SpotON auf DataPhysics Instruments

Oberflächenmesstechnik für Fasern und Faserverbundstoffe

Die Untersuchung von Oberflächeneigenschaften ist ein wichtiger Schritt in der Entwicklung neuer Fasern und faserbasierter Materialien sowie in der Qualitätssicherung. Mit den Messystemen des Unternehmens DataPhysics Instruments lassen sich die Oberflächen von Einzelfasern, Faserverbundstoffen, Polymerschmelzen und faserbasierten Endprodukten einfach und präzise charakterisieren. Dazu stehen verschiedene Systeme und Methoden zur Verfügung.

DataPhysics Instruments entwickelt, fertigt und vertreibt seit 25 Jahren ein breites Portfolio an Messsystemen für die Untersuchung von Grenz- und Oberflächen. Wichtig sind solche Untersuchungen zum Beispiel dann, wenn Oberflächen funktionalisiert oder neue Verbundstoffe entwickelt werden sollen. Dr. Sebastian Schaubach, Innovation Manager und Geschäftsführer bei DataPhysics Instruments, sagt: „Für die Mitglieder der AFBW besonders interessant sind sicherlich Messungen, mit denen Oberflächen von Fasern oder Faserverbundstoffen charakterisiert werden können. Zur Untersuchung dieser Materialien können Anwender mit unseren Geräten auf eine Vielzahl unterschiedlicher Messmethoden zurückgreifen.“

Oberflächen von Fasern charakterisieren
Zur Oberflächencharakterisierung von Feststoffen, wie etwa einzelnen Fasern, hat sich die Messung von Kontaktwinkeln etabliert, welche Aussagen über die Oberflächenbenetzbarkeit erlaubt. Die schnellste und oftmals einfachste Möglichkeit, die Benetzbarkeit einer Oberfläche zu bewerten, ist es, einen Wassertropfen darauf zu dosieren und dann dessen statischen Kontaktwinkel zu messen. Dies gelingt leicht mit den Kontaktwinkelmesssystemen der OCA-Serie von DataPhysics Instruments. Es stehen Faserhalter zur Verfügung, in welche Einzelfasern zur Vermessung eingespannt werden können. Allerdings stellt bei der Kontaktwinkelmessung auf Fasern deren kleine Oberfläche eine Herausforderung dar. Dieser begegnet das spezielle Pikoliterdosiersystem PDDS von DataPhysics Instruments, mit dem auf Fasern ab zirka 200 Mikrometern Dicke bis zu 30 Pikoliter kleine, gut vermessbare Töpfchen aufgebracht werden können.

Sind die zu untersuchenden Fasern dünner, weisen jedoch eine gewisse Steifigkeit auf, können mithilfe eines Tensiometers der DCAT-Serie von DataPhysics Instruments dynamisch der sogenannte Fortschreite- und der Rückzugskontaktwinkel gemessen werden. Dazu klebt man die Fasern an einen speziellen Halter, welcher an der Waage im oberen Teil des Tensiometers aufgehangen wird. Ein auf dem Probentisch des Geräts platzierter Flüssigkeitsbehälter wird dann langsam nach oben und anschließend wieder nach unten gefahren, sodass die Fasern in die Flüssigkeit eintauchen und wieder herausgezogen werden. Aus den sich dabei ergebenden kleinsten Gewichtsänderungen ermittelt die Software automatisch die dynamischen Kontaktwinkel. Für Messungen an Einzelfasern bietet DataPhysics Instruments sogar ein speziell zugeschnittenes System an: das Einzelfasertensiometer DCAT 25SF. Es zeichnet sich durch eine besonders präzise Waage aus, die Gewichtsänderungen ab 0,1 μg detektieren kann.

Sofern die Fasern gut benetzbar sind, lässt sich der Fortschreitekontaktwinkel mit einem DCAT-Tensiometer auch mithilfe der Washburn-Methode messen. Dazu werden ganze Faserbündel in einen Container mit porösem Boden gepackt, den man an die Waage des Tensiometers hängt und dann mit der Flüssigkeit in Kontakt bringt. Die Fasern saugen aufgrund von Kapillarkräften die Flüssigkeit auf und aus der dabei gemessenen Gewichtszunahmerate errechnet die Software den Fortschreitekontaktwinkel.

Neben der Benetzbarkeit kann auch die Oberflächenladung von Fasern wichtige Hinweise liefern, wie diese sich im Kontakt mit anderen Materialien verhalten. Um die Oberflächenladung zu untersuchen, hat DataPhysics Instruments seit Kurzem den Zeta-Potential-Analysator ZPA im Produktsortiment, der nach einer patentierten oszillatorischen Strömungspotential-Analysemethode arbeitet. Mit dem ZPA kann aus Messungen bei verschiedenen pH-Werten der charakteristische Isoelektrische Punkt der Fasern ermittelt werden.

Faserverbundmaterialien perfekt aufeinander abstimmen
Sollen Faserverbundmaterialien hergestellt werden, ist eine gute Haftung zwischen den Fasern und dem Matrix-Material entscheidend. Ob die Haftung gelingt, wird durch die Oberflächeneigenschaften der Komponenten beeinflusst. Insbesondere die Oberflächenenergie von Feststoffen sowie die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten, welche aus dispersen und polaren Anteilen zusammengesetzt sind, können hierzu wichtige Hinweise liefern. Ist das Verhältnis der dispersen zu den polaren Anteilen für beide Komponenten ähnlich, können diese in der Regel gut miteinander wechselwirken.

Die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten lässt sich aus Messungen an einem an der Dosiernadel hängenden Tropfen oder auch mit einem DCAT-Tensiometer bestimmen. Zur Ermittlung der Oberflächenenergie von Feststoffen werden auf diesem mit mehreren Testflüssigkeiten Kontaktwinkel gemessen. Auf Basis der bestimmten Oberflächenenergien und Oberflächenspannungen kann die Mess- und Auswertesoftware von DataPhysics Instruments dann die Adhäsionsarbeit berechnen, um Aussagen über das Benetzungsverhalten zu treffen.

Benetzungsverhalten von Faserverbünden untersuchen
Verbünde von Fasern, sprich Stoffe, Vliese oder funktionale Textilien, werden oft hinsichtlich eines bestimmten Verhaltens im Kontakt mit Flüssigkeiten, wie Wasser, entwickelt. Beispielsweise soll die Oberfläche von Funktionskleidung Regentropfen abperlen lassen. Ein solches Verhalten lässt sich gut mithilfe von Tropfenabroll-Experimenten untersuchen. Dazu wird ebenfalls ein Kontaktwinkelmessgerät der OCA-Serie von DataPhysics Instruments verwendet, welches zu diesem Zweck auf eine TBU-Kippvorrichtung montiert wird. Die Stoffprobe wird auf dem Probentisch platziert und ein Wassertropfen darauf abgesetzt. Dann wird das gesamte Gerät langsam so weit gekippt, bis der Tropfen sich in Bewegung setzt. Je eher dies geschieht, desto wasserabweisender ist das untersuchte Material.

Ein weiterer Versuch, der im Hinblick auf Stoffe oder Vliese aufschlussreiche Erkenntnisse liefern kann, ist ein Flüssigkeitsabsorptions-Experiment. Mit der Hochgeschwindigkeitskamera der OCA-Systeme nimmt man dazu ein Video auf, während ein Flüssigkeitstropfen auf das Testmaterial dosiert und von diesem absorbiert wird. Aus diesem Video können dann mithilfe der Gerätesoftware wichtige Kenngrößen, wie die Absorptionsrate, bestimmt werden.

Um bei der Untersuchung des Benetzungsverhaltens verschiedene Applikationsszenarien nachzubilden, kann mit unterschiedlichen Klimakammern gearbeitet werden, in denen Temperaturen von -30 °C bis 700 °C erreichbar sind. Zusätzlich erlaubt der Feuchtegenerator HCG von DataPhysics Instruments die genaue Einstellung der relativen Luftfeuchtigkeit in der Messkammer.

Flüssige Ausgangsmaterialien von Polymerfasern prüfen
Auch die Eigenschaften von Polymerschmelzen, die als Ausgangsmaterial für Polymerfasern dienen, lassen sich mit den OCA-Kontaktwinkelmessgeräten von DataPhysics Instruments untersuchen. Mithilfe eines bis auf 90 °C temperierbaren Spitzenmodules lassen sich Tropfen der Polymerschmelzen dosieren, an denen die Oberflächenspannung gemessen werden kann.

Um die Homogenität einer Polymerschmelze oder auch die Stabilität einer flüssigen Polymerformulierung zu untersuchen, hat DataPhysics Instruments schließlich noch das Dispersionsstabilitätsmessgerät MultiScan MS 20 im Portfolio. Mit diesem Gerät lässt sich das Auftrennungsverhalten von flüssigen Mehrphasengemischen, insbesondere Emulsionen, Suspensionen, aber auch Schäumen, über die Zeit hinweg untersuchen. So können Phänomene wie Sedimentation oder Ausflockung erkannt werden. Die Messungen sind in einem Temperaturbereich von 4 °C bis 80 °C durchführbar, sodass etwa untersucht werden kann, wie lange und unter welchen Bedingungen eine flüssige Polymerformulierung gelagert werden kann, ohne sich zu entmischen.

DataPhysics Instruments ist Ihr Partner für die Untersuchung von Faser-Oberflächen
Mit dem umfangreichen Produktportfolio von DataPhysics Instruments lassen sich Einzelfasern, Faserverbünde, aber auch flüssige Ausgangsstoffe, wie Polymerschmelzen, umfassend charakterisieren. Ebenso kann die Oberflächen-Funktionalität von Endprodukten genau untersucht werden. Dr. Sebastian Schaubach sagt: „Wir sind immer wieder erstaunt, wie vielseitig unsere Kundinnen und Kunden unsere Geräte einsetzen. Deshalb möchten wir auch den Mitgliedern der AFBW bei Ihren individuellen Messaufgaben zur Seite stehen.“ Selbstverständlich führen die erfahrenen Messexperten im Applikationszentrum von DataPhysics Instruments alle hier beschriebenen Messtechniken auch gerne in Form von Auftragsmessungen durch.

 

Kontakt:
DataPhysics Instruments GmbH
Raiffeisenstraße 34
70794 Filderstadt
+49 (0) 711 770556-0
info@dataphysics-instruments.com
www.dataphysics-instruments.com

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