Der Zusammenhalt von Atomen und Molekülen ist von verschiedenen Wechselwirkungen bestimmt. Das gilt auch für Atome und Moleküle an der Grenzfläche. Man unterscheidet polare und disperse Wechselwirkungen, welche zusammen die Grenzflächenenergie ergeben. Das Verhältnis von polaren und dispersen Anteilen hat Einfluss auf die Benetzung und Haftung zweier Phasen an der Grenzfläche.

Disperse und polare Wechselwirkungen zwischen Molekülen

Der Zusammenhalt von Atomen und Molekülen, der die Grenzflächenenergie einer Substanz bedingt, ist auf unterschiedliche Arten von Wechselwirkungen zurückzuführen. Hierbei kann zwischen dispersen und polaren Wechselwirkungen unterschieden werden.

Die Wechselwirkungen aufgrund von zeitlichen Fluktuationen der Ladungsverteilung der Atome oder Moleküle werden als disperse oder Van-der-Waals-Wechselwirkungen bezeichnet. Unter polaren Wechselwirkungen werden Coulomb-Wechselwirkungen zwischen permanenten Dipolen und zwischen permanenten und induzierten Dipolen zusammengefasst. Ein Beispiel für polare Wechselwirkungen sind Wasserstoffbrückenbindungen, wie sie zum Beispiel Wassermoleküle ausbilden.

Wie setzt sich die Grenzflächenenergie aus polarem und dispersem Anteil zusammen?

Die Grenzflächenenergie σ kann so verstanden werden, dass sie aus einem dispersen Anteil σ^d und einem polaren Anteil σ^p zusammensetzt ist:

Da disperse Wechselwirkungen bei allen Atomen und Molekülen auftreten, kann es keine Substanz geben, deren Grenzflächenenergie nur einen polaren Anteil besitzt. Andererseits gibt es Substanzen, die keine polaren Gruppen besitzen. Ihre Grenzflächenenergie ist folglich rein dispers. Ein Beispiel sind aus Kohlenwasserstoffketten aufgebaute Alkane.

Einfluss der polaren und dispersen Anteile auf die Haftung

Vergleicht man für zwei Phasen das Verhältnis von dispersen zu polarem Anteil der Grenzflächenenergie, so können daraus Vorhersagen über die Haftung der Phasen abgeleitet werden. Je ähnlicher das Verhältnis der dispersen und polaren Anteile, desto höher sind die Wechselwirkungen zwischen den Phasen (vgl. Abbildung 2). In diesem Fall ist mit einer stärkeren Haftung der beiden Phasen aneinander zu rechnen.

Wie die Aktivierung der Oberfläche den polaren Anteil beeinflusst

Kunststoffe haben naturgemäß eine sehr niedrige Grenzflächenenergie bzw. Oberflächenenergie, weil der polare Anteil der Oberflächenenergie niedrig oder nicht vorhanden ist. Außerdem können Verunreinigungen an der Oberfläche die Oberflächenenergie senken. Dies hat zur Folge, dass Kunststoffe schwer zu bedrucken, benetzen oder zu verkleben sind.

In der Industrie kommen deshalb verschiedene Methoden zum Einsatz, um die Oberflächenenergie, genauer: den polaren Teil der Oberflächenenergie, von Kunststoffen zu erhöhen. Oft bezeichnet man solche Verfahren als Oberflächenvorbehandlung oder Oberflächenaktivierung. Beispiele sind die Beflammung, Beschichtung oder Plasmabehandlung der Oberfläche.