Bestimmung der Oberflächenspannung

Mit Testtinten kann die Oberflächenenergie (OFE) / Oberflächenspannung (OFS) von Festkörpern aus Kunststoff – Metall – Glas – Keramik und anderen ermittelt werden. Damit soll besonders auch die Haftmöglichkeit der Oberflächen für Bedruckung – Verklebung – Lackierung anhand des Benetzungsbildes bestimmt werden.

Die Bestimmung der Oberflächenspannung erfolgt durch Auftragen der Testtinten auf die zu bewertenden Oberflächen als Strich von wenigen Zentimetern Länge und Beobachtung des Verhaltens des Tintenstrichs.

Zieht sich der Strich innerhalb 2 oder 4 Sekunden – je nach Tintenspezifikation – zusammen, ist die OFS der Prüffläche niedriger als die der Testtinte.

Umgekehrt würde das Auseinanderfließen der Strichmarke zeigen, dass die OFS der aufgetragenen Tinte niedriger ist als die der Oberfläche.

Bleibt der Strich innerhalb der Beobachtungszeit unverändert stehen, ist der Wert der OFS genau erreicht oder etwas höher.

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In diesem Anwendungsbeispiel wird mit Testtinte PINK aus 10 ml Flaschen mit Wattestäbchen geprüft. Nehmen Sie nach jedem Gebrauch ein neues Wattestäbchen.

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In diesem Anwendungsbeispiel wird mit Teststift PINK 38 Jumbo die Oberflächenspannung auf schwarzem PE-Kunstoff geprüft.

Sauberkeit von Werkstoffen

Die Begriffe Sauberkeit und Reinheit von Werkstoffen bedürfen einer näheren Definition. Da die Werkstoffe, ob als Formteile oder Folien,  in ihrer Oberfläche vorliegen, kann hier der Begriff Sauberkeit angebracht sein, da Reinheit von Werkstoffen sich auf den Aufbau, also auch das innere Gefüge eines Gesamtkörpers beziehen kann.
Verschmutzungen von Werkstoffen

Verschmutzungen von Werkstoffen können mehrere Ursachen haben und sich in vielerlei Formen darstellen. Es werden einmal partikuläre Verschmutzungen zu betrachten sein, wie auch filmische Verschmutzungen. Erstere werden als Einzelpunkte vorliegen und unregelmäßig und in Abständen angeordnet sein.

Filmische Verschmutzungen hingegen bedecken völlig oder partiell flächig die Oberflächen und können zwar, wenn sauber auch als rein beschrieben werden, was einer jeweiligen Definition,  z.B. der Oberflächenspannung / Oberflächenenergie,  zu unterliegen hätte.

Sie können sich aber nicht auf das innere Gefüge des Werkstückes beziehen, was allenfalls nur durch die Reinheit beschrieben werden kann. Da es die Oberflächen sind, die einer weiteren Bearbeitung unterliegen, sind auch die Sauberkeitszustände zu definieren, was im Allgemeinen mit dem Begriff der Oberflächenspannung möglich.


Zweierlei Prüfungsverfahren ergänzen sich

Die Bearbeitung betrifft beispielsweise Bedruckung, Lackierung und Verklebung. Die Verfahren hierzu sind als einfache Lösung die Prüfung der Oberflächen mit Testtinten und die Kontaktwinkelmessung. Erstere ist einfach handhabbar und damit praxisbezogen, da in den Produktionsprozessen der Tintenauftrag auf die Prüfflächen problemlos erfolgen kann. Letztere benötigt einen apparativen Aufwand. Sie kann die Komponenten der Oberflächenspannung in polar und dispersiv getrennt darstellen.

Die Testtintenprüfung zeigt nur die Summe der beiden Werte, was für eine Beurteilung der Oberflächen zumeist ausreichend ist. Beide Verfahren können nicht berührungslos oder kontinuierlich angewendet werden. Letzteres bedeutet, dass bei Herstellungsprozessen, wie gerade bei den Folien, die Messungen nur im Ruhezustand, also nicht an laufenden Bahnen, durchgeführt werden können.

In Ausnahmefällen könnte eine Messung nur bei sehr geringer Geschwindigkeit erfolgen. Die Begriffe Sauberkeit und Reinheit können wahlweise verwendet werden, wobei die Sauberkeit stets nur auf die Oberflächen anwendbar ist. Sie sollten aber besser nicht gemischt verwendet werden, weil dies zu Irritationen führen  kann.


Vorbehandlung mit erhöhter Oberflächenspannung

Der Begriff Vorbehandlung bezieht sich überliefert auf die Reinigung von Oberflächen mit mechanischen Mitteln, vor allem dem Waschen mit oder ohne Lösemittel. Vorbehandlung wird seit einigen Jahrzehnten auch mit physikalischer Behandlung mittels Corona, Plasma und Beflammung eingesetzt, wobei die Oberflächen durch elektrische Einwirkung so verändert werden, dass deren polaren Anteile stark erhöht werden, wodurch sich die Oberflächenspannung erhöht und die Haftfähigkeit damit erheblich verbessert.

Beispielsweise können die Kunststoffe aus Polyolefinen, deren natürliche Werte der Oberflächenspannung bei 30 mN/m liegen, relativ einfach auf Werte von oberhalb 45 mN/m gebracht werden, was für Bedruckung und Klebung, Lackierung sehr gute Haftwerte liefert. Diese Werte können durch die ursprünglichen Verfahren der Reinigung keineswegs erreicht werden, wobei zu sehen ist, dass für eine brauchbare Vorbehandlung mit den physikalischen Verfahren eine Vorreinigung der mechanischen Weise zumeist erforderlich ist.

Dies trifft vor allem auf Metalloberflächen zu, die z.B. mit Ölen, die bei der Herstellung der Folien oder Formteile eingesetzt werden, verschmutzt sind.

Testtinten für effiziente Haftfestigkeitsprüfung

Testtinten werden für die Erfassung der Oberflächenspannung (OFS) von Festkörpern eingesetzt, die flach oder als Formteil vorliegen können. Die OFS wird mit Tinten geprüft, deren Bild innerhalb weniger Sekunden nach dem Auftrag auf die Oberflächen abgelesen werden kann.

effiziente Haftfestigkeitsprüfung

Mittels Testtinten-Prüfung erhält man ein Bild, das als Benetzbarkeit der Oberfläche erscheint. Dieses kann als Indikator für die Haftfestigkeit von Beschichtungen verwendet werden. Ebenso kann damit die Sauberkeit der Oberflächen geprüft werden.
Zieht sich die Tinte innerhalb der Beobachtungszeit, z.B. 2 Sekunden, zusammen und bildet Einzelpunkte, so liegt die OFS des Objekts unterhalb derjenigen der Testtinte.
Bleibt die Tinte stehen, wie aufgetragen,oder fängt sie an auseinanderzufließen, so liegt die OFS bei oder oberhalb derjenigen
der Testtinte.
Der Wert der einzusetzenden Testtinte wird nach Erfahrungswerten bestimmt. Als Richtwert für die OFS, welche eine Haftung ermöglicht, kann 38 mN/m angenommen werden. Dieser Richtwert kann z.B. für 2 – Komponentensysteme als Auftragsmedium stimmen, für wasserbasierende Beschichtungen müssen mit Sicherheit höhere Richtwerte, z.B. 48 mN/m, herangezogen werden.
Prüftinten sind in einem breiten Spektrum herstellbar, wie 18 mN/m bis 105 mN/m. Es zeigt sich jedoch, dass der Bereich 30 mN/m bis etwa 70 mN/m für Prüfungen sehr gut geeignet ist. Die Tinten sind als Schreibmarker lieferbar oder in Flaschen zum Auftrag auf die Oberflächen mit Pinsel oder Wattestäbchen oder auch aus Sprühflaschen für größere Flächen.

Zweckorientierte Tinten-Zusammensetzung
Die Tinten werden in verschiedener Zusammensetzung zubereitet, je nach Anwendungszweck.
Tinten nach DIN 53364 bzw. ISO 8296 werden seit mehr als 50 Jahren eingesetzt. Sie enthalten in geringen Mengen heute als giftig eingestufte Komponenten, sind aber bei ordnungsgemäßem Gebrauch harmlos.
Zwischenzeitlich werden giftfreie Tinten hergestellt, die aber als gesundheitsschädlich zu kennzeichnen sind. Neueste Entwicklungen bieten kennzeichnungsfreie Tinten an. Die Tinten müssen nach der Messung von den Oberflächen wieder abgereinigt werden.
Spezielle Tinten, die nach dem Auftragen in Sekundenschnelle antrocknen, können belassen werden oder müssen mit Lösemittel abgewischt werden. Sie dienen vor allem im Folienbereich zur Ermittlung der vorbehandelten Seite. Diese Tinten können auch zur Archivierung in der Qualitätssicherung
eingesetzt werden.
Die Verwendbarkeit der Tinten ist von ihrem Gebrauch abhängig. Sie können durch den Eintrag von Substanzen, die von verschmutzten Oberflächen herrühren, ungenau oder damit unbrauchbar werden.
Ungeöffnete Tinten können über viele Monate gelagert und dann noch eingesetzt werden. Da die Tinten meistens Lösemittel enthalten, sind empfindliche Oberflächen dahingehend zu prüfen. Grundsätzlich können alle Festkörper wie Metall, Kunststoff, Glas und Keramik geprüft werden. Die Tinten können, wenn
sie nicht mehr verwendet werden, zur Entsorgung zurückgeliefert werden.

Preisgünstig und präzise
Die Prüfung der OFS entbindet den Verwender nicht davor, das Haftungsergebnis gerade beim Ersteinsatz zu bestätigen, also den richtigen Testwert der Tinte für seine Anwendung, sei es Bedruckung, Lackierung, Reinigung oder Verklebung zu ermitteln. Dies kann dann einmalig durch eine Haftungsprüfung der Beschichtung durch Klebebandabriss, Kratztest oder Gitterschnitt
– Prüfung oder andere Methoden festgestellt werden. Die Verwendbarkeit von Tinten, die längere Zeit in Gebrauch sind kann im Zweifelsfalle durch eine Gegenprüfung mit frischen Tinten festgestellt werden.
Die Tintenmessung wird auch vielfach in der Vorstufe der Vorbehandlung / Aktivierung der Oberflächen verwendet. Testtinten sind ein preisgünstiges und genaues Mittel, das unmittelbar in der Praxis eingesetzt werden kann, ohne dass eine aufwendige Laboruntersuchung
nötig ist.