Klebende Dispersionsschichten

Organische Filme bzw. Schichtsysteme auf der Basis von wässrigen Dispersionen finden Verwendung in der modernen Klebetechnik [1]. Solche Systeme bieten durch den Einsatz von Wasser als Dispersionsmittel den Vorteil einer lösungsmittelfreien und damit umweltfreundlichen Anwendung. Die Herstellung derartiger klebender Schichtsysteme basiert häufig auf empirischen Methoden zur Optimierung der gewünschten Hafteigenschaften. Wird jedoch eine systematische und gezielte Verbesserung angestrebt, so ist eine möglichst detaillierte Charakterisierung des Schichtsystems hilfreich. Eine wichtige Untersuchungsgröße ist dabei die Topographie des Haftfilms [2].

Aufbau eines Haftklebestreifens

Die Abbildung zeigt den typischen Aufbau eines Haftklebestreifens auf der Basis eines Dispersionsklebstoffes.

Eine sehr dünne, spezielle organische Zwischenschicht, der sogenannte Primer, dient dabei als Haftvermittler zwischen der Dispersionsschicht und der Trägerfolie. Falls der Haftklebestreifen auf eine Rolle aufgespult werden soll, wird die Trägerrückseite oft zusätzlich mit einem Trennmittel, beispielsweise ein Silikon, beschichtet.

Charakterisierung

Das Rasterkraftmikroskop (AFM) erlaubt es, die Oberfläche einer klebenden Dispersionsschicht praktisch ohne Probenpräparation zerstörungsfrei zu untersuchen. Nachfolgend sind die Ergebnisse solcher Untersuchun­gen an einem Haftklebestreifen (Tesafilm (R), Typ 4140, Beiersdorf AG, Hamburg) zusammengefasst.

Die folgende Abbildung zeigt die mit dem Rasterkraftmikroskop gemessene Oberflächentopographie der aus biaxial orientiertem Polypropylen bestehenden Trägerfolie. Deutlich sind einzelne Polymerstränge, die eine faserige Oberflächenstruktur bilden, zu erkennen.

Die Trägerfolie dient als Substrat für den eigentlichen Klebefilm, der eine Schichtstärke in der Größenordnung von 15 bis 30 µm aufweist. Der Klebstoff wird auf der Basis einer wässrigen Acrylat-Dispersion hergestellt, deren Glastemperatur typischerweise im Bereich von ‑ 40°C bis ‑60°°C liegt.

Morphologie der Trägerfolie

Wie an Hand der folgenden Abbildung zu erkennen ist, kann trotz der starken Adhäsionskräfte durch Anwendung spezieller dynamischer Betriebsarten mit dem Rasterkraftmikroskop die Oberflächenmorphologie des Klebefilms untersucht werden.

Bei einem Messbereich von 10µm sind die einzelnen Latex-Partikel mit einem Durchmesser von ca. 600nm deutlich zu erkennen.

Morphologie des Klebefilms

Bei Reduzierung des Messbereiches auf 5 µm ist es sogar möglich, die Oberflächenstruktur einzelner Latex-Partikel abzubilden. In der folgenden Abbildung ist sowohl die ursprüngliche Dispersionsstruktur als auch eine Feinstruktur erkennbar.

 

Morphologie des Klebefilms (Ausschnitt)

Um den Einfluss von Wasser auf die klebende Dispersionsschicht zu untersuchen, wurde der Haftklebestreifen für einige Sekunden mit einem Wassertropfen benetzt und anschließend getrocknet. Eine solche Behandlung sollte einen Einfluss auf die Oberflächenbeschaffenheit der Klebeschicht haben, da diese auf der Basis einer wässrigen Acrylat-Dispersion hergestellt ist.

Die folgende Abbildung zeigt zum Vergleich die AFM-Messung an einer mit Wasser behandelten Probe.

Auch in dieser Aufnahme sind die einzelnen Dispersionspartikel deutlich zu erkennen, allerdings weisen sie eine im Vergleich zur unbehandelten Probe stark modifizierte Oberflächenstruktur auf. Die AFM-Abbildung deutet darauf hin, dass es durch den kurzzeitigen Wasserkontakt zu einer Art Aufquellen der Dispersionsteilchen gekommen ist. Die Veränderung der Oberflächenmorphologie auf mikroskopischer Skala ist im makroskopischen Bereich mit einer deutlichen Verminderung der Adhäsionskraft der Haftschicht verbunden.

Morphologie des Klebefilms nach Befeuchtung

Die hier dargestellten Untersuchungsergebnisse zeigen, dass für eine detaillierte Charakterisierung klebender Dispersionsschichten die Abbildung der Oberflächentopographie hilfreiche Informationen liefert. Die Rasterkraftmikroskopie als abbildendes, hochauflösendes Messverfahren liefert hierzu einen entscheidenden Beitrag.

Literatur

[1] O.D. Hennemann, A. Groß und M. Bauer, „Innovationen durch vielseitige Fügetechnik“, O.D. Hennemann, H. Schäfer und A. Baalmann, „Kleben in innovativen Industriebereichen“, academie spectrum in Spektrum der Wissenschaft, 9 (1993) 84.

[2] B. Anczykowski, L. F. Chi, H. Fuchs, „Atomic force microscopy investigations on polymer latex films“, Surface and Interface Analysis 23, 416 (1995).