Skibelagadditive und Wachspenetration – Teil 3
1.6 Einfluss von Additiven auf die Wachsaufnahmefähigkeit des Skibelags
Verschiedene Additive und Festschmierstoffe werden häufig in UHMWPE für Skibeläge eingearbeitet. Dazu gehören Ruß (Carbon Black), Graphit und andere kohlenstoffbasierte Materialien.
Die Verwendung von Kohlenstoffpartikeln und Festschmierstoffen in Skibelagmaterialien ist in der technischen Fachliteratur gut dokumentiert.
Additive können die Wachsaufnahme durch mehrere gleichzeitig wirkende Mechanismen beeinflussen.
1.6.1 Ersatz eines Teils des Polymervolumens
Additivpartikel nehmen ein Volumen ein, das dadurch nicht mehr aus UHMWPE besteht.
Ein Partikel aus Ruß, Graphit oder einem anderen Füllstoff kann Wachs nicht über denselben Mechanismus aufnehmen wie die amorphe Polymerphase.
Mit zunehmendem Additivgehalt verringert sich daher das Volumen der Polymermatrix, das potenziell zur Aufnahme von Wachs in der Lage ist.
Aus dieser grundlegenden volumetrischen Betrachtung lässt sich folgende Tendenz ableiten:
Je höher der Additivgehalt ist, desto geringer ist die maximale volumetrische Kapazität des Skibelags, Wachs in das UHMWPE aufzunehmen.
1.6.2 Veränderung der Polymerkristallisation
Additive können als heterogene Keimbildungszentren wirken und die Bildung von Kristallen fördern.
Bei höheren Konzentrationen können sie gleichzeitig die Beweglichkeit der Makromoleküle einschränken und das Wachstum kristalliner Bereiche hemmen.
Beide einander entgegenwirkenden Effekte wurden für kohlenstoffhaltige Füllstoffe beschrieben: die heterogene Keimbildung einerseits und ein eingeschränktes Kristallwachstum infolge verminderter Kettenbeweglichkeit andererseits.
Der Einfluss eines Additivs auf die Wachsaufnahme hängt daher nicht einfach von seinem Gewichtsanteil ab.
Entscheidend ist auch, ob das jeweilige Additiv:
- den Kristallinitätsgrad erhöht oder verringert,
- die Größe der kristallinen Lamellen verändert,
- eine steife Interphasenzone um die Partikel erzeugt,
- die Kontinuität amorpher Bereiche unterbricht,
- neue Defekte oder Zwischenräume an der Grenzfläche zwischen Partikel und Polymer entstehen lässt.
1.6.3 Interphasenzone um die Partikel
Um ein Additivpartikel kann sich eine Interphasenzone ausbilden, in der sich die Anordnung der Polymerketten von jener in der unbeeinflussten Polymermatrix unterscheidet.
Abhängig von der Qualität der Anbindung zwischen dem Partikel und dem UHMWPE kann dieser Bereich:
- dichter und steifer sein,
- eine geringere molekulare Beweglichkeit aufweisen,
- oder umgekehrt Defekte und mikroskopische Zwischenräume enthalten.
Eine gut angebundene, steife Interphasenzone kann das Eindringen von Wachs einschränken.
Eine schwach angebundene Grenzfläche kann dagegen lokal Raum für die mechanische Einlagerung oder das kapillare Eindringen von Wachs schaffen.
Es kann daher nicht angenommen werden, dass jedes Additiv und jede Grenzfläche die Wachsaufnahme immer auf dieselbe Weise verringert.
1.6.4 Praktischer Gesamtzusammenhang
Werden ansonsten vergleichbare Skibeläge betrachtet, kann grundsätzlich erwartet werden, dass ein hoher Anteil fester Additive das Gesamtvolumen der wachsaufnahmefähigen Polymermatrix verringert.
Die praktische Faustregel „Je mehr Additive, desto weniger Wachs“ ist daher eine physikalisch nachvollziehbare Ausgangsannahme.
Sie muss jedoch als allgemeine Tendenz und nicht als absolutes lineares Gesetz verstanden werden.
Die tatsächlich resultierende Wachsaufnahmefähigkeit wird außerdem von folgenden Faktoren beeinflusst:
- Art des Additivs,
- Partikelgröße,
- Partikelform,
- Grad der Agglomeration,
- räumliche Verteilung,
- Qualität der Anbindung an das UHMWPE,
- Einfluss des Additivs auf die Kristallisation,
- Entstehung von Defekten während des Sinterprozesses.
Mikroskopische Untersuchungen tatsächlicher Skibelagmaterialien zeigen, dass Kohlenstoffpartikel relativ homogen innerhalb der Matrix verteilt sein können, während gleichzeitig auch Agglomerate und andere partikuläre Einschlüsse vorhanden sein können.
1.7 Eindringtiefe von Wachs in den Skibelag
Der Skibelag darf nicht als offenporiges Material verstanden werden, das beim Heißwachsen Wachs bis in Tiefen von mehreren zehn oder Hundert Mikrometern aufnimmt.
Wachsmoleküle dringen vor allem in den obersten Bereich des Polymers ein, der während des Auftragens ausreichend erwärmt wird und zugängliche amorphe, Übergangs- oder Defektbereiche enthält.
Das Eindringen wird durch mehrere Faktoren begrenzt:
- die sehr kurze Zeit, während der der Skibelag erwärmt wird,
- die im Vergleich zum Schmelzpunkt des UHMWPE relativ niedrige Temperatur,
- die hohe Molekülmasse und Dichte des Polymers,
- den hohen Anteil der kristallinen Phase,
- die begrenzte Diffusionsbeweglichkeit der Wachsmoleküle,
- die rasche Temperaturabnahme mit zunehmender Tiefe,
- die fehlende Verbindung zwischen einigen amorphen Bereichen und der Oberfläche.
Für ein technisches Arbeitsmodell kann angenommen werden, dass sich bei einer üblichen Heißwachsanwendung der weitaus größte Teil des aufgenommenen Wachses auf eine äußerst dünne oberflächennahe Zone konzentriert.
Als ungefährer Arbeitsbereich können folgende Größenordnungen betrachtet werden:
- Der Hauptanteil des aufgenommenen Wachses befindet sich innerhalb der ersten etwa 250 bis 350 nm.
- Vereinzelt kann eine deutlich geringere Wachsmenge bis in Tiefen in der Größenordnung von etwa 1 µm eindringen.
Diese Werte sind als Schätzungen der charakteristischen Tiefe der oberflächennahen Zone zu verstehen und nicht als scharf definierte Grenze.
Es existiert keine Grenzfläche, oberhalb derer das Polymer gleichmäßig mit Wachs gesättigt ist und unterhalb derer überhaupt kein Wachs mehr vorhanden wäre.
Vielmehr ist davon auszugehen, dass die Wachskonzentration unmittelbar an der Oberfläche am höchsten ist und mit zunehmender Tiefe rasch abnimmt.
Die tatsächliche Eindringtiefe hängt insbesondere ab von:
- der Molekülgröße und Größenverteilung der Wachsbestandteile,
- der Viskosität des geschmolzenen Wachses,
- der Temperatur des Skibelags,
- der Dauer der Erwärmung,
- der Anzahl wiederholter Wachsanwendungen,
- der Dichte und dem Kristallinitätsgrad des UHMWPE,
- der Vernetzung beziehungsweise räumlichen Zugänglichkeit amorpher Bereiche,
- dem Gehalt und der Verteilung von Additiven,
- dem Zustand der Oberfläche nach dem Schleifvorgang.