Benetzung und Haftung

Haftung als erste Voraussetzung

Die Haftfestigkeit ist ein Maß für den Widerstand einer Beschichtung gegen ihre mechanische Abtrennung vom Untergrund; sie wird als Kraft je Fläche in N/mm² angegeben. Dauerhafte Haftung — auch bei Feuchtigkeitseinwirkung — ist die erste Voraussetzung für jede Schutzwirkung, etwa den Korrosionsschutz. Eine bewusste Ausnahme sind Abziehlacke als temporärer Transportschutz.

Woher die Oberflächenspannung kommt

Im Inneren einer Flüssigkeit ist jedes Molekül gleichmäßig von Nachbarn umgeben; die Anziehungskräfte heben sich auf. An der Oberfläche fehlen die Nachbarn nach außen, es bleibt eine ins Flüssigkeitsinnere gerichtete Kraft. Sie bewirkt, dass die Oberfläche möglichst klein wird — im schwerelosen Raum ist ein Tropfen deshalb kugelförmig.

Die Grenzflächenspannung γ ist die Kraft, die an einem Meter einer gedachten Linie in der Grenzfläche wirkt, angegeben meist in mN/m. Grenzt eine Phase an Luft, spricht man von Oberflächenspannung. Da eine Energie je Fläche dasselbe ist wie eine Kraft je Länge, beschreibt γ zugleich die Oberflächenenergie.

Anhaltswerte in mN/m

• Quecksilber 500 · Wasser 73
• Epoxidharze 45–60 · Melaminharze 42–58 · Alkydharze 33–60 · Acrylharze 32–40
• Xylol 29–30 · Butylglykol 27–28 · Testbenzin 26–27 · Butylacetat 25 · Butanol 24
• Testbenzin aromatenfrei 23–25 · Hexan 18
• Siliconöl (PDMS) 20–21 — der niedrigste Wert unter den Bindemitteln und Additiven dieser Reihe; als Verlaufs-, Netz- und Entschäumer-Additiv gewollt so niedrig, als Verunreinigung Ursache der Siliconkrater

Hoch- und niederenergetische Substrate

Dieselbe Regel erklärt, warum manche Untergründe leicht, andere kaum benetzbar sind. Hochenergetische, polare Oberflächen — Glas, Metalle und andere oxidische Substrate — werden von den meisten Lacken von allein gut benetzt. Niederenergetische, unpolare Oberflächen — PE, PP, PTFE, Silicon — liegen so tief, dass Lacke abperlen und erst aktiviert werden müssen. Merkregel: polar/hochenergetisch = gut benetzbar, unpolar/niederenergetisch = schlecht benetzbar. Gute Benetzung heißt aber noch nicht dauerhafte Haftung — Glas etwa wird gut benetzt, braucht wegen der glatten, wasserempfindlichen Grenzfläche aber Haftvermittler (siehe L-130).

Folgen mangelnder Benetzung

Benetzt der Lack den Untergrund nicht vollständig, zeigt sich das als Krater, Stippen, „Apfelsinenhaut“ oder ein Zusammenlaufen zu Tropfen. Solche Fehler entstehen typischerweise an fett- oder siliconverunreinigten Stellen oder auf unbehandelten unpolaren Kunststoffen — und, oft übersehen, durch nicht optimal eingesetzte siliconmodifizierte Additive des Lacks selbst, allen voran Entschäumer: Sie wirken über eine gewollte, feine Unverträglichkeit; bei Überdosierung, unverträglichem Silicontyp oder schlechter Einarbeitung schlägt diese in genau die Krater um, die man vermeiden wollte.

Die Regel für die Praxis

Substrat-Vorbehandlung: entfetten und aktivieren

Aus der Benetzungsregel folgt die Vorbehandlung — sie sorgt dafür, dass der Untergrund eine höhere Oberflächenenergie hat als der Lack.

Entfetten und Reinigen: Fett, Öl und Trennmittelreste bilden eine niederenergetische Schicht und müssen restlos entfernt werden (Lösemittelreinigung, wässrige Reiniger, Beizen). Wichtig für die Praxis: Ein Reinigungsbad reichert sich mit der Zeit mit Fett an. Ist seine Aufnahmefähigkeit erschöpft, zieht das gelöste Fett beim Abtrocknen wieder auf das Werkstück und verursacht genau die Benetzungsstörungen, die man vermeiden wollte. Deshalb Bäder überwachen, rechtzeitig wechseln und mit rückstandsfrei verdunstendem Reiniger nachspülen.

Aktivieren unpolarer Kunststoffe: PP, PE und ähnliche haben eine zu niedrige Oberflächenenergie, um lackiert zu werden. Corona-Behandlung (eine elektrische Entladung dicht über der Oberfläche), Beflammen oder Plasma oxidieren die obersten Molekülschichten und schaffen polare Gruppen — die Oberflächenenergie steigt, der Lack benetzt. Der Effekt lässt mit der Zeit nach (die Oberfläche heilt aus), deshalb bald nach der Behandlung lackieren; kontrollieren lässt er sich mit Prüftinten.

Benetzungsadditive und ihr Wirkmechanismus

Erfüllt ein Lack die Benetzungsregel nicht von allein, senkt man seine Oberflächenspannung mit Benetzungsadditiven. Sie wandern an die Grenzfläche: Der niederenergetische Molekülteil zeigt nach außen, der Rest bleibt im Lack verankert — die Oberflächenspannung des Lacks sinkt unter die des Untergrunds, Krater und Entnetzung verschwinden.

• Siliconadditive (polyether-modifizierte Polysiloxane) — starke Senkung der Oberflächenspannung, besserer Verlauf und Kratervermeidung; zu viel oder das falsche Silicon stört Überlackierbarkeit und Zwischenhaftung.
• Fluortenside — stärkste Wirkung, schon in kleinsten Mengen; wegen PFAS-Regulierung heute zurückhaltend eingesetzt.
• organische Netzmittel (Tenside, z. B. auf Polyether-Basis) — moderatere Wirkung, silicon- und fluorfrei, gut überlackierbar.

Darum wirken schon geringe Zugaben.

Der Randwinkel als Maß

Je kleiner der Randwinkel θ zwischen Festkörper und aufgetragenem Tropfen, desto besser die Benetzung: θ < 90° heißt gute Benetzung, θ > 90° schlechte (der Tropfen perlt ab), bei θ = 0 läuft er vollständig auseinander — das ist die Spreitung.

Gemessen wird θ optisch mit einem Randwinkelmessgerät (Goniometer, Sessile-Drop-Verfahren): Ein definierter Tropfen wird auf die Oberfläche gesetzt, im Profil per Kamera aufgenommen und der Winkel am Dreiphasenpunkt (fest/flüssig/gasförmig) über die Tropfenkontur bestimmt. Aus den Randwinkeln mehrerer Testflüssigkeiten lässt sich die Oberflächenenergie des Substrats berechnen. Schnell und werkstattnah sind Prüftinten (Dyne-Stifte): Man streicht Testtinten abgestufter Oberflächenspannung auf; die höchste, die noch als geschlossener Film stehen bleibt, liefert einen Anhaltswert für die Benetzbarkeit bzw. das Oberflächenenergieniveau des Untergrunds.

Young-Gleichung und Benetzungskriterium

Kräftegleichgewicht am Dreiphasenpunkt (Young):
γSV = γSL + γLV · cos θ   →   cos θ = (γSV − γSL) / γLV

Maßgeblich ist der Randwinkel θ, nicht der bloße Vergleich zweier
Oberflächenspannungen: θ = 0 vollständige Spreitung, θ < 90° gute,
θ > 90° schlechte Benetzung.
γSV Oberflächenenergie des Festkörpers (fest/gasförmig) ·
γLV Oberflächenspannung des Lacks (flüssig/gasförmig) ·
γSL Grenzflächenspannung fest/flüssig.

Beispiel: γSV = 40 mN/m (behandelter Kunststoff), γLV = 30 mN/m (Lack),
γSL = 8 mN/m (Grenzfläche Lack/Kunststoff).
cos θ = (40 − 8) / 30 = 1,07
Da cos θ rechnerisch über 1 liegt, gibt es keinen stabilen Randwinkel —
der Lack spreitet vollständig (θ ≈ 0°), die Benetzung ist optimal.
Zweites Beispiel mit schlechterer Grenzfläche: γSL = 25 mN/m (sonst gleich):
cos θ = (40 − 25) / 30 = 0,50 → θ ≈ 60°, noch gute, aber deutlich schlechtere Benetzung.
Der Vergleich zeigt: Bei gleichem γSV und γLV entscheidet allein die
Grenzflächenspannung γSL, ob spontane Spreitung oder nur mäßige Benetzung eintritt.