Kunststoff-Lexikon

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Grenzflächenenergie

Grenzflächenenergie ist eine andere Bezeichnung für Oberflächenenergie.

Oberflächenenergie

Das Bedrucken oder Verkleben von Kunststoffteilen fordert eine hohe Benetzbarkeit der Kunststoffoberfläche. Dabei wird die Benetzbarkeit mit der Oberflächenenergie beschrieben. Hochenergetische (polare) Oberflächen bieten der Druckfarbe oder dem Klebstoff eine bessere Haftung als niederenergetische (unpolare) Oberflächen.

Beim Bedrucken gilt im Allgemeinen, dass die Grenzflächenenergie der zu bedruckenden Oberfläche mindestens so gross sein sollte wie die Oberflächenspannung der Druckfarbe.

Hoch oder Flach: Der Wasserstropfen offenbart, ob eine Oberfläche niederenergetisch (oben)  oder hochenergetisch (unten) ist

Einfacher Test mit Wassertropfen

Die Benetzbarkeit von Kunststoffen lässt sich schnell und einfach mit Hilfe eines auf die Oberfläche aufgebrachten Wassertropfens beurteilen. Bildet sich ein Wassertropfen, ist die Oberfläche niederenergetisch. Verläuft der Wassertropfen, handelt es sich um eine hochenergetische Oberfläche.

Professionelle Testtinten

Zur genaueren Betrachtung der Benetzbarkeit verwendet man Testtinten und misst den Randwinkel des Tropfens (Messmethoden nach DIN 53 364 oder ASTM D 2578-84).

Tabelle.
Kritische Oberflächenenergie von Kunststoffen und Vergleichsproben.
  kritische Grenzflächen­energie1)
  $ \ σ_S \ $
[mN/m]
Polytetrafluorethylen (PTFE) 18,0
Polyethylen niedriger Dichte (PE-LD) 31,0
Polypropylen (PP-H) 32,0
Polymethylmethacrylat (PMMA) 33 – 44
Polyvinylchlorid (PVC-U) 39,5
Polyamid 6 (PA 6) 43,0
Polyethylenterephthalat (PET) 43,0
Wasser 72,8
Aluminium 1200
Chrom 2400
Eisen 2550

 
 
1) = 
Die Messergebnisse sind unverbindliche Anhaltswerte und abhängig von der verwendeten Prüfflüssigkeit.
 

Zum Bedrucken oder Kleben von Kunststoffoberflächen sollte der Randwinkel möglichst klein sein. Es gilt die Young'sche Gleichung.

Youngsche Gleichung

Nach der Formel von Thomas Young hängt der Randwinkel $ \ θ \ $ eines Flüssigkeits­tropfens ab von der Oberflächenenergie der Flüssigkeit $ \ σ_S \ $ und der soliden Kunststoffoberfläche $ \ σ_{SL} \ $.

Die Energie der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Kunststoffoberfläche ist $ \ σ_L \ $.

Youngsche Gleichung
\[ {cos_θ} = \frac{σ_S-σ_{SL}}{σ_L} \]

Der Zähler beschreibt die kritische Oberflächenenergie und lässt sich zu $ \ σ_C \ $ zusammenfassen.

\[ {cos_θ} = \frac{σ_C}{σ_L} \]