LSE vs HSE

„Es liegt nicht daran, dass das Klebeband nicht gut haftet – sondern daran, dass die Oberfläche es nicht haften lässt.“

Tomasz Gorzawski, CVGS

Wenn Sie schon einmal versucht haben, doppelseitiges Klebeband auf ein Polypropylen-Gehäuse zu kleben, und festgestellt haben, dass es sich nach wenigen Stunden schon bei der geringsten Berührung löste – dann hatten Sie nicht einfach nur Pech. Sie hatten es mit einem Material mit niedriger Oberflächenenergie zu tun. Zu verstehen, was Oberflächenenergie ist und wie sie Materialien in LSE und HSE einteilt, ist der erste Schritt, um sicherzustellen, dass Klebeverbindungen nicht länger dem Zufall überlassen sind.

Oberflächenenergie in einem einzigen Diagramm

Der schnellste Weg, den Unterschied zwischen LSE und HSE zu erkennen, besteht darin, zu beobachten, wie sich dasselbe Klebeband auf beiden Oberflächenarten verhält. Derselbe Klebstoff. Derselbe Anpressdruck. Unterschiedliche Substrate. Unterschiedliche Ergebnisse.

Der entscheidende Faktor ist nicht die Dicke der Klebeschicht, sondern vielmehr, inwieweit der Klebstoff das Mikroprofil des Substrats ausfüllen kann. Darin liegt der entscheidende Unterschied zwischen einer Verbindung, die jahrelang hält, und einer, die bereits nach wenigen Stunden versagt.

 

Abb. 1. Dasselbe Klebeband auf einer HSE- und einer LSE-Oberfläche. Auf der HSE-Oberfläche füllt der Klebstoff die Mikrorauheit aus und erreicht einen nahezu vollständigen Kontakt mit dem Substrat. Auf der LSE-Oberfläche liegt er auf den Spitzen des Profils auf – zwischen dem Klebstoff und dem Substrat bleiben Luftspalten bestehen, und die tatsächliche Kontaktfläche beträgt nur wenige Prozent der Nennfläche.

Abb. 1. So sieht es in der Praxis aus: Das Schaumklebeband lässt sich fast spurlos vom PP-Gehäuse ablösen – der Klebstoff hat sich nie mit dem Untergrund verbunden. (Illustrationsfoto.)

VORAUSSETZUNGEN FÜR EINE GUTE HAFTUNG

Hohe Oberflächenenergie des Untergrunds + gute Haftung des Klebstoffs + ausreichende Kohäsion der Klebeschicht bzw. des Trägers. Fehlt auch nur eines dieser Elemente, ist es nur eine Frage der Zeit, bis die Verbindung versagt.

Was sind LSE und HSE?

Materialien werden anhand ihrer Oberflächenenergie in zwei Gruppen unterteilt. Die Trennlinie wird üblicherweise bei 36–38 dyn/cm gezogen – oberhalb dieses Wertes haften die meisten PSA-Klebstoffe ohne zusätzliche Behandlung gut; darunter ist eine Aktivierung oder ein spezielles Klebeband für LSE erforderlich.

Wir betrachten diesen Wert eher als praktischen Anhaltspunkt denn als physikalische Konstante. Das Ergebnis hängt vom jeweiligen Material, der verwendeten Beschichtung, der Sauberkeit, der Oberflächenbehandlung und dem Oberflächenzustand ab – weshalb wir im Diagramm einen Bereich und keine einzelne Linie markiert haben.

Abb. 2. Eine vereinfachte Skala der Oberflächenenergie für typische Fertigungswerkstoffe. Der Bereich von 36–38 dyn/cm stellt einen Schwellenwert dar – unterhalb dieses Wertes verhält sich der Werkstoff wie ein LSE und erfordert eine Aktivierung oder ein spezielles Klebeband. Die Werte sind ungefähre Angaben; die tatsächlichen Messwerte hängen von der Verarbeitung, den Additiven und dem Oberflächenzustand ab.

HSE – Hohe Oberflächenenergie

Der Klebstoff benetzt die Oberfläche äußerst gut; die Haftung ist stark, und Acrylklebebänder (wie z. B. VHB) erreichen ihre volle Festigkeit ohne zusätzliche Aktivatoren. Zu dieser Gruppe gehören Metalle, Glas, Polycarbonat (PC), ABS, Polyester, PVC, Polyurethan, Acrylate und Kapton.

LSE – Niedrige Oberflächenenergie

Der Klebstoff verteilt sich nicht; er bildet Tröpfchen auf der Oberfläche, und die Haftung ist schlecht oder fehlt gänzlich. Typische Beispiele sind: Polypropylen (PP), Polyethylen (PE – HDPE, LDPE), Polyacetal (POM), thermoplastische Elastomere (TPE, TPU), EPDM und modifiziertes PA6.

Die schwierigsten Materialien sind Teflon (PTFE) und Silikone. Um es präziser auszudrücken, als sie einfach als „nicht verklebbar“ zu bezeichnen: Sie lassen sich mit Standard-Klebstoffsystemen nur sehr schwer verkleben; durch den Einsatz spezieller Primer, Oberflächenaktivierung oder spezieller Klebstoffe kann jedoch eine Verklebung erreicht werden.

Welche Materialien sind LSE und welche sind HSE – Referenzleitfaden

Tabelle 1 – Welche Materialien sind LSE und welche sind HSE: ein Spickzettel

Tab. 1. Richtwerte der Oberflächenenergie und ihre Konsequenzen für die Klebebandauswahl. Materialien im Grenzbereich sollten vor der Lösungswahl immer gemessen werden.

Problemkategorie – Recyclingmaterialien und poröse Oberflächen

Selbst wenn das Grundmaterial HSE ist, kann das Vorhandensein von Additiven, Stabilisatoren, Formtrennmitteln oder einer leichten Ölschicht die effektive Oberflächenenergie drastisch verringern. Dasselbe gilt für recycelte Oberflächen – sie können sich wie LSE verhalten, auch wenn sie chemisch gesehen HSE sind.

Bei recycelten Materialien und Polymermischungen sind die Schwankungen der Messergebnisse oft deutlich größer als bei Neuware. Das bedeutet, dass eine einzelne Messung an einer einzigen Charge nicht ausreicht, um die Frage zu klären.

AUS DER ERFAHRUNG VON CVGS

Wir hatten einen Fall, bei dem ein Klebeband mit stabilen, wiederholt überprüften Parametern nicht mehr funktionierte, nachdem der Kunde auf recyceltes Material umgestellt hatte. Die Ursache lag nicht im Klebeband selbst, sondern in der instabilen und verringerten Oberflächenenergie des neuen Substrats.

Abb. 2. Drei Chargen desselben recycelten Bauteils – Unterschiede in Farbton und Textur sind mit bloßem Auge erkennbar, und die Oberflächenenergie variiert entsprechend. (Illustratives Foto.)

Wie misst man die Oberflächenenergie in der Praxis – mit einem Marker oder mit Tinte?

Bevor Sie sich für ein Klebeband entscheiden, sollten Sie genau wissen, womit Sie es zu tun haben. Dazu werden zwei auf einen bestimmten Wert in dyn/cm (in der Regel 38) kalibrierte Hilfsmittel verwendet: ein Testmarker und Testtinte. Das Messprinzip ist in beiden Fällen dasselbe – Sie ziehen eine mehrere Zentimeter lange Linie und beobachten diese 2–4 Sekunden lang (die Beobachtungsdauer hängt von der Art der Tinte ab). Eine Linie, die gerade bleibt, zeigt an, dass die Oberfläche mindestens das getestete Energieniveau aufweist. Eine Linie, die zu Punkten zusammenläuft oder „schrumpft“, deutet auf ein niedrigeres Energieniveau hin.

Der Unterschied zwischen dem Marker und der Tinte liegt daher nicht in der Physik der Messung, sondern darin, was mit dem Messmittel geschieht, nachdem es mit einer verschmutzten Oberfläche in Kontakt gekommen ist.

So interpretieren Sie das Ergebnis – drei Szenarien, die Sie vor Ort beobachten werden

In der Praxis verhält sich die Linie auf eine von drei Weisen, die jeweils zu einer anderen Entscheidung führen:

• Die Linie behält ihre Form länger als 2 Sekunden bei – die Oberfläche weist mindestens das getestete Energieniveau auf. Sie können mit einer Standardlösung verkleben.
• Die Linie zerfällt in weniger als einer Sekunde in Punkte – ein klassischer LSE-Fall. Sie benötigen Klebeband in LSE-Qualität oder eine Oberflächenaktivierung.
• Die Linie bricht an einigen Stellen – ein Teil der Linie hält, ein Teil schrumpft. Dies liegt in der Regel nicht am Material, sondern an lokalen Verunreinigungen: Öl, ein Fingerabdruck oder ein Trennmittel aus der Form. Reinigen, entfetten und erneut messen.

Abb. 3. Drei typische Messwerte für eine 38-dyn/cm-Linie und drei Möglichkeiten, diese zu zeichnen. Der Marker und die Tinte ergeben denselben Wert, reagieren jedoch unterschiedlich auf den Kontakt mit einer verschmutzten Oberfläche – und genau dieser Unterschied, nicht die Genauigkeit, ist ausschlaggebend für die Wahl des Werkzeugs.

Abb. 3. Bracketing auf einer PP-Platte: Tinte 30 benetzt die Oberfläche und bleibt in der Linie; 35 beginnt an den Rändern aufzubrechen; 40 schrumpft zu Tröpfchen zusammen – die Oberflächenenergie des Materials beträgt ca. 30–35 dyn/cm. (Veranschaulichendes Foto.)

Abb. 4. Dieselbe Messung mit 30/35/40-Teststiften – drei Markierungen, drei Verhaltensweisen, eine Antwort. (Beispielfoto.)

Fünf Szenarien aus der Produktion

Die Theorie endet in dem Moment, in dem man vor der Maschine steht. Im Folgenden sind die Szenarien aufgeführt, die bei der Prüfung der Oberflächenenergie am häufigsten auftreten – und die Schlussfolgerungen, die sich daraus ziehen lassen.

• Ein PP-Gehäuse direkt aus der Spritzgussmaschine. Die Linie bricht sofort ab. Das ist keine Überraschung – PP ist per Definition LSE. Die Entscheidung fällt sofort: LSE-Band oder Aktivierung.
• Aluminiumblech nach dem Stanzen. Der Marker zeigt „unter 38“ an, obwohl Aluminium ein klassisches HSE-Material ist. Man misst nicht das Metall – man misst die dünne Schicht an Prozessöl, die darauf zurückgeblieben ist. Nach dem Abwischen mit IPA bleibt die Markierung bestehen. Dies ist die häufigste Ursache für „seltsame“ Ergebnisse bei Metallen.
• Polycarbonat mit Schutzfolie. Die Markierung hält hervorragend – nur dass sie auf der Folie ist und nicht auf dem Material selbst. Der Test wird immer auf der Oberfläche durchgeführt, die tatsächlich mit dem Klebeband in Kontakt kommt, nicht auf dem, was gerade darauf liegt.
• PP nach Flammenaktivierung. Unmittelbar nach der Aktivierung hält die 38er-Markierung. Nach zwei Tagen ist der Effekt bereits merklich schwächer – die Aktivierung lässt mit der Zeit nach. Daher ist es notwendig, nicht nur unmittelbar nach der Aktivierung zu messen, sondern auch am Ende des tatsächlichen Zeitfensters zwischen Aktivierung und Verklebung.
• Ein Ausschnitt aus recyceltem Material, eine andere Rohstoffcharge. Die vorherige Charge hat den Test ohne Probleme bestanden; dieselbe Linie auf der neuen Charge zerfällt in Punkte. Bei recycelten Materialien werden die Messungen chargenweise durchgeführt und nicht nur einmal pro Produktionslauf.

Abb. 5. Flammenaktivierung eines PP-Profils auf der Produktionslinie – erhöht die Oberflächenenergie von Polyolefinen von ca. 30 auf über 45 dyn/cm, doch der Effekt lässt mit der Zeit nach. (Veranschaulichende Abbildung.)

Testmarker – schnelle Überprüfung beim Kunden vor Ort

Der Marker ist unübertroffen, wenn es auf Schnelligkeit ankommt: Man betritt die Werkstatt, zieht eine Linie und hat sofort die Antwort. Er benötigt nichts außer sich selbst. Allerdings gibt es eine Voraussetzung für den Einsatz und eine Falle.

• Saubere Oberfläche – zuverlässiges Ergebnis. Der Marker funktioniert perfekt auf für die Verklebung vorbereiteten Untergründen: nach Waschen, Entfetten und Aktivieren.
• Eine verschmutzte oder ölige Oberfläche – werfen Sie den Marker weg. Die Spitze nimmt Schmutz von der Oberfläche auf und überträgt ihn auf nachfolgende Messungen. Der Effekt ist heimtückisch: Sobald der Marker mit Öl in Kontakt kommt, beginnt er, die Ergebnisse selbst bei einwandfreien Materialien zu „unterschätzen“, sodass der Techniker Chargen aussortiert, bei denen eigentlich alles in Ordnung war.

Abb. 6. Eine Markierung mit 38 dyn/cm auf entfettetem Aluminium – die Linie behält ihre Form bei, und die Oberfläche ist bereit für die Verklebung. (Illustratives Foto.)

Abb. 7. Derselbe Wert auf Polypropylen – die Linie zerfällt innerhalb von 2–4 Sekunden in Tröpfchen. Ein klassisches LSE-Ergebnis. (Illustratives Foto.)

LSE. (Illustratives Foto.)

Testtinte – wiederholbare Messung im Produktionsprozess

Tinte in einem Behälter mit Pinsel weist einen Konstruktionsfehler auf, der erst im eigentlichen Produktionsprozess sichtbar wird: Der Pinsel kehrt zusammen mit allem, was er von der Oberfläche aufgenommen hat, in den Behälter zurück. Ein einziges ölhaltiges Substrat reicht aus, um den gesamten Vorrat zu verunreinigen.

FALLSTUDIE

Der Kunde verwendete Tinte in einem Behälter mit Pinsel, um Oberflächen vor dem Klebeprozess zu prüfen. Die Messung ergab einen Rückgang der Oberflächenenergie, und die Analyse deutete auf eine teilweise Ölverunreinigung des Materials hin. Das Problem bestand darin, dass Öl auch in den Tintenbehälter gelangt war – von diesem Zeitpunkt an war das gesamte Messsystem verunreinigt, und nachfolgende Messwerte waren nicht mehr zuverlässig.

Empfehlung von CVGS: Tinte ohne Pinsel + Einweg-Auftragstupfer. Nach jeder verunreinigten Messung entsorgt man den Tupfer, nicht das gesamte Set.

Abb. 8. Der Pinsel kehrt mit dem, was er von der Oberfläche aufgenommen hat, zur Flasche zurück – auf der Oberfläche der Tinte ist bereits ein regenbogenfarbener Ölfilm zu erkennen. Ab diesem Zeitpunkt ist der gesamte Vorrat verunreinigt. (Illustratives Foto.)

Abb. 9. Empfohlenes Set: 10 ml Tinte ohne Pinsel und Einwegtupfer – ein neuer Tupfer für jede Messung. (Illustratives Bild.)

Wann sollte man einen Teststift und wann Tinte verwenden?

Tabelle 2 – Wann sollte man einen Teststift und wann Testtinte verwenden?

Tab. 2. Auswahl der Prüfmethode für die Oberflächenenergie je nach Produktionssituation.

Warum dies in der Produktion von Bedeutung ist

Der Unterschied zwischen LSE und HSE ist nicht nur theoretischer Natur. In der Praxis funktioniert es wie folgt:

Ein mit VHB-Klebeband verklebtes Polycarbonat-Bauteil (HSE) erreicht seine volle Festigkeit und delaminiert auch unter dynamischen Belastungen nicht. Das gleiche Klebeband auf einem Polypropylen-Gehäuse löst sich bereits nach wenigen Stunden „mit dem Fingernagel“ ab, wenn die Oberfläche nicht zuvor vorbereitet wurde.

Deshalb lautet die erste Frage bei der Auslegung einer Klebeverbindung: Mit welchem Material arbeite ich – LSE oder HSE? Die Antwort bestimmt alles: die Wahl des Klebebands, die Notwendigkeit einer Oberflächenvorbereitung sowie die Notwendigkeit, eine Grundierung oder eine Aktivierung (Flamme, Plasma, Korona) zu verwenden.

Für LSE entwickelte Klebebänder – so funktionieren sie

Da LSE-Oberflächen Klebstoff „nicht mögen“, haben Klebebandhersteller Lösungen entwickelt, die sie für sich gewinnen können. Klebebänder für LSE weisen mehrere Merkmale auf, die sie von Standardklebebändern unterscheiden:

• Hohe Benetzbarkeit – Klebstoffe mit sehr hoher Fähigkeit, die Oberfläche zu benetzen.
• Höhere Elastizität des Klebstoffs – wodurch Mikrorauheiten ausgeglichen werden können.
• Modifizierter Kautschuk oder spezielle LSE-Acrylate – als chemische Basis.
• Höhere Anfangshaftung – der Klebstoff „greift“ sofort auf der schwierigen Oberfläche.
• Die Möglichkeit, auf eine Grundierung zu verzichten – bei vielen Anwendungen ist die Verwendung eines Aktivators nicht mehr erforderlich.

Typische Anwendungsbereiche für LSE-Klebebänder

Montage von PP- und PE-Bauteilen (Gehäuse, Klappen, Griffe). Verkleben von Schaumstoffen auf PP/PE. Beschriftung von LSE-Oberflächen. Montage von Zierelementen auf Kunststoffen. Verkleben von EPDM- und TPE-Dichtungen. Anwendungen in der Automobil- und Haushaltsgeräteindustrie. Logistiketiketten auf LSE-Oberflächen.

Der Wassertropfentest – wenn Sie keinen Marker oder keine Tinte zur Hand haben

In Produktionsumgebungen ist nicht immer klar, wie hoch die tatsächliche Oberflächenenergie eines Materials ist – insbesondere nach Verfahren wie Spritzguss, Lackieren oder Prägen. Wir haben oben bereits Marker und Tinte angesprochen; wenn Sie beides nicht zur Hand haben, gibt es eine Methode, für die Sie nichts weiter als Wasser benötigen.

Der Kontaktwinkel wird bestimmt. Ein Tropfen, der sich flach ausbreitet (kleiner Kontaktwinkel), weist auf eine hohe Oberflächenenergie hin. Ein Tropfen, der eine halbkugelförmige oder „kugelförmige“ Form beibehält (großer Kontaktwinkel), weist auf eine niedrige Oberflächenenergie hin. Der Test liefert zwar keinen numerischen Wert, zeigt aber innerhalb weniger Sekunden den allgemeinen Trend auf und ermöglicht es Ihnen zu entscheiden, ob sich der Einsatz von Standardklebeband überhaupt lohnt.

Abb. 4. Kontaktwinkel eines Wassertropfens: unter 30° – eine HSE-Oberfläche; über 90° – eine LSE-Oberfläche, die aktiviert werden muss.

Abb. 10. Derselbe Wassertropfen auf Glas (HSE) und auf Polypropylen (LSE) – der Unterschied ist ohne jegliche Ausrüstung sichtbar. (Illustrationsfoto.)

PRAKTISCHER TIPP

Alle drei Tests – der Marker-, der Tinten- und der Wassertropfentest – dauern 2–3 Sekunden und erfordern keine spezielle Laborausrüstung. Dies sind die absoluten Grundlagen, die zum Werkzeugkasten jedes Klebetechnikers gehören sollten.

Zusammenfassung

Die Oberflächenenergie ist ein entscheidender Parameter, der darüber entscheidet, ob eine Verklebung erfolgreich sein wird – unabhängig davon, wie gut das von uns gekaufte Klebeband ist. HSE-Materialien (Metalle, PC, ABS, Glas) haften gut auf Klebstoff. LSE-Materialien (PP, PE, POM, TPE, EPDM) erfordern entweder Spezialklebebänder oder eine Oberflächenaktivierung. Die Unterscheidung zwischen diesen beiden Gruppen, die Messung des tatsächlichen Zustands der Oberfläche – anstatt zu raten – und die fundierte Wahl der Lösung sind die Grundlagen jeder dauerhaften Klebeverbindung.

„Die Qualität der Verbindung wird bereits vor dem Auftragen des Klebstoffs bestimmt – auf der Oberfläche.“

Tomasz Gorzawski, CVGS

Zuvor haben wir Ihnen den Unterschied zwischen Kohäsion und Adhäsion aufgezeigt; heute betrachten wir, wie sich LSE- und HSE-Materialien unterscheiden. In den nächsten Artikeln dieser Reihe zeigen wir Ihnen, wie Sie eine Oberfläche effektiv für die Verklebung vorbereiten, wie Sie den richtigen Klebstofftyp auswählen (Acryl vs. Kautschuk vs. Silikon) und wie Sie die Haftqualität mithilfe der Peel-, Loop-Tack- und Rolling-Ball-Methoden messen können.