Wasserabweisung und Oberflächenrauheit von Folien: Untersuchung an Joghurtdeckeln

作者 Suzue Izumi - 2022年 10月 20日

Ist Ihnen schon einmal aufgefallen, dass beim Öffnen eines Joghurtbechers manchmal Joghurt am Deckel klebt und manchmal nicht? Warum ist das so?

Wie sich herausgestellt hat, hängt es davon ab, wie wasserabweisend der Deckel ist: Ist der Deckel weniger wasserabweisend, bleibt Joghurt kleben – im Gegensatz zu einem Deckel mit höherer Wasserabweisung.

Links: Joghurt klebt nicht am Deckel (hohe Wasserabweisung). Rechts: Joghurt klebt am Deckel (geringe Wasserabweisung).

Die Wasserabweisung ist nur eine der vielen Eigenschaften, die Oberflächen von Folien für Lebensmittelverpackungen durch Behandlungen erhalten, damit sie bestimmte Funktionen erfüllen. Diese sind beispielsweise:

Aufrechterhaltung der Frische und Qualität der Lebensmittel
Einfache Handhabung für die Verbraucher, z. B. einfaches Öffnen der Verpackung
Schmutzabweisende Funktion

Bestimmte Funktionen von Lebensmittelverpackungen, z. B. die Reduzierung von Lebensmittelverlusten durch Verringerung der Anhaftung, werden immer stärker gefordert. Dementsprechend wird auch die Verpackungstechnologie weiterentwickelt. Zur Überprüfung der Behandlungen der Folienoberfläche wird die Oberflächenrauheit gemessen.

Bei der Messung der Oberflächenrauheit, für die häufig ein 3D-Laser-Konfokalmikroskop zum Einsatz kommt, wird die Rauheit feiner Unregelmäßigkeiten auf der Folienoberfläche gemessen und numerisch quantifiziert. In meinem jüngsten Experiment habe ich mit einem LEXT OLS5100 3D-Laser-Konfokalmikroskop die Beziehung zwischen Wasserabweisung und Oberflächenrauheit anhand von zwei verschiedenen Joghurtdeckeln untersucht.

Lesen Sie weiter, um die Ergebnisse zu sehen.

Überprüfung der visuellen Oberflächenbeschaffenheit der Joghurtdeckel

Zunächst untersuchte ich die visuelle Oberflächenbeschaffenheit auf der Rückseite der Joghurtdeckel in 3D mit dem OLS5100 Laser-Konfokalmikroskop.

Die Deckel bestehen aus mehreren Folienschichten, unter anderem aus einer Aluminiumschicht mit stark reflektierenden Eigenschaften. Um die Form der äußersten Oberfläche der Folie korrekt zu erfassen, müssen unbedingt Daten verwendet werden, die nicht durch die starke Reflexion der unteren Aluminiumschicht beeinflusst werden. Mit einem Objektiv mit hoher Vergrößerung und geringer Schärfentiefe verringert sich der Effekt der starken Reflexion der unteren Schicht, sodass nur die Daten der äußersten Oberfläche der Folie erfasst werden können.

Das OLS5100 Mikroskop ist auf eine Laserwellenlänge von 405 nm eingestellt und verwendet ein spezielles LEXT Objektiv, das Aberrationen unterdrückt. Mit dieser Konfiguration können genaue Daten über das gesamte Sehfeld erfasst werden.

Spezielle LEXT Objektive von links nach rechts: 10X Objektiv mit geringer Vergrößerung, 20X, 50X und 100X Hochleistungsobjektive und 20X, 50X und 100X Objektive mit großem Arbeitsabstand.

Nach der Erfassung der Daten in 3D ist erkennbar, dass der stark wasserabweisende Joghurtdeckel kugelförmige, konvexe Aggregate unterschiedlicher Größe aufweist, die zufällig auf der Grundfläche verstreut sind. Im Gegensatz dazu hat der Deckel mit geringer Wasserabweisung keine auffällige konvexe Form.

Visuelle 3D-Daten der beiden Joghurtdeckel, aufgenommen mit dem OLS5100 Laser-Konfokalmikroskop. Links: Joghurtdeckel mit hoher Wasserabweisung (50X Objektiv, ca. 250 µm). Rechts: Joghurtdeckel mit geringer Wasserabweisung (50X Objektiv, ca. 250 µm).

Um die Oberflächenbeschaffenheit einer Probe mit hoher Wasserabweisung zu verstehen, betrachten wir die Oberflächen von Lotusblättern und Brokkoli. Möglicherweise haben Sie schon einmal gesehen, dass diese Oberflächen Wasser abweisen und die Wassertropfen abfließen. Diese Oberflächen haben eine feine ungleichmäßige Form, die als fraktale Struktur bezeichnet wird. Dank dieser Form sind diese Oberflächen wasserabweisend. Eine fraktale Struktur ist eine Form, die in unterschiedlichen Vergrößerungen eine ähnliche Form aufweist.

Wasserabweisende Eigenschaften von Lotusblättern (links) und Brokkoli (rechts)

Wasserabweisende Eigenschaften eines Lotusblatts (links) und von Brokkoli (rechts)

Inspiriert von diesen in der Natur vorkommenden Formen wird diese fraktale Struktur auch auf Joghurtdeckeln angewendet, die dadurch besonders wasserabweisend sind. Im obigen Beispiel sind die Daten für ein Sehfeld (ca. 250 µm) bei Verwendung eines 50X Objektivs dargestellt.

Erfassung der Oberflächenrauheitsdaten in einem größeren Sehfeld

Als Nächstes habe ich die Daten aus einem größeren Bereich erfasst, um zu sehen, wie diese charakteristische konvexe Form auf der Rückseite des stark wasserabweisenden Joghurtdeckels verteilt ist.

Ein Objektiv mit hoher Vergrößerung eignet sich nur für die Erfassung von Daten auf der äußersten Oberfläche der Deckelrückseite. Der Bereich eines Sehfeldes ist jedoch zu klein, um alle Daten zu erfassen.

Mit der Stitching-Funktion des OLS5100 Mikroskops können Sie einzelne Bilder, die mit einem Objektiv mit hoher Vergrößerung aufgenommen wurden, zu einem hochauflösenden Bild in einem größeren Sehfeld zusammenfügen.

Links: Einzelne 2D-Bilder vor dem Stitching. Rechts: 2D-Bild nach dem Stitching.

Unten sehen Sie, dass das Aussehen der konvexen Aggregate, die zufällig in einem Sehfeld verstreut sind (rechts), selbst bei erweitertem Sehfeld eine ähnliche Verteilung aufweist (links). Die konvexen Aggregate haben eine fraktale Struktur.

Konvexe Aggregate auf einem Joghurtdeckel mit hoher Wasserabweisung

Links: 3 × 3 zusammengefügte Bilder (50X Objektiv, etwa 700 µm). Rechts: Ein Sehfeld (50X Objektiv, etwa 250 µm).

Quantifizierung der Oberflächenbeschaffenheit von Joghurtdeckeln

Die obigen Bilder sind der visuelle Beweis, dass:

Die Oberflächenbeschaffenheit von stark wasserabweisenden und schwach wasserabweisenden Folien sich stark unterscheidet.
Auf stark wasserabweisenden Folien konvexe Aggregate zu finden sind.
Die konvexen Aggregate eine fraktale Struktur aufweisen, bei der ähnliche konvexe Aggregate auch dann zu sehen sind, wenn die Bilder zusammengefügt und in einem großen Sehfeld betrachtet werden.

Auf der Grundlage dieser Ergebnisse habe ich die Oberflächenbeschaffenheit dieser beiden Deckel durch Messung der Oberflächenrauheit mit dem 3D-Laser-Konfokalmikroskop OLS5100 quantifiziert.

In der Regel wird für die Rauheitsbewertung ein Tastschnittgerät verwendet, das die Daten einer Linie erfasst. Bei Formen mit lokal verstreuten Unregelmäßigkeiten, wie sie auf stark wasserabweisenden Oberflächen zu finden sind, variiert der Rauheitswert jedoch stark in Abhängigkeit von der mit dem Tastschnittgerät gezogenen Linie. Außerdem kann der Kontakt mit dem Tastschnittgerät die Probe beschädigen, was ein Risiko bei der Messung darstellt.

Im Gegensatz dazu kann ein 3D-Laser-Konfokalmikroskop Oberflächendaten berührungslos erfassen, indem der Laserstrahl abgetastet wird. Auf diese Weise können mehr Informationen über die Oberflächenform gewonnen werden als mit dem Tastschnittgerät.

Links: Das Tastschnittgerät kann die Oberfläche der Probe beschädigen. Rechts: Die berührungslose Messung mit einem 3D-Laser-Konfokalmikroskop beschädigt die Probe nicht.

Links: Die Daten eines Tastschnittgeräts zur Messung der Oberflächenrauheit liefern Informationen von nur einer Linie. Rechts: Das 3D-Laser-Konfokalmikroskop OLS5100 erfasst Informationen einer gesamten Ebene.

Für die Messung der Oberflächenrauheit wurden die Daten aus dem großen Sehfeld (ca. 700 µm) verwendet.

Zur Bestimmung der Oberflächenrauheit ist es wichtig, dass die Daten aus einem Sehfeld stammen, das mindestens 10 charakteristische ungleichmäßige Formkomponenten enthält, die die Oberflächeneigenschaft der Probe am meisten beeinflussen können.

Schauen wir uns nun an, was das für die obige, stark wasserabweisende Probe bedeutet. Wenn wir davon ausgehen, dass jedes konvexe Aggregat, das wir in dem einen Sehfeld (50X Objektiv, ca. 250 µm) erkennen, eine charakteristische Formkomponente darstellt, die für die wasserabweisende Funktion sorgt, benötigen wir mindestens 10 konvexe Aggregate aus einem größeren Sehfeld. Um mehr als 10 konvexe Aggregate zu erfassen, habe ich Weitfelddaten aus 3 × 3 zusammengefügten Bildern zur Bewertung der Oberflächenrauheit verwendet.

Ergebnisse der Oberflächenrauheitsmessung an den beiden Joghurtdeckeln

Bei Verwendung des 50X Objektivs lieferte das 3D-Lasermikroskop folgende Ergebnisse für die Rückseite der beiden Deckel:

Probe	Sp [µm]	Sv [µm]	Sz [µm]	Sa [µm]	Sdq	Sdr [%]
Hohe wasserabweisende Wirkung _50×z1_3×3	28,419	9,597	38,016	4,297	2,082	31,562
Geringe wasserabweisende Wirkung_50×z1_3×3	2,044	7,434	9,478	0,471	0,127	0,561

Die zu beachtenden Parameter sind Sp, Sz, Sa, Sdq und Sdr. Hier finden Sie eine kurze Erklärung dieser Parameter:

Sz (maximale Höhe) und Sp (maximale Spitzenhöhe)

Am Sz-Wert ist die Größe der Unebenheiten gegenüber der durchschnittlichen Fläche erkennbar. Sz ist die Summe aus der maximalen Spitzenhöhe (Sp) und der maximalen Senkenhöhe (Sv). Dabei ist zu beachten, dass der Unterschied zwischen Sp und Sv nur bei Sp groß ist. In diesem Beispiel zeigen die Daten, dass der stark wasserabweisende Deckel viele konvexe Formen gegenüber der durchschnittlichen Fläche aufweist.

Sa (mittlere arithmetische Höhe)

Sa zeigt den Durchschnittswert des Höhenunterschieds zur durchschnittlichen Fläche. Der stark wasserabweisende Deckel mit einem großen Sa-Wert hat größere Unebenheiten.

Sdq (quadratischer Neigungsmittelwert)

Sdq zeigt die durchschnittliche Größe der lokalen Neigung der Oberflächenunregelmäßigkeiten. Der stark wasserabweisende Deckel mit einem hohen Sdq-Wert hat größere Unebenheiten, die den Glanz der Fläche verringern.

Sdr (entwickeltes Grenzflächenverhältnis)

Sdr gibt den Prozentsatz der zusätzlichen Fläche an. Je höher die Wasserabweisung ist, desto größer ist die Welligkeit und desto größer ist die Fläche.

Oberflächenrauheitsdaten liefern Erkenntnisse über die Wasserabweisung von Deckeln

Dank der fraktalen Struktur der Oberfläche des wasserabweisenden Deckels wird die Kontaktfläche zwischen Joghurt und Deckel verringert. Diese Oberflächenform bewirkt, dass der Joghurt Tröpfchen bildet, die nicht an der Folie haften. Die Verringerung der Kontaktfläche bedeutet, dass die Oberfläche der Folie groß und ungleichmäßig ist. Im Gegensatz dazu hat der Deckel mit geringer Wasserabweisung eine kleine, gleichmäßige Oberfläche, die eine große Kontaktfläche bildet. Wir können daraus schließen, dass der Joghurt an diesem Deckel klebt, weil die Haftung mit zunehmender Kontaktfläche zunimmt.

Hier ist die Beziehung zwischen dem Grad der Wasserabweisung und den Oberflächenrauheitsdaten dargestellt: