Rechner für Oberflächenenergie und Dyn-Werte
Prüfen Sie, ob eine Tinte, Beschichtung oder ein Klebstoff Ihren Kunststoff benetzt, rechnen Sie Kontaktwinkel-Messwerte in Oberflächenenergie um und schlagen Sie typische Dyn-Werte gängiger Kunststoffe nach.
Benetzt es? Substrat vs. Tinte, Beschichtung oder Klebstoff
Eine Flüssigkeit benetzt eine Oberfläche nur, wenn deren Oberflächenenergie höher ist als die Oberflächenspannung der Flüssigkeit. Die Faustregel: Eine akzeptable Haftung wird erreicht, wenn der Kunststoff etwa 8-10 dyn/cm über der Tinte, der Beschichtung oder dem Klebstoff liegt. Wählen Sie Ihren Kunststoff oder geben Sie einen gemessenen Dyn-Wert ein, und wählen Sie, was darauf aufgetragen wird.
Ergebnis · dyn/cm
Die Oberfläche liegt mindestens 8 dyn/cm über der Flüssigkeit – der Abstand von 8-10 dyn/cm, bei dem normalerweise eine akzeptable Haftung erreicht wird. Bestätigen Sie dies durch einen Versuch mit Ihrer tatsächlichen Tinte, Beschichtung oder Ihrem Klebstoff: Benetzung ist notwendig, aber nicht hinreichend.
Die Flüssigkeit verläuft möglicherweise, doch bei weniger als 8-10 dyn/cm Abstand ist mit Zurückziehen der Flüssigkeit, Nadellöchern und schwacher oder ungleichmäßiger Haftung zu rechnen. Erhöhen Sie die Oberflächenenergie durch Vorbehandlung.
Die Oberflächenspannung der Flüssigkeit ist höher als die Oberflächenenergie des Kunststoffs, daher perlt sie ab, statt zu verlaufen – und weder Trocknungszeit noch Druck noch eine Rezepturänderung ändern etwas an dieser Rechnung. Zuerst vorbehandeln.
Ziel-Oberflächenenergie für diese Flüssigkeit: 42 dyn/cm oder höher, gemessen zum Zeitpunkt des Bedruckens, Beschichtens oder Klebens.
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Vom Kontaktwinkel zur Oberflächenenergie (Owens–Wendt)
Testtinten zeigen Ihnen „bestanden“ oder „nicht bestanden“. Kontaktwinkel zeigen Ihnen, wie viel Oberflächenenergie vorhanden ist und wie viel davon polar ist – der Anteil, den die Vorbehandlung hinzufügt. Wasser und Diiodmethan sind das übliche Paar: Wasser liefert den polaren Beitrag, Diiodmethan ist im Wesentlichen unpolar. Dieser Rechner verwendet das Owens-Wendt-Rabel-Kaelble-Modell (OWRK); dokumentieren Sie das Modell zusammen mit Ihrem Ergebnis.
Ergebnis · mN/m
Polarität: 2% des Gesamtwerts ist polar.
Unbehandelte Polyolefine sind fast vollständig dispers, mit einem polaren Anteil nahe null. Plasma-, Flamm- und Koronabehandlung bringen polare Gruppen an die Oberfläche – genau das erhöht den polaren Anteil.
Die Gleichung und die Flüssigkeitsdaten dieses Rechners
Für jede Flüssigkeit einmal aufgestellt, ergibt dies zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten — dem dispersen (γSᵈ) und dem polaren (γSᵖ) Anteil der Oberflächenenergie des Festkörpers. Ihre Summe ist der Gesamtwert. Flüssigkeitswerte (mN/m):
| Flüssigkeit | Gesamt | Dispers | Polar |
|---|---|---|---|
| Wasser | 72.8 | 21.8 | 51 |
| Diiodmethan (Methyleniodid) | 50.8 | 50.8 | 0 |
| Formamid | 58 | 39 | 19 |
| Ethylenglykol | 48 | 29 | 19 |
| Glycerin | 63.4 | 37 | 26.4 |
| 1-Bromnaphthalin | 44.4 | 44.4 | 0 |
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Oberflächenenergie gängiger Kunststoffe
Typische Oberflächenenergien unbehandelter Kunststoffe, die üblicherweise eingesetzten Vorbehandlungen und wie lange eine Sauerstoff- oder Luftplasmabehandlung typischerweise nutzbar bleibt. Type, Füllstoffe, Additive, Trennmittel und Lagerung verschieben diese Werte – betrachten Sie sie als Ausgangspunkt für einen Prüfplan, nicht als Spezifikation.
| Kunststoff | Oberflächenenergie unbehandelt dyn/cm = mN/m | Unbehandelt bedruckbar / klebbar? | Übliche Vorbehandlung | Behandlung bleibt nutzbar nach Luft-/O₂-Plasma |
|---|---|---|---|---|
| PTFE und Fluorpolymere | 18-20 | Nein | Pyrosil® oder Niederdruck-Kaltgasplasma | Minuten bis Stunden |
| Silikon | ca. 24 | Nein | Pyrosil® | Minuten bis Stunden |
| Polypropylen (PP, OPP, BOPP) | 29-31 | Nein | Beflammung (Formteile), Korona (Folie), Atmosphärendruckplasma | Stunden bis wenige Tage |
| TPO und olefinische TPE | 29-31 | Nein | Atmosphärendruck- oder Flammenplasma | Schnell – innerhalb von Stunden kleben |
| Polyethylen (LDPE, HDPE) | 30-31 | Nein | Beflammung (Formteile), Korona (Folie), Atmosphärendruckplasma | Stunden bis wenige Tage |
| PBT | ca. 32 | Erst behandeln | Atmosphärendruck- oder Kaltgasplasma | Tage bis Wochen |
| PVC, weichgemacht (flexibel) | 33-38 | Grenzwertig | Plasma, dann zügig kleben oder bedrucken | Schnell |
| Polystyrol (PS) | 33-38 | Manche Tinten | Beflammung oder Plasma | — |
| Acetal (POM) | unter 36 | Nein | Niederdruck-Kaltgasplasma | — |
| ABS | 35-42 | Oft | Reinigen; Beflammung oder elektrisches Plasma für gleichmäßige Ergebnisse | Eine bis mehrere Wochen |
| Acryl (PMMA) | 38-41 † | Oft | Reinigen; elektrisches Plasma (Beflammung kann optische Oberflächen trüben) | Eine bis mehrere Wochen |
| PPS | ca. 38 | Nein | Atmosphärendruck- oder Kaltgasplasma; Pyrosil® für lange Zeitfenster zwischen Behandlung und Klebung | Tage bis Wochen |
| PVC, hart | ca. 39 | Oft | Reinigen; Plasma für anspruchsvolle Anwendungen | — |
| Nylon (PA 6, PA 66) | 40-46 | Oft (trockene Teile) | Korona, Luft- oder Atmosphärendruckplasma, Beflammung, Kaltgasplasma | Tage bis etwa zwei Wochen |
| Polyimid | ca. 40 | Manche Systeme | Plasma | — |
| PEEK | 40-44 † | Grenzwertig | Kaltgasplasma oder Pyrosil® | Tage bis Wochen |
| Polyester (PET) | 41-44 | Manche Systeme | Korona (Folie), Plasma | Eine bis mehrere Wochen |
| Polysulfon (PSU) | ca. 41 | Oft | Reinigen; Plasma | — |
| Polycarbonat (PC) | 42-46 | Oft | Reinigen; elektrisches Plasma (Beflammung kann optische Oberflächen trüben) | Eine bis mehrere Wochen |
| Modifiziertes PPO | ca. 47 | Oft | Reinigen; Plasma | — |
So messen Sie die Oberflächenenergie
Testtinten und Teststifte (ASTM D2578)
Beginnen Sie mit einem hohen Dyn-Wert – 60 – und ziehen Sie ihn über die Oberfläche. Zerfällt die Flüssigkeit nicht innerhalb von zwei Sekunden in Tröpfchen, beträgt die Oberflächenenergie mindestens diesen Wert. Zieht sie sich früher zu Tropfen zusammen, wiederholen Sie den Test mit der nächstniedrigeren Stufe, bis ein Strich stehen bleibt. Testen Sie nie dieselbe Stelle erneut, notieren Sie Temperatur und Luftfeuchte, messen Sie über das ganze Bauteil statt an einem einzigen Punkt, und prüfen Sie unmittelbar nach der Vorbehandlung sowie erneut am Ort der Verarbeitung. Testtinten sind 6-12 Monate haltbar; Teststifte trocknen aus und driften. Testtinten enthalten 2-Ethoxyethanol und Formamid; gehen Sie daher sorgfältig damit um – schwangere Mitarbeiterinnen sollten den Test nicht durchführen.
Kontaktwinkel
Ein Goniometer misst den Winkel, den ein Flüssigkeitstropfen mit der Oberfläche bildet – die Methode der Wahl, wenn ein Wert belastbar sein muss. Verwenden Sie ein gleichbleibendes Tropfenvolumen von wenigen Mikrolitern, messen Sie zügig und nehmen Sie mehrere Messwerte auf. Wasser allein ist eine schnelle Behandlungskontrolle:
| Wasser-Kontaktwinkel | Oberfläche | Typisch für |
|---|---|---|
| Unter 30° | Gut benetzt, hydrophil | Eine gut behandelte Oberfläche |
| 30-60° | Mäßig benetzt | Behandeltes Polyolefin oder ein unbehandeltes polares Polymer |
| 60-90° | Schlecht benetzt | Unbehandelter technischer Thermoplast; grenzwertig für Klebungen |
| 90-120° | Nicht benetzend, hydrophob | Unbehandeltes Polyolefin |
| Über 120° | Stark hydrophob | Fluorpolymer, Silikon – oder eine mit Silikon verunreinigte Oberfläche |
Ein guter Messwert ist nicht alles
Die Vorbehandlung aktiviert alles, was sich auf der Oberfläche befindet, auch Verunreinigungen, und eine Testtinte zeigt eine aktivierte Verunreinigung ohne Weiteres als guten Wert an. Ist der Dyn-Wert gut und die Klebung versagt trotzdem, suchen Sie nach Verunreinigungen, bevor Sie die Behandlungsintensität erhöhen – die Fehlersuche bei Haftungsversagen führt Sie Schritt für Schritt durch.
Die Behandlung lässt nach – messen Sie am Ort der Verarbeitung
Plasma-, Flamm- und Koronabehandlungen sind nicht dauerhaft: Polymerketten orientieren sich um, und Additive migrieren an die Oberfläche. Bei Polyolefinen tritt der Großteil des Verlusts in den ersten 24 Stunden auf, und warme Lagerung beschleunigt ihn. Die obige Tabelle nennt typische Nutzungsfenster; um Ihre eigenen festzulegen, messen Sie behandelte Teile nach 0, 1, 4 und 24 Stunden sowie nach 3, 7, 14 und 28 Tagen unter realen Lagerbedingungen und legen Sie dann eine maximale Zeit zwischen Behandlung und Klebung in der Prozessspezifikation fest. Siehe Wie lange eine Plasmabehandlung hält.
Häufig gestellte Fragen
Welchen Dyn-Wert brauche ich zum Bedrucken oder Kleben von Kunststoff?
Als Faustregel wird eine akzeptable Haftung erreicht, wenn die Oberflächenenergie des Kunststoffs etwa 8-10 dyn/cm über der Oberflächenspannung der Tinte, der Beschichtung oder des Klebstoffs liegt. Für die meisten Tinten und Klebstoffe auf Polyolefinen bedeutet das 38-44 dyn/cm; UV-Tintenstrahltinten erfordern typischerweise 42 oder mehr, PET-Folie wird auf 46-52 behandelt, und strukturelle Klebungen können weit mehr benötigen – Nylon 50-54 dyn/cm, PPS mit Epoxid mindestens 48-54. Bestätigen Sie den Wert durch einen Versuch mit Ihrer tatsächlichen Chemie.
Ist dyn/cm dasselbe wie mN/m?
Ja. 1 dyn/cm entspricht 1 mN/m. Dyn-Werte (dyn/cm) sind die traditionelle Einheit in Druck und Verarbeitung; mN/m ist die SI-Einheit, die bei Kontaktwinkelmessungen verwendet wird.
Wie hoch ist die Oberflächenenergie von Polypropylen?
Unbehandeltes Polypropylen liegt bei etwa 29-31 dyn/cm (mN/m) und ist fast vollständig dispers. Das liegt unter der Oberflächenspannung nahezu jeder Tinte und jedes Klebstoffs – deshalb wird PP vor dem Bedrucken oder Kleben beflammt, korona- oder plasmabehandelt.
Sind Teststifte so genau wie eine Kontaktwinkelmessung?
Nein. Testtinten und Teststifte sind schnelle Produktionsprüfungen, beruhen aber auf einer subjektiven Beurteilung, ob ein Film zwei Sekunden lang stehen bleibt, und Stifte altern. Die Kontaktwinkelmessung mit dem Goniometer liefert einen belastbaren Wert und trennt mit zwei Flüssigkeiten den polaren und den dispersen Anteil der Oberflächenenergie.
Wie lange hält eine Plasma- oder Koronabehandlung?
Von Minuten bis zu Wochen, abhängig vom Polymer, seinen Additiven und der Lagerung. Typische Nutzungsfenster nach Sauerstoff- oder Luftplasma: Silikone und Fluorpolymere Minuten bis Stunden; PP und PE Stunden bis wenige Tage; Nylon Tage bis etwa zwei Wochen; ABS, PC, PET und PMMA eine bis mehrere Wochen. Warme Lagerung und Gleitadditive verkürzen sie. Eine Pyrosil®-Behandlung bleibt typischerweise Wochen bis Monate nutzbar.
Vertiefung
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Scott Sabreen löst seit mehr als 30 Jahren Haftungsprobleme an Kunststoffen. Beschreiben Sie das Bauteil, das Material und den Prozess, und er sagt Ihnen, wo Sie ansetzen sollten.
Weitere kostenlose Tools: Fehlersuche bei Haftungsversagen · Tabelle zur Laserbeschriftung von Kunststoffen · Alle Engineering-Tools
