Einleitung: Erfolg oder Misserfolg der Beschichtungsapplikation – entschieden durch die Ausbreitung eines Tropfens Lack auf dem Substrat
Der erste Schritt der Beschichtungsapplikation – der Kontakt des Beschichtungstropfens mit dem Substrat – entscheidet, ob er sich zu einem Film ausbreitet oder zu einem Tropfen zusammenzieht, und dies wird durch die Differenz der Oberflächenspannungen von Beschichtung und Substrat bestimmt. Wenn die Oberflächenspannung der Beschichtung niedriger ist als die kritische Oberflächenspannung des Substrats, breitet sich die Beschichtung automatisch aus und benetzt gut; andernfalls zieht sie sich zusammen und bildet Krater/Lunker/Fischaugen. Dies ist das grundlegendste und gleichzeitig am meisten übersehene physikalische Prinzip bei der Beschichtungsapplikation – die Oberflächenspannung ist der Benetzungspass der Beschichtung.
Die Theorie der Oberflächenspannung und Benetzung von Beschichtungen basiert auf der Young-Gleichung (γ_SV=γ_SL+γ_LV×cosθ) und dem Konzept der kritischen Oberflächenspannung nach Zisman (γ_c) – wenn die Oberflächenspannung der Beschichtungsflüssigkeit (γ_LV) < die kritische Oberflächenspannung des Substrats (γ_c) ist – geht der Kontaktwinkel θ→0 – die Beschichtung benetzt und läuft vollständig aus. Diese Theorie leitet die Auswahl von Netz- und Verlaufmitteln (Senkung von γ_LV der Beschichtung auf < γ_c des Substrats) und Oberflächenbehandlungsverfahren (Erhöhung von γ_c des Substrats) an.
I. Oberflächenspannungsdaten häufig verwendeter Substrate und Beschichtungen
| Material | Oberflächenspannung/kritische Oberflächenspannung (mN/m) | Benetzungsanforderung |
|---|---|---|
| Stahl (sauber) | >100 (hohe Oberflächenenergie) | Fast alle Beschichtungen können benetzen |
| Aluminium (sauber) | >80 | >99 % der Beschichtungen können benetzen |
| PP (Polypropylen) | 29–31 (sehr niedrig – unbehandelt) | CPO-Grundierung oder Flamm-/Corona-Behandlung auf >38 erforderlich |
| ABS | 35–42 | Die meisten Beschichtungen können benetzen |
| PC (Polycarbonat) | 38–45 | Die meisten Beschichtungen können benetzen – auf Spannungsrissbildung (ESC) achten |
| Lösemittelbasierte Beschichtung (typisch) | 25–30 (niedrige Oberflächenspannung) | Kann die meisten Kunststoffe benetzen |
| Wasserbasierte Beschichtung (typisch) | 35–45 (hohe Oberflächenspannung) | Benetzungsmittel auf <30 senken erforderlich, um Kunststoff zu benetzen |
FAQ
Q1: Die Young-Gleichung – warum der Kontaktwinkel θ eines Tropfen Lack auf dem Substrat alles entscheidet?Die Young-Gleichung γ_SV=γ_SL+γ_LV×cosθ beschreibt das Kraftgleichgewicht an der Dreiphasengrenze fest-gasförmig-flüssig. θ<90° – Lack benetzt teilweise (akzeptabel); θ90° – Lack benetzt nicht – zieht sich zu Tropfen zusammen (nicht akzeptabel). Methoden zur Verringerung von θ: γ_LV des Lacks senken (Zugabe von Polyethersiloxan-Netzmittel – kann γ_LV von >35 auf <25 mN/m senken); Oberflächenenergie des Substrats erhöhen (Corona-/Plasma-/Flammbehandlung – erhöht γ_c von Kunststoff von 50).
Q2: Kraterbildung – Warum kann ein Tropfen eines Schmutzstoffs mit niedriger Oberflächenspannung den gesamten umliegenden Lack verdrängen? Auf die Beschichtungsoberfläche gelangt ein Tropfen eines Schmutzstoffs mit niedriger Oberflächenspannung (z. B. Silikonöl – γ < 20 mN/m) – die Oberflächenspannung des Lackes um den Schmutzstoff herum ist höher als die des Schmutzstoffs – der Oberflächenspannungsgradient treibt den Lack an, vom Schmutzstoff nach außen zu fliehen – um den Schmutzstoff herum bildet sich ein ringförmiges Einfallen – das ist die Kraterbildung. Ein Silikonöltropfen mit einem Durchmesser 2–5 mm erzeugen – eine Vergrößerung um das >50-Fache. Vorbeugung: strikte Werkstattreinigung – Verhinderung von Silikonöl-/Schmierölaerosolen – Verwendung von molekularen Entschäumern (polyethermodifizierte Siloxane) anstelle von reinen Silikonöl-Entschäumern.
Q3: Bernard-Wirbel – Warum bilden sich bei der Trocknung von Anstrichen sechseckige Muster auf der Oberfläche?Während des Trocknungsprozesses von Anstrichen – Verdunstung des Lösungsmittels von der Oberfläche – Oberflächentemperatur sinkt – Oberflächenspannung steigt (je niedriger die Temperatur, desto höher die Oberflächenspannung). Der Unterschied in der Oberflächenspannung zwischen Oberfläche und Untergrund treibt die Flüssigkeit von Bereichen mit niedriger Oberflächenspannung zu solchen mit hoher Oberflächenspannung – es bilden sich sechseckige Konvektionswirbel – das sind die Bernard-Wirbel. In der Mitte des Wirbels steigt die Farbe auf – am Rand des Wirbels sinkt die Farbe ab – Pigmentpartikel sammeln sich am Rand des Wirbels – es entstehen sechseckige Muster. Unterdrückung: Zugabe von Verlaufmitteln (Polyethersiloxan) – Homogenisierung der Oberflächenspannung – Beseitigung des Oberflächenspannungsgradienten – Eliminierung der konvektiven Triebkraft.
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Zusammenfassung
Die Oberflächenspannung und die Benetzungstheorie von Beschichtungen bilden die physikalische Grundlage zum Verständnis von Filmbildung, Verlauf und Defekten (Krater/Bénard-Zellen/Orangenschalenstruktur) von Lacken. Netzmittel (Senkung der Lackoberflächenspannung γ_LV < kritische Oberflächenspannung des Substrats γ_c) und Verlaufmittel (Homogenisierung des Oberflächenspannungsgradienten) sind unverzichtbare Additive bei der Beschichtungsapplikation. Kexin New Materials bietet die Auswahl von Netz- und Verlaufsadditiven sowie Oberflächenspannungsmessungen – damit Ihre Beschichtung sich seidenweich ausbreitet und spiegelglatt wird.