Digital Dyne

Digital Dyne^® ist eine von KRÜSS entwickelte Mess- und Auswertemethode für die automatische Benetzbarkeitsprüfung aktivierter Materialien anhand des Rückzugs-Kontaktwinkels von Wasser. Dabei wird das Kontaktwinkelergebnis in einen Dyne-Wert umgerechnet, welcher dem Ergebnis einer manuellen Prüfung derselben Probe mit Testtinten bzw. Dyne Pens entsprechen würde. Mithilfe dieser Methode kann ein Umstieg von Testtintenprüfungen auf Kontaktwinkelmessungen erfolgen, ohne dass die bestehenden Qualitätslimits für die Passed-/Failed-Bewertung geändert werden müssen.

Digital Dyne® ermöglicht den einfachen Umstieg von manuellen Prüfungen mit Testtinten bzw. Dyne Pens auf eine automatisierte Kontaktwinkelmessung. Grundlage ist die Messung des Rückzugswinkels von Wasser, aus dem mithilfe von Referenzkurven ein mit Testtinten vergleichbarer Dyne-Wert bestimmt wird. Die Methode überzeugt durch eine hohe Korrelation zu klassischen Tintentests, arbeitet jedoch deutlich reproduzierbarer und benutzerunabhängig. Weitere Vorteile sind die digitale Erfassung und Archivierung der Messdaten sowie die Verwendung von reinem Wasser anstelle gesundheitsschädlicher Testtinten. Damit stellt Digital Dyne eine moderne, sichere und effiziente Alternative für die industrielle Qualitätssicherung dar.

Was ist das Prinzip hinter Digital Dyne?

Für ein Digital Dyne Ergebnis wird der Rückzugswinkel von Wasser gemessen, ein Kontaktwinkel, der statt des Benetzungsverhaltens den Vorgang der Entnetzung beschreibt. Dieser Messwert korreliert exzellent mit einer Vielzahl von empirischen Prüfmethoden für Oberflächen – insbesondere mit den Ergebnissen von Tintentests auf unterschiedlich vorbehandelten Kunststoffen. Für den Digital Dyne Wert wird zunächst mithilfe einer Referenzkurve die Korrelation zwischen den Wasser-Rückzugswinkeln und den Testtintenergebnissen für Oberflächen mit unterschiedlichem Aktivierungsgrad erfasst. Auf Basis dieser Beziehung kann dann ein den nachfolgend gemessenen Rückzugswinkeln entsprechender Digital Dyne Wert ermittelt werden.

Die aufgestellte Beziehung gilt nicht universell, sondern jeweils für bestimmte Kombinationen aus Material (z. B. PE oder PP) und Testtintentyp (Formamid-, Methanol- oder Ethanol-Basis) individuell ermittelt werden. Da aber in der Praxis meist immer derselbe Kunststoff mit denselben Prüfmitteln untersucht wird, müssen nicht ständig neue Referenzkurven erstellt werden. In der KRÜSS ADVANCE Software ist die Referenzkurve für bestimmte Kombinationen bereits hinterlegt, sodass der Digital Dyne Wert direkt ausgegeben werden kann.

Die Messung des Rückzugswinkels erfolgt mit dem KRÜSS Stood-up Drop®, welcher zuverlässige, benutzerunabhängige Messungen in Sekundenschnelle ermöglicht. Herkömmliche Methoden wie Volumenverkleinerung dosierter Tropfen könnten prinzipiell ebenfalls zu Digital Dyne Werten führen, sind aber für routinemäßige Qualitätsprüfungen zu langsam und aufwendig.

Wie kommt es zu der guten Korrelation zwischen Digital Dyne und Testtintenergebnissen?

Beim Tintentest wird die Prüfoberfläche durch den Anwender forciert benetzt und anschließend das Zusammenfließen des aufgetragenen Strichs geprüft. Es handelt sich also um einen Entnetzungsvorgang. Beim Stood-up Drop für Digital Dyne benetzt der mittels Druck mit hoher Geschwindigkeit dosierte Tropfen ebenfalls eine größere Fläche, um sich danach zu einem definierten Tropfen zusammenzuziehen. Es erfolgt demnach ebenfalls eine Messung nach forcierter Vorbenetzung, nur dass diese im Gegensatz zum Tintentest vollständig kontrolliert abläuft. Die gute Korrelation ist nicht nur plausibel, sondern durch eine große Zahl von vergleichenden Untersuchungen zwischen Tintentests und Rückzugswinkelergebnissen belegt.

Welche Vorteile hat der Umstieg von Testtinten auf Digital Dyne?

Tintentests ermöglichen einfache, schnell durchführbare Benetzungsprüfungen, bringen aber Nachteile mit sich, mit denen sich viele Qualitätsmanager nicht mehr abfinden wollen und für die Digital Dyne eine Lösung bietet:

Elektronisch erfasste Messdaten: Einer der Vorteile der neuen Methode geht schon aus dem Namen hervor: Das Verfahren bietet direkt in einer Software ausgegebene, archivierte und exportierbare Messwerte, die nicht manuell dokumentiert werden müssen. Die Prüfergebnisse sind so völlig transparent - etwa für ein Auditing der Qualitätsprüfung – und unterliegen keinen Fehlern durch falsch eingetragene Werte.
Benutzerunabhängige Messergebnisse: Die Messmethode selbst – die Bestimmung von Rückzugswinkeln mit dem Stood-up Drop – unterliegt einem standardisierten Verfahren, bei dem Parameter wie Dosierabstand und -geschwindigkeit nicht durch Benutzerentscheidungen geändert werden können. Dieselbe Reproduzierbarkeit gilt für die Videoauswertung des dosierten Wassertropfens, aus welcher der Kontaktwinkel resultiert.

Using test inks, countless factors can influence the result. The tester must visually assess whether and to what extent the liquid has retreated or whether the ink’s behavior can be evaluated as complete wetting. The dynamics of the application and the tested area can also influence the result. When applying the ink with a brush, the brush may pick up contaminants from the sample, thereby contaminating the ink supply and altering the surface tension. Evaporation of the more volatile components of the mixture - for example, if the bottle is left open for too long – also affects the result.
Prüfungen mit reinem Wasser statt mit toxischen Substanzen: Die meisten gängigen Testtintengemische enthalten toxische Substanzen – allen voran Formamid, das auch beim Einatmen und bei Hautkontakt schädigend wirkt und sogar als fortpflanzungsgefährdend eingestuft ist. Da die Anwender diesen Stoffen meist täglich und womöglich über Jahre ausgesetzt sind, ist das Gesundheitsrisiko nicht zu unterschätzen. Digital Dyne schafft dieses Problem aus der Welt: Als einzige Testflüssigkeit wird reines Wasser verwendet.

HWie hängen Digital Dyne und die freie Oberflächenenergie zusammen?

Da die Methode Digital Dyne analoge Werte zu Testtinten liefert, hängt diese Frage mit der Interpretation von Testtintenergebnissen zusammen.

Viele Anwender von Testtinten gehen davon aus, dass sie damit die freie Oberflächenenergie (SFE) von Materialien bestimmen, die in diesem Zusammenhang oft als Oberflächenspannung des Festkörpers bezeichnet wird. Diese Annahme geht auf das Konzept der „kritischen Oberflächenspannung“ nach Zisman zurück. Dieses Modell besagt, dass die niedrigste Oberflächenspannung einer Flüssigkeit, bei welcher gerade vollständige Benetzung stattfindet (Kontaktwinkel = 0°), dem SFE entspricht.

Tatsächlich geht man seit längerer Zeit davon aus, dass der Grad der Benetzung von der Ausbildung polarer und dispersiver Wechselwirkungen abhängt und daher die Polaritäten von Flüssigkeiten und Festkörpern berücksichtigen muss, was die gängigen Modelle für die SFE-Bestimmung auch tun. KRÜSS bezeichnet daher den bestimmten Wert für Digital Dyne nicht als SFE des Festkörpers.

▶ Lesen Sie mehr zu diesem Thema in unserem Applikationsbericht AR272: Warum Testtinten nicht die ganze Wahrheit über die freie Oberflächenenergie sagen.

Warum entwickelt KRÜSS mit Digital Dyne trotz Zweifeln an Tintentests eine auf ihnen beruhende Methode?

Der Transfer vom Rückzugswinkel zu einem Digital Dyne Wert hat nicht das Ziel, eine wissenschaftliche Analyse der Oberfläche vorzunehmen, sondern verfolgt einen empirischen Ansatz. Die Methode ebnet Anwendern, die Testtintenergebnisse in der QC etabliert und gute Erfahrungen gemacht haben, den Weg zu einem einfachen Wechsel zur automatisierten Kontaktwinkeltechnologie – mit den genannten Vorteilen gegenüber manuellen Prüfungen mit problematischen Substanzen.

Die für Testtinten ermittelten Qualitätsgrenzen für eine Passed/Failed-Bewertung der Prüfergebnisse können beibehalten werden, wodurch aufwendige Voruntersuchungen für die Einführung einer neuen Methode vermieden werden. Digital Dyne ersetzt also nicht die wissenschaftliche Bestimmung der SFE, sondern dient in der Qualitätssicherung als technische moderne Alternative – und Nachfolge – für Testtinten.

Daneben gibt es Anwender, welche dem Tintentest grundsätzlich misstrauen, etwa weil es trotz QC-passed-Ergebnissen zu Mängeln in der Produktion kommt. In diesem Fall schafft eine Umstellung auf Digital Dyne keine Abhilfe; stattdessen sollte der Wechsel zu SFE-Bestimmungen mit Kontaktwinkeln verschiedener Testflüssigkeiten erwogen werden.

Woher stammt der Name "Digital Dyne"

Für die Oberflächenspannung ist neben der SI-Einheit mN/m auch die analoge CGS-Einheit dyn/cm (engl. dynes per centimeter) geläufig. In der Praxis wird dabei häufig verkürzend vom Dyne-Wert gesprochen, welcher ein mit Testtinten bestimmtes Prüfergebnis bezeichnet.