Skibelagstruktur und Wachsreservoirs – Teil 1
Handbürste oder Rotationsbürste – das ist hier die Frage!
Die Version für Servicetechniker: Wachsschichten verstehen
Das Wachsen von Skiern wird häufig als relativ einfacher Vorgang dargestellt: Wachs auftragen, abkühlen lassen, überschüssiges Wachs abziehen und den Skibelag abschließend mit einer Handbürste oder Rotationsbürste bearbeiten.
Doch was entfernen wir beim Abziehen und Bürsten eigentlich genau? Wo verbleibt das Wachs tatsächlich? Und wie beeinflussen die Eigenschaften des Skibelagmaterials und seiner strukturierten Oberfläche das Endergebnis?
Bevor wir das Bürsten von Hand mit dem Einsatz einer Rotationsbürste vergleichen, müssen wir zunächst das physikalische System verstehen, mit dem wir arbeiten.
Diese fünfteilige Artikelserie untersucht die Wechselwirkungen zwischen UHMWPE-Skibelagmaterialien, Oberflächenstrukturen und aufgetragenen Skiwachsen.
Wir betrachten, wie die innere Struktur des Polymers das Eindringen von Wachs beeinflusst, wie Additive die Materialeigenschaften verändern und weshalb Wachs auch nach einer intensiven mechanischen Präparation an unterschiedlichen Stellen zurückbleiben kann.
Die fünf Teile dieser Artikelserie
- Skibelagstruktur und Wachsreservoirs – Die strukturierte Skibelagoberfläche und die verschiedenen Bereiche, in denen aufgetragenes Wachs zurückbleiben kann.
- Wie nimmt UHMWPE-Skibelagmaterial Wachs auf? – Die Bedeutung kristalliner, amorpher und Übergangsbereiche für das Eindringen und die Speicherung von Wachs.
- Skibelagadditive und Wachspenetration – Wie Additive die Eigenschaften von UHMWPE beeinflussen und möglicherweise die Wachspenetration verändern.
- Wo verbleibt Skiwachs nach dem Abziehen und Bürsten? – Eine genauere Betrachtung der Wachsschichten auf der Oberfläche, des innerhalb der Struktur zurückgehaltenen Wachses und des Wachses in der obersten Polymerzone.
- Skiwachs entfernen und Skibeläge bürsten – Was Abziehen und Bürsten tatsächlich entfernen können und welche Bedeutung dies für die praktische Skipräparation hat.
Unser Ziel besteht nicht einfach darin, zu entscheiden, ob eine Handbürste oder eine Rotationsbürste besser ist.
Unser Ziel ist es zu verstehen, was wir bei der Vorbereitung eines Skis für das Gleiten auf Schnee tatsächlich mit seiner Belagoberfläche machen.
1. Was bleibt nach dem Heißwachsen tatsächlich auf dem Skibelag zurück?
Um richtig beschreiben zu können, wie Hand- und Rotationsbürsten Wachs von einem Skibelag entfernen, müssen wir zunächst erklären, wo sich das Wachs nach dem Heißwachsen tatsächlich befindet.
Das Wachs verbleibt nicht als eine einzige homogene Schicht auf der Oberfläche.
Nach dem Aufbügeln, Abkühlen und Abziehen befindet es sich in mehreren geometrisch und physikalisch unterschiedlichen Bereichen.
Die einzelnen Bestandteile dieses Wachsreservoirs unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Zugänglichkeit für die Abziehklinge und die Bürstenfilamente.
Gleichzeitig übernehmen sie unterschiedliche Funktionen bei der Ausbildung der endgültigen Oberflächeneigenschaften des Skibelags.
Für die folgende Betrachtung ist es sinnvoll, drei grundlegende Wachsreservoirs zu unterscheiden:
- eine makroskopische Wachsschicht oberhalb der Skibelagoberfläche,
- einen dünnen Wachsfilm, der innerhalb der Oberflächenmikrostruktur zurückgehalten wird,
- Wachs, das in die oberste Polymerzone des UHMWPE eingedrungen ist.
Diese Unterteilung darf jedoch nicht ausschließlich als Veränderung senkrecht zur Oberfläche, also entlang der Z-Achse, verstanden werden.
Auch innerhalb der Oberflächenebene, entlang der X- und Y-Achse, verändert sich die tatsächliche Skibelagoberfläche kontinuierlich.
Daher können die Dicke der Wachsschicht, ihre Haftung und die Möglichkeit des Eindringens in das Polymer von einer Stelle zur anderen unterschiedlich sein.
1.1 Der Skibelag ist kein homogener Festkörper
Ein Skibelag aus gesintertem UHMWPE ist kein vollkommen homogenes Material.
UHMWPE ist ein teilkristallines Polymer, in dem sich auf der Nanometerskala folgende Bereiche abwechseln:
- kristalline Bereiche,
- amorphe Bereiche,
- Übergangsbereiche beziehungsweise Zwischenbereiche zwischen beiden Phasen.
Die Existenz dieser drei unterschiedlichen Populationen von Polymerketten – kristallin, intermediär und amorph – wird unter anderem durch NMR-Messungen der molekularen Beweglichkeit in UHMWPE gestützt.
Kristalline Bereiche
Kristalline Bereiche bestehen aus relativ regelmäßig angeordneten Abschnitten der Polymerketten.
Die Ketten sind dicht gepackt und ihre Beweglichkeit ist erheblich eingeschränkt.
Amorphe Bereiche
Amorphe Bereiche besitzen eine weniger geordnete Struktur.
Sie weisen ein größeres freies Volumen zwischen den Polymerketten, eine höhere molekulare Beweglichkeit und einen höheren Grad der Kettenverschlaufung auf.
Übergangsbereiche
Übergangsbereiche liegen an der Grenzfläche zwischen einer kristallinen Lamelle und der vollständig amorphen Matrix.
Die Polymerketten in diesen Bereichen sind teilweise orientiert und durch die kristalline Phase in ihrer Beweglichkeit eingeschränkt.
Sie sind jedoch nicht ausreichend regelmäßig angeordnet, um ein vollkommenes Kristallgitter zu bilden.
Diese Bereiche bilden keine einfachen, klar voneinander abgegrenzten Blöcke.
Auf der Nanometerskala wechseln sich kristalline Lamellen mit amorphen Bereichen und Übergangsbereichen ab.
In untersuchten UHMWPE-Folien wurden beispielsweise Nanodomänenschichten mit Dicken in der Größenordnung einiger zehn Nanometer beschrieben.
Dies zeigt, dass sich die einzelnen Strukturbereiche über äußerst kleine Längenskalen abwechseln können.
1.2 Veränderungen des Skibelags entlang der X-, Y- und Z-Achse
Die Skibelagoberfläche muss als eine dreidimensional veränderliche Umgebung verstanden werden.
Z-Achse: Veränderungen mit zunehmender Tiefe
Senkrecht zur Oberfläche treffen wir nacheinander auf folgende Bereiche:
- freies oder zusammenhängendes Wachs oberhalb der ursprünglichen Oberfläche,
- Wachs, das innerhalb der geschliffenen Struktur und der Oberflächenmikrorauheit zurückgehalten wird,
- eine UHMWPE-Oberflächenzone, die durch Schleifen, thermische Bearbeitung und Gebrauch beeinflusst wurde,
- tieferliegendes Polymermaterial, das mechanisch weniger verändert ist.
Die Wachsmenge, die während einer normalen Heißwachsanwendung in das Polymer eingedrungen sein kann, nimmt mit zunehmender Tiefe im Allgemeinen rasch ab.
X- und Y-Achse: Veränderungen innerhalb der Oberflächenebene
Ebenso wichtig sind Veränderungen parallel zur Oberfläche.
Wenn wir uns über die Skibelagoberfläche bewegen, verändern sich kontinuierlich folgende Eigenschaften:
- der relative Anteil kristalliner, amorpher und intermediärer Bereiche,
- die Orientierung der Polymerlamellen,
- die Dichte und Größe von Mikrodefekten,
- die Menge freiliegender Fibrillen,
- das Vorhandensein von Ruß und anderen Additiven,
- die durch den Schleifvorgang erzeugte lokale Oberflächentopografie,
- der Grad thermischer und mechanischer Schädigung.
Selbst bei konstanter Tiefe existiert daher keine vollkommen zusammenhängende und chemisch homogene Schicht.
An einer Stelle kann die freiliegende Oberfläche überwiegend aus einer relativ schwer zugänglichen kristallinen Phase bestehen.
Nur einige zehn oder hundert Nanometer entfernt kann sich dagegen ein zugänglicher amorpher Bereich, eine Übergangsgrenzfläche, ein Mikroriss oder ein Zwischenraum um ein Additivpartikel befinden.
Daraus ergibt sich eine räumlich stark ungleichmäßige Fähigkeit zur Wachsaufnahme.
Der Skibelag sollte deshalb nicht als Behälter mit gleichmäßig verteilten Poren beschrieben werden.
Es ist zutreffender, ihn als ein dreidimensionales Mosaik aus Bereichen mit unterschiedlicher Dichte, molekularer Beweglichkeit und Zugänglichkeit für Wachsmoleküle zu betrachten.