mit Kohlenstoff- oder Glasfasern vorhergesagt und effizient optimiert werden.
Wir unterstützen Sie bei der Optimierung Ihrer Oberflächen
Grundsätzlich gilt die Regel, dass die Oberflächenenergie eines Festkörpers höher sein muss, als die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit, damit es zur Benetzung kommt. Die Benetzbarkeit von Oberflächen kann durch eine entsprechende Oberflächenbehandlung gezielt beeinflusst werden. Die Plasmatechnik bietet hierfür optimale Voraussetzungen. Behandlungen mit verschiedenen Gasen und Gasgemischen bei Atmosphären- oder Niederdruck oder mit VUV- und Laserstrahlen ermöglichen eine individuelle Funktionalisierung von Oberflächen.
Jost Degenhardt ist Projektleiter in der Arbeitsgruppe »Atmosphärendruck-Plasmatechnik« in der Abteilung »Plasmatechnik und Oberflächen«. Funktionalisierte Oberflächen bilden den Schwerpunkt der Forschungsarbeiten. Die Oberflächentechnik ist eine der Kernkompetenzen des Fraunhofer IFAM. Unser großes Plus liegt darin, dass wir verschiedenste Bereiche wie die Lacktechnik, die Klebtechnik, die Adhäsions- und Grenzflächenforschung sowie umfassende Analysemethoden unter einem Dach vereinen. Somit können wir Ihre individuellen Fragestellungen ganzheitlich betrachten und Sie bestmöglich bei der Optimierung und Entwicklung Ihrer Produkte unterstützen.