Statische Elektrizität und Oberflächenrauheit von Folien: Ein Experiment

Die Oberfläche von Folien, die für Lebensmittelverpackungen, industrielle Materialien und medizinische Anwendungen verwendet werden, weisen verschiedene Eigenschaften auf, wie z. B. Transparenz, Glanz, Wasserfestigkeit, Antifouling und Nichtanhaftung. Oberflächen werden behandelt und bearbeitet, damit sie über bestimmte Oberflächeneigenschaften verfügen.

Um die Qualität einer Oberflächenbehandlung und -bearbeitung einer Folie zu beurteilen, ist es wichtig, die Oberflächenrauheit zu messen. Bei dieser Prüfung wird die Rauheit feiner Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche der Folie gemessen und numerisch quantifiziert. Eine Möglichkeit zur Messung der Oberflächenrauheit ist die Verwendung eines konfokalen 3D-Laser-Mikroskops.

In einem Experiment habe ich untersucht, ob es einen Zusammenhang zwischen statischer Elektrizität und der Oberflächenrauheit von Folien gibt, wobei ich Polyethylenfolie (Lebensmittelfolie) und antistatische Folie verwendet habe. Für die Rauheitsmessungen habe ich das konfokale LEXT OLS5100 3D-Laser-Mikroskop verwendet. In diesem Blogartikel erläutere ich die Ergebnisse.

Lebensmittelfolie und antistatische Folie

Visueller Vergleich des Oberflächenzustands der antistatischen Folie und Polyethylenfolie

Zuerst habe ich den Oberflächenzustand der beiden Folien mit dem konfokalen OLS5100 3D-Laser-Mikroskop visuell bestätigt.

Das OLS5100 Mikroskop prüft die Probenoberfläche mit einem 405 nm violetten Laserstrahl, um 3D-Daten zu erfassen. Zusammen mit einem speziellen LEXT Objektiv, das sich an eine Wellenlänge von 405 nm anpasst und Aberrationen unterdrückt, kann das System feine Muster und Fehler klar erfassen, die mit herkömmlichen Lichtmikroskopen und allgemeinen Laser-Mikroskopen schwer zu erfassen sind. Das optische System funktioniert kontaktfrei, sodass die Oberfläche selbst bei einer weichen Probe wie einer Folie unbeschädigt bleibt.

Roter Laserstrahl (658 nm: 0,26 μm Linie und Abstand)	Violetter Laserstrahl (405 nm: 0,12 μm Linie und Abstand)

Hier sieht man deutlich, dass die Oberfläche der Polyethylenfolie keine besondere Form, aber leichte Unregelmäßigkeiten aufweist. Die antistatische Folie weist hingegen geriffelte Unregelmäßigkeiten im Submikrometerbereich bis zu mehreren 10 nm auf.

Polyethylenfolie (Lebensmittelfolie), 50X-Objektiv	Antistatische Folie, 50X-Objektiv

Quantifizierung des Oberflächenzustands der antistatischen Folie und der Polyethylenfolie

Danach quantifizierte ich die Unterschiede der Unebenheiten dieser beiden Folienoberflächen. Dafür habe ich die Oberflächenrauheit mit demselben konfokalen 3D-Laser-Mikroskop gemessen. Bei diesem Schritt ist es wichtig, ein Objektiv auszuwählen, das sich für die Probe eignet, um äußerst zuverlässige Messergebnisse zu erhalten.

Das OLS5100 Mikroskop kann dank des Smart Lens Advisor leicht feststellen*, ob sich das ausgewählte Objektiv für die Probe eignet. In diesem Beispiel stellte das System fest, dass sich das spezielle LEXT 50X-Objektiv für die Rauheitsmessung der Folie eignete.

* Messwerte ohne Gewähr.

Unter Verwendung des 50X-Objektivs ermittelte das Mikroskop für die zwei Folien die folgenden Ergebnisse:

Die wichtigen Rauheitsparameter dieser Messung lauten: Sq, Sz, Sa, Sdr und Sal. Diese sind nachfolgend kurz erklärt:

Sq (quadratischer Mittelwert der Höhe), Sz (maximale Höhe) und Sa (arithmetischer Mittelwert der Höhe)

Diese Parameter geben die Größe der Unebenheit in Bezug auf eine durchschnittliche Oberfläche an. In diesem Beispiel wird für die antistatische Folie ein größerer Wert angezeigt, was eine größere Unebenheit bedeutet.

Sdr (erweitertes Oberflächenverhältnis)

Sdr zeigt die Zunahmerate der Oberfläche. In diesem Beispiel hat die Polyethylenfolie einen niedrigen Sdr-Wert, was eine kleine Oberfläche bedeutet. Dahingegen weist die antistatische Folie aufgrund der großen Unebenheiten auf der Oberfläche eine größere Oberfläche auf.

Sal (Autokorrelationslänge)

Während die meisten Parameter die Rauheit in der Höhenrichtung bewerten, ist Sal einer der wenigen Parameter, die sich auf seitlich verlaufende Elemente konzentrieren, wie z. B. die Dichte von Streifen und Partikeln. Ein niedriger Sal-Wert weist auf eine markantere Form und feinere Körnung hin. Ein höherer Sal-Wert bedeutet dagegen, dass die Oberfläche eine allmählicher ansteigende und abfallende ungleichmäßige Form aufweist. Daraus ergibt sich, dass die antistatische Folie mit einem niedrigeren Sal-Wert auf der unebenen Oberfläche feinkörnigere Formen aufweist.

Bestimmung der statischen Elektrizität von Folien mit Daten der Oberflächenrauheit

Die drei Hauptfaktoren, die die Stärke der statischen Elektrizität bestimmen, sind: Kontaktfläche, Reibungskraft und Feuchtigkeit. Hier konzentrierten wir uns auf die Kontaktfläche, die eng mit der Oberflächenrauheit zusammenhängt. Allgemein erzeugt eine größere Kontaktfläche zwischen Objekten mehr statische Aufladung.

In diesem Experiment können wir sehen, dass die antistatische Folie mit einer kleinen Kontaktfläche zwischen Objekten weniger statische Elektrizität erzeugt als die Polyethylenfolie mit einer großen Kontaktfläche. Die großen Unebenheiten der antistatischen Folie verringert die Kontaktfläche im Vergleich zur glatteren Oberfläche der Polyethylenfolie. Im Folgenden ist der Zusammenhang der Aufladung mit den Daten der Oberflächenrauheit zu sehen:

Antistatische Folie	Polyethylenfolie (Lebensmittelverpackung)

Um mehr über die Verwendung von konfokalen 3D-Laser-Mikroskopen zur Messung der Oberflächenrauheit von Folien zu erfahren, kontaktieren Sie unsere Experten.

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