Kontaktwinkel

Kontaktwinkel

Wichtigste Erkenntnisse

• Der Winkel, den ein Tropfen mit der Oberfläche bildet, ist ein direktes, quantitatives Maß für die Benetzbarkeit.
• Kleiner Winkel bedeutet gute Benetzung. Unter etwa 30° gilt eine Oberfläche als gut benetzt; über 90° ist sie praktisch nicht benetzend.
• Mehrere Testflüssigkeiten trennen polare von dispersen Anteilen – und zeigen damit, warum eine Oberfläche nicht klebt.
• Es ist die belastbare Methode, wenn ein Ergebnis mit dem Testtintenstift angefochten würde.

Kontaktwinkel

Der Kontaktwinkel ist der Winkel, der sich dort bildet, wo ein Flüssigkeitstropfen auf eine feste Oberfläche trifft, gemessen durch die Flüssigkeit hindurch am Berührungspunkt, und er liefert ein direktes quantitatives Maß dafür, wie gut diese Flüssigkeit den Festkörper benetzt. Bei Kunststoffen ist er die Referenzmethode zur Beurteilung der Oberflächenenergie und der Wirksamkeit der Vorbehandlung.

Der Winkel ergibt sich aus dem Gleichgewicht zwischen den Kohäsionskräften der Flüssigkeit, die den Tropfen zu einer Kugel zusammenziehen, und den Adhäsionskräften zwischen Flüssigkeit und Festkörper, die ihn flach ziehen. Überwiegt die Adhäsion, breitet sich der Tropfen aus, und der Winkel ist klein. Überwiegt die Kohäsion, perlt der Tropfen ab, und der Winkel ist groß.

Die Zahl richtig lesen

Da Wasser polar ist, gehört ein hoher Wasserkontaktwinkel auf einem Teil, das behandelt sein sollte, zu den schnellsten Hinweisen entweder auf eine fehlgeschlagene Vorbehandlung oder auf Silikonkontamination.

So wird gemessen

Die gängige Labortechnik ist die Methode des liegenden Tropfens (Sessile Drop): Ein Tropfen definierten Volumens wird auf die Oberfläche gesetzt, im Profil abgebildet und der Winkel an der Dreiphasenkontaktlinie gemessen. Punkte, die entscheiden, ob das Ergebnis etwas aussagt:

• Das Tropfenvolumen muss konsistent sein, typischerweise wenige Mikroliter. Größere Tropfen flachen unter ihrem Eigengewicht ab und liefern zu niedrige Werte.
• Messen Sie zügig. Verdunstung und langsames Spreiten verändern den Winkel auf manchen Oberflächen innerhalb von Sekunden, daher ist die Zeitkonvention wichtig und sollte angegeben werden.
• Messen Sie an mehreren Stellen. Oberflächenbehandlung, Textur und Verunreinigung variieren über ein Teil hinweg; ein einzelner Tropfen ist eine Anekdote.
• Oberflächenrauheit verstärkt den Effekt. Eine raue Oberfläche verstärkt, was die zugrunde liegende Chemie bewirkt – eine benetzende Oberfläche benetzt besser, eine nicht benetzende stößt stärker ab. Vergleichen Sie Gleiches mit Gleichem hinsichtlich der Textur.
• Fortschreit- und Rückzugswinkel unterscheiden sich. Die Differenz zwischen beiden, die Hysterese, ist selbst aufschlussreich und weist oft auf Heterogenität oder Verunreinigung hin.

Polare und disperse Anteile trennen

Die Messung mit einer einzigen Flüssigkeit liefert die Benetzbarkeit. Die Messung mit zwei oder mehr Flüssigkeiten bekannter und unterschiedlicher Polarität erlaubt es, die Oberflächenenergie in ihren polaren und dispersen Anteil aufzulösen – darin liegt der diagnostische Wert:

• Der disperse Anteil stammt von Van-der-Waals-Kräften und ist auf jeder Oberfläche vorhanden.
• Der polare Anteil stammt von den sauerstoffhaltigen Gruppen, die die Vorbehandlung aufpfropft. Er ist der Teil, der steigt, wenn ein Polymer behandelt wird, und wieder sinkt, wenn die Behandlung nachlässt.
• Warum das wichtig ist: Zwei Oberflächen können dieselbe Gesamtoberflächenenergie zeigen, während die eine gut klebt und die andere nicht, weil ein Klebstoff, der auf polarer Wechselwirkung beruht, gezielt den polaren Anteil braucht. Ein Gesamtwert allein kann das verbergen.

Wasser und Diiodmethan sind die übliche Paarung: Wasser liefert den polaren Beitrag, Diiodmethan ist im Wesentlichen unpolar. Es gibt mehrere Berechnungsmodelle, daher sollte das verwendete Modell zusammen mit dem Ergebnis dokumentiert werden.

Kontaktwinkel im Vergleich zum Dyne-Test

Beide ergänzen sich, statt zu konkurrieren. Die praktikable Anordnung in den meisten Betrieben ist, den Kontaktwinkel zur Festlegung der Anforderung und zur Klärung strittiger Fragen zu nutzen und Testtinten (Benetzungsspannungslösungen) nach ASTM D2578 für die tägliche Überwachung dagegen einzusetzen.

Fehlersuche bei einem Kontaktwinkelergebnis

Verwandte Begriffe und weiterführende Informationen

• ASTM-D3359-Klebebandtest
• Oberflächenenergie
• Die Wissenschaft hinter der Lösung von Haftungsproblemen bei Kunststoffen
• Messung von Haftung und Abriebbeständigkeit von Beschichtungen und Druckfarben
• Methoden der Polymer-Oberflächenvorbehandlung

Anwendung in der Produktion

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Häufig gestellte Fragen

Welcher Kontaktwinkel zeigt an, dass eine Oberfläche klebebereit ist?

Als grobe Richtschnur deutet ein Wasserkontaktwinkel unter etwa 60° auf eine ordentliche Benetzbarkeit hin und unter 30° auf eine gut behandelte Oberfläche, während die Oberfläche über 90° praktisch nicht benetzend ist. Maßgeblich ist jedoch der Schwellenwert, der für den konkret verwendeten Klebstoff oder die Farbe ermittelt wurde – pauschale Winkelvorgaben sind ebenso unzuverlässig wie pauschale dyne-Vorgaben.

Wie unterscheidet sich der Kontaktwinkel von einem Test mit dem dyne-Stift?

Der Kontaktwinkel wird per Instrument aus einem Bild des Tropfens gemessen und liefert einen kontinuierlichen quantitativen Wert; ein dyne-Stift beruht darauf, dass ein Prüfer beurteilt, ob ein Tintenfilm etwa zwei Sekunden hält, und liefert ein eingegrenztes Gut/Schlecht-Ergebnis. Der Kontaktwinkel kann zudem polare von dispersen Anteilen der Oberflächenenergie trennen, was ein dyne-Test nicht kann. Nutzen Sie dyne-Lösungen zur Routineüberwachung und den Kontaktwinkel, wenn der Wert belastbar belegt werden muss.

Warum mit mehr als einer Testflüssigkeit messen?

Weil so der polare Anteil der Oberflächenenergie vom dispersen getrennt wird. Zwei Oberflächen können dieselbe Gesamtenergie zeigen, während nur eine gut klebt, da Klebstoffe, die auf polarer Wechselwirkung beruhen, gezielt den polaren Anteil brauchen. Die Vorbehandlung erhöht insbesondere den polaren Anteil, sodass seine Verfolgung eine tatsächlich behandelte Oberfläche von einer unterscheidet, die nur akzeptabel erscheint.

Beeinflusst die Oberflächenrauheit die Messung?

Erheblich. Rauheit verstärkt die zugrunde liegende Chemie – eine benetzbare Oberfläche benetzt besser, eine nicht benetzbare stößt stärker ab –, sodass ein texturiertes und ein poliertes Teil identischer Chemie unterschiedliche Winkel ergeben. Vergleichen Sie Gleiches mit Gleichem und seien Sie vorsichtig, einen an einem glatten Probekörper abgeleiteten Schwellenwert auf eine texturierte Produktionsoberfläche zu übertragen.

Was verursacht einen unerwartet hohen Winkel auf einem behandelten Teil?

Meist eine fehlgeschlagene Behandlung oder Silikonkontamination, und beide lassen sich am Muster unterscheiden – eine fehlgeschlagene Behandlung betrifft tendenziell ganze Teile oder Läufe, während Kontamination oft fleckig auftritt. Da Wasser polar ist, reagiert sein Kontaktwinkel empfindlich genau auf die Gruppen, die die Behandlung hinzufügt und die Silikon verdeckt, wodurch ein Wassertropfen zu den schnellsten verfügbaren Diagnoseprüfungen gehört.

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