DE19744991C2 - Verfahren zur Messung der Anfangshaftung einer Haftkleberschicht und Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Anfangshaftung einer Haftkleberschicht. Sie betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Bei einer Haftkleberschicht, die, z. B. in Form eines Selbstklebeetiketts, auf einem Substrat aufgebracht ist, sind mehrere Materialeigenschaften wichtig:

• a) Adhäsion
• b) Wie gut haftet der Klebstoff in sich (Kohäsion)?
• c) Anfangshaftung (Soforthaftung).

Letztere wird auch als Tack oder initial grab bezeichnet, oder auch als Klebrigkeit. Es geht um das erste Haften des Klebstoffs, wenn das Etikett von einer Etikettiervorrichtung auf eine zu etikettierende Oberfläche übertragen wird und die vorderste Kante des Etiketts durch diese Anfangshaftung sofort an der gewünschten Stelle auf der Oberfläche haften muß, damit richtig etikettiert wird.

Zum Messen der Anfangshaftung ist eine Vorrichtung bekannt, die in Fig. 14 dargestellt ist. Bei ihr wird eine Probe 10, mit ihrer klebenden Seite 32 nach oben, waagerecht auf einer Unterlage angeordnet. Eine Stahlkugel 12 mit einem Durchmesser von 7/10" wird durch Abrollen in einer schrägen Rinne 14 beschleunigt. Dazu wird sie mittels eines absenkbaren Stifts 18 (in der Rinne 14) aus einer definierten oberen Stellung freigegeben und rollt deshalb mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit auf die klebende Fläche 32 der Probe 10. Dort wird sie durch die Klebrigkeit der Probe 10 gebremst, umso mehr, je klebriger diese ist, und bleibt z. B. an der dargestellten Stelle stehen. Dann wird der Abstand 20 zwischen dieser Stellung und dem unteren Ende der Rinne 14 gemessen. Aus fünf Messungen wird der Mittelwert gebildet.

Bei dieser Methode ist die Messung des Abstands 20 recht ungenau, d. h. die Reproduzierbarkeit ist schlecht. - Diese Methode ist auch beschrieben in der JP 3-61837 (A).

Eine andere Testmethode ist die FINAT-Testmethode Nr. 9, beschrieben in "FINAT Technisches Handbuch", 4. Auflage 1995, S. 17-18. Diese Methode mißt aber nicht nur die reine Anfangshaftung, sondern teilweise auch die Adhäsion an der zur Messung verwendeten Glasplatte mit den Dimensionen 25 mm × 30 mm. Ferner wird diese Messung durch die Biegesteifigkeit der Probe beeinflußt, also z. B. durch die Dicke des verwendeten Etikettenmaterials.

Ferner kennt man aus der DE-A 28 16 130 eine Vorrichtung zur Messung des Haftvermögens eines Haftklebers. Dabei lässt man eine Kugel aus einer vorgegebenen Höhe auf eine horizontale Haftkleberschicht fallen und zieht anschließend die Kugel durch die Kraft eines Elektromagneten in vertikaler Richtung von dieser Haftkleberschicht ab. Hierbei wird der Strom gemessen, der im Elektromagneten fließen muss, damit die Kugel abgezogen wird, und dieser Strom stellt ein Maß für das Haftvermögen des Haftklebers dar.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1, und die Vorrichtung nach Patentanspruch 8. Man erhält so sehr gut reproduzierbare Messungen, die typische Meßwerte im Millisekundenbereich ergeben, z. B. zwischen 100 und 200 ms, d. h. es wird hier tatsächlich die reine Anfangshaftung ohne sonstige Haftungsanteile gemessen.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:

Fig. 1 die Abmessungen eines Teststreifens, wie er für Messungen der Klebrigkeit verwendet wird,

Fig. 2 einen stark vergrößerten und schematisierten Schnitt durch den Teststreifen der Fig. 1, gesehen in Richtung der Pfeile II- II der Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, im Ruhezustand,

Fig. 4 eine Draufsicht von oben auf die Vorrichtung der Fig. 3, gesehen in Richtung des Pfeiles IV der Fig. 3,

Fig. 5 eine vergrößerte Schnittdarstellung, gesehen längs der Linie V-V der Fig. 4,

Fig. 6 eine Darstellung analog Fig. 3, aber in einem betriebsbereiten Zustand,

Fig. 7 eine Darstellung analog Fig. 6, wobei aber das Gerät aufgeklappt ist, um einen Teststreifen einlegen zu können,

Fig. 8 und 9 Zeichnungen, welche die Vorgänge beim Einlegen eines Teststreifens erläutern,

Fig. 10 eine Darstellung der bei der Vorrichtung verwendeten Haltevorrichtung 100 für den zylindrischen Rollkörper 82, im geschlossenen Zustand,

Fig. 11 eine Darstellung analog Fig. 10, bei der aber die Haltevorrichtung 100 geöffnet dargestellt ist,

Fig. 12 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Ablaufs einer Messung,

Fig. 13 eine stark schematisierte Darstellung des Meßvorgangs und der dabei ablaufenden elektrischen Vorgänge,

Fig. 14 eine Darstellung einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik, wie sie bislang zur Messung der Anfangshaftung verwendet wird, und

Fig. 15 die Darstellung eines typischen Meßprotokolls, wie man es bei einer Vorrichtung nach der Erfindung erhalten kann.

Der in Fig. 1 in der Draufsicht dargestellte Teststreifen 30 hat die Maße 1" × 7". Er besteht z. B. aus einem Etikettenmaterial 31, auf dem eine Haftkleberschicht 32 aufgebracht ist, deren Klebrigkeit (Tack) gemessen werden soll. Diese Schicht 32 ist abgedeckt durch ein Trägerpapier 34, das auf seiner der Schicht 32 zugewandten Seite mit einer Silikonschicht 36 versehen ist, so daß es leicht abgelöst werden kann und das vor der Messung abgelöst wird, wie in Fig. 2 angedeutet.

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 40 im zusammengeklappten Zustand, Fig. 4 eine Draufsicht von oben, und Fig. 5 einen vergrößert dargestellten Schnitt längs der Linie V-V.

Die Vorrichtung 40 hat einen Ständer oder Stativ 42, der an seinen vier Ecken mit je einer Verbreiterung 44 versehen ist, in deren Gewinden je eine Justierschraube 46 geführt ist, um das Stativ 42 mit Hilfe von zwei (nicht dargestellten) Libellen exakt waagerecht ausrichten zu können, wie das für die Messungen erforderlich ist.

Mittels einer Drehachse 48 ist am Stativ 42 ein Spannrahmen 50 angeordnet, der gemäß Fig. 6 um die Drehachse 48 verschwenkt werden kann. Eine Stütze 52 ist um eine Achse 53 verschwenkbar und kann in verschiedene Ausnehmungen 54 des Spannrahmens 50 eingehängt werden, um diesen zu einer schiefen Ebene zu machen, z. B., wie dargestellt, mit einem Winkel von 20° zur Waagerechten, alternativ 25°, 30° etc entsprechend den Bedürfnissen. Bei einer hohen Klebrigkeit benötigt man ersichtlich einen größeren Winkel.

Mittels einer (nicht dargestellten) Vorrichtung im Bereich der Drehachse 48 wird dieser Winkel gemessen und einem Meßgerät 60 zugeführt, das in Fig. 13 schematisch dargestellt ist. Dort kann dieser Wert als Teil des Meßprotokolls angezeigt oder ausgedruckt werden, vgl. den Wert 138 in Fig. 15.

Wie Fig. 7 klar zeigt, befindet sich auf dem Spannrahmen 50 ein Spannbügel 62, der um die Drehachse 48 etwa um 180° verschwenkbar ist, um den Teststreifen 30 leicht befestigen und entfernen zu können, und der mittels eines Rastglieds 64 am Spannrahmen 50 verrastet werden kann. Zum Lösen des Rastglieds 64 dient ein Betätigungsknopf 66, der dazu in Richtung eines Pfeiles 68 gezogen werden muß.

Wie Fig. 5 zeigt, hat der Spannrahmen 50 parallel verlaufende äußere Rahmenteile 70, 70', in deren unterem Bereich quer verlaufende Rahmenteile 72 befestigt sind. In diesen befinden sich Führungshülsen 74 für Führungsstifte 76, die mit einer Anpreßplatte 78 verbunden sind, welche durch zwei Federglieder 80 der dargestellten Form von den Rahmenteilen 72 weg nach oben gepreßt wird. Auf der Anpreßplatte 78 liegt bei der Messung der Teststreifen 30 (Fig. 1 und 2) plan und so auf, daß seine Haftkleberschicht 32 oben liegt.

Fig. 5 zeigt auch mit strichpunktierten Linien einen zylindrischen Rollkörper 82 in der Lage, wie er bei der Messung frei über einen Mittelbereich der Haftkleberschicht 32 hinwegrollt. Er hat z. B. eine Breite B von 10 mm und einen Durchmesser D von 50 mm. Bei Ausführung aus Stahl entspricht dies einem Gewicht von 154,6 g und einer Länge seines Umfangs von 157 mm, während die Länge der nachfolgend erläuterten Meßstrecke 122 z. B. nur 120 mm beträgt, so daß jede Stelle des Umfangs 83 des zylindrischen Rollkörpers 82 bei der Messung nur einmal mit einer Stelle der Klebstoffschicht 32 in Kontakt kommt. Gegenüber der in Fig. 14 dargestellten Methode stellt dies einen wesentlichen Vorteil dar. Naturgemäß kann der Rollkörper 82 auch aus einem anderen Werkstoff hergestellt werden als aus Stahl, z. B. aus Messing oder aus einem Kunststoff. Im Bereich des Umfangs 83 sollte seine Oberfläche glatt sein. Gemäß Fig. 5 ist seine Breite B kleiner als die Breite b der Klebstoffschicht 32, auf der er abrollt.

Der Spannbügel 62 enthält zwei Lichtschranken 120, 124 (Fig. 12), von denen eine in Fig. 5 dargestellt ist, nämlich ein Lichtsender 84 und ein Lichtempfänger 86, die in entsprechenden Bohrungen 84' und 86' von in Längsrichtung verlaufenden Trägern 87 bzw. 87' angeordnet sind. Alternativ können auch andere berührungslose Meßmethoden verwendet werden, z. B. mit Hochfrequenz nach dem Prinzip des berührungslosen Näherungsschalters.

Die Träger 87, 87' sind, wie in Fig. 8 dargestellt, am rechten Endbereich durch ein Teil 98 miteinander verbunden, und am linken Endbereich durch ein Teil 94 und bilden so den Spannbügel 62. An ihren Innenseiten sind gemäß Fig. 5 längliche, schienenförmige Anpreßteile 88 bzw. 88' aus einem geeigneten harten Werkstoff befestigt, z. B. aus rostfreiem Stahl. Sie liegen mit ihren unteren Enden 90 bzw. 90' auf dem Meßstreifen 30 auf und legen dadurch dessen Höhenlage exakt fest. Wenn der Meßstreifen 30 dick ist, wird die Anpreßplatte 78 entgegen der Kraft der Federn 80 entsprechend weiter nach unten verschoben, und die Lage der Klebstoffschicht 32 wird deshalb exakt durch die unteren Enden 90 bzw. 90' der Anpreßteile 88, 88' definiert, was für eine präzise Messung sehr vorteilhaft ist. Die Stifte 76 gewährleisten eine gleichmäßige Verschiebung der Anpreßplatte 78. Mit Vorteil werden die Anpreßteile 88, 88' auswechselbar an den Trägern 87 bzw. 87' befestigt, da sie häufig gereinigt werden müssen und daher einem stärkeren Verschleiß unterliegen.

Die Fig. 8 und 9 zeigen schematisch, wie der Teststreifen 30 am Spannbügel 62 befestigt wird. Dieser hat an seinem in Fig. 8 linken Endbereich einen festen Anschlag 94, der im geschlossenen Zustand (Fig. 9) direkt neben dem linken Ende 78' der Anpreßplatte 78 liegt. Ferner hat er in seinem rechten Endbereich eine federnd gelagerte Anpreßrolle 96, die im geschlossenen Zustand direkt neben dem rechten Ende 78" der Anpreßplatte 78 liegt, vgl. Fig. 9. Die Lagerung der Rolle 96 befindet sich an der Unterseite einer flachen Platte 98, die mit dem Spannbügel 62 fest verbunden ist, und deren Oberseite, wie in Fig. 9 dargestellt, im geschlossenen Zustand in exakt derselben Ebene liegt wie die Unterseiten 90, 90' der Anpreßteile 88, 88' und damit die Klebstoffschicht 32 des Teststreifens 30. Die Platte 98 bildet deshalb eine definierte, klebstofffreie Anlauffläche oder -strecke für den zylindrischen Rollkörper 82, und diese Anlauffläche 98 wird erst beim Zuklappen des Geräts in ihre Betriebsstellung gebracht, wie in Fig. 9 dargestellt.

Befestigung des Teststreifens 30

Wie Fig. 8 zeigt, wird der Teststreifen 30 mit seinem linken Ende auf den festen Anschlag 94 geklebt, und mit seinem rechten Ende auf die Rolle 96. Dann wird gemäß Fig. 9 der Spannbügel 62 zugeklappt und mit dem Spannrahmen 50 verrastet.

Dabei wird, wie dargestellt, zuerst das linke Ende des Teststreifens 30 zwischen dem Anschlag 94 und dem linken Ende 78' der Anpreßplatte 78 eingeklemmt, und anschließend wird durch die Rolle 96 das rechte Ende des Teststreifens 30 über das rechte Ende 78" der Anpreßplatte 78 gezogen, so daß der Teststreifen 30 völlig plan und glattgezogen auf der Anpreßplatte 78 liegt, wie in Fig. 9 dargestellt, wobei durch die Unterseiten 90, 90' der Anpreßteile 88, 88' seine gewünschte exakte Höhenlage definiert wird, wie bereits beschrieben.

Am rechten Ende des Geräts befindet sich eine Haltevorrichtung 100 für den zylindrischen Rollkörper 82. Diese hält den zylindrischen Rollkörper 82 vor der Messung fest und gibt ihn bei der Messung frei, so daß er sich - ausschließlich unter der Wirkung der Schwerkraft - durch Abrollen auf der schiefen Ebene beschleunigt, wie nachfolgend bei Fig. 12 beschrieben.

Dazu hat die Vorrichtung 100 eine flache Anlage 102, z. B. aus einem Kunststoff, gegen die der zylindrische Rollkörper 82 mit einer Seitenfläche 82' anliegt. Im arretierten Zustand preßt eine Spannbacke 104 gegen seine andere Seitenfläche 82". Die Spannbacke 104 ist mit dem Anker 106 eines Elektromagneten 108 verbunden, welcher Anker bei Bestromung entgegen der Kraft einer Druckfeder 110 angezogen wird und dadurch den zylindrischen Rollkörper 82 festklemmt, und zwar in einer Richtung senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung 112. Der zylindrische Rollkörper 82 wird bei richtigem Einsetzen in die Haltevorrichtung 100 automatisch festgeklemmt durch Betätigen eines (nicht dargestellten) berührungslosen Endschalters.

Die Messung

Bei einer Messung wird der Elektromagnet 108 stromlos gemacht, so daß die Feder 110 die Spannbacke 104 von der Seitenfläche 82" wegbewegt und der zylindrische Rollkörper 82 freigegeben wird. Durch Einwirkung der Schwerkraft kann sich der zylindrische Rollkörper 82 nun, ausgehend von der Anfangsgeschwindigkeit Null, in Richtung des Pfeils 112 bewegen, wie in Fig. 11 angedeutet.

Alternativ kann der zylindrische Rollkörper 82 z. B. durch Vakuum (in einer Kammer 114) festgehalten werden. Wird dieses Vakuum abgeschaltet, so wird der zylindrische Rollkörper 82 aus der Haltevorrichtung 100 freigegeben.

Fig. 12 zeigt den Ablauf einer Messung. Der zylindrische Rollkörper 82 befindet sich zunächst in seiner Startstellung A, nämlich in der Haltevorrichtung 100. Dort wird er durch Betätigen eines Schalters 120 (Fig. 13) freigegeben, beschleunigt sich durch die Einwirkung der Schwerkraft im Verlauf einer Anlaufstrecke 118 (Fig. 12) auf der flachen Platte 98, und gelangt in die Stellung B, wo er die erste Lichtschranke 120 unterbricht, deren Elemente 84 und 86 in Fig. 5 und 13 dargestellt sind. Dadurch wird gemäß Fig. 13 die Messung im Meßgerät 60 gestartet. In der Stellung B befindet sich der zylindrische Rollkörper 82 bereits auf dem rechten Anfang der Klebstoffschicht 32 des Teststreifens 30, wird also etwa ab der Stellung B von dieser Schicht 32 abgebremst.

Der zylindrische Rollkörper 82 rollt nun weiter auf der Klebstoffschicht 32 und gelangt, nach Durchlaufen einer Meßstrecke 122 von z. B. 120 mm, in einer Stellung C zu einer zweiten Lichtschranke 124, die identisch aufgebaut ist wie die Lichtschranke 120, unterbricht diese, und stoppt dadurch die Messung im Meßgerät 60, wodurch man dort den Meßwert von z. B. 123,4 ms erhält, der im Meßgerät 60 gespeichert wird, um anschließend statistisch ausgewertet zu werden.

Da die Anpreßplatte 78 mit einer Länge von z. B. 140 mm länger ist als die Meßstrecke 122, rollt der zylindrische Rollkörper 82 über den Rest des Teststreifens 30 und eine Auslaufstrecke 130 weiter in eine Stellung D, wo er von einer Vorrichtung 132 abgebremst und weich aufgefangen wird, z. B. in einer Moosgummipolsterung.

Fig. 15 zeigt ein typisches Meßprotokoll mit zehn Messungen an zehn Teststreifen. Bei 138 ist der Winkel der schiefen Ebene angegeben, bei dem gemessen wurde. Es folgen die zehn Meßwerte 140. Bei 142 werden Minimum und Maximum protokolliert, bei 144 die Spannweite dazwischen, und bei 146 der Mittelwert, sowie die Standardabweichung s nach zwei Methoden.

Die Messungen sind sehr gut reproduzierbar. Hierfür ist es wichtig, daß der zylindrische Rollkörper vor jeder Messung auf seinem Umfang sorgfältig gereinigt wird, z. B. mit Waschbenzin.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind naturgemäß vielfache Abwandlungen und Variationen möglich.

Claims (16)

1. Verfahren zur Messung der Anfangshaftung (Tack) der Haftkleberschicht eines mit einem Haftkleber versehenen Substrats, mit folgenden Schritten:

• a) Eine Probe vorgegebener Größe dieses Substrats wird, mit der Haftkleberseite nach oben, auf einer schiefen Ebene befestigt;
• b) ein zylindrischer Rollkörper mit vorgegebenen Abmessungen und vorgegebenem Gewicht wird aus einer vorgegebenen Position oberhalb des Substrats durch Einwirkung der Schwerkraft über die schiefe Ebene und das darauf befestigte Substrat gerollt;
• c) die Zeit, die der Rollkörper für das Durchlaufen einer vorgegebenen, mindestens einen Teil der Probe einschließenden Meßstrecke benötigt, wird berührungslos gemessen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem eine Durchlaufzeit im Millisekundenbereich verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem mehrere Messungen durchgeführt werden, und der Mittelwert aus den gemessenen Durchlaufzeiten gebildet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Umfang des zylindrischen Rollkörpers größer gewählt wird als die Meßstrecke, auf der eine Messung der Durchlaufzeit vorgenommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem der zylindrische Rollkörper vor jeder Messung gereinigt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der zylindrische Rollkörper vor der Messung in einer vorgegebenen Ruhelage der schiefen Ebene festgehalten und bei der Einleitung der Messung aus dieser Ruhelage freigegeben wird, so daß er aus seiner Ruhelage durch Einwirkung der Schwerkraft beschleunigt wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Neigungswinkel der schiefen Ebene verstellbar ist und bevorzugt automatisch im Protokoll (Fig. 15) der Messung dokumentiert wird.

8. Vorrichtung zur Messung der Anfangshaftung (tack) der Haftkleberschicht eines mit einem Haftkleber versehenen Substrats an einer Probe, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
mit einer schiefen Ebene,
mit einer Spannvorrichtung (62, 96) zum Festspannen der Probe (30) auf der schiefen Ebene,
mit einem zylindrischen Rollkörper (82) mit vorgegebenen Abmessungen und vorgegebenem Gewicht,
und einer lösbaren Festhaltevorrichtung (104) zum Festhalten dieses Rollkörpers (82) an einer Stelle (A) oberhalb der Probe (30),
und mit einer berührungslosen Messvorrichtung (120, 124) zum Messen der Zeit, die der Rollkörper (82) bei seinem Abrollen auf der schiefen Ebene für das Durchlaufen einer vorgegebenen, mindestens einen Teil der Probe einschließenden Messstrecke (B-C) benötigt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher die Spannvorrichtung (96) dazu ausgebildet ist, die Probe (30) in Längsrichtung zu spannen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei welcher die Spannvorrichtung eine federnd gelagerte Rolle (96) aufweist, welche einen Endbereich der Probe (30) zwischen sich und einem benachbarten Teil (78) einklemmt und dabei spannt.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, bei welcher der Probe (30) eine federnd abgestützte Spannplatte (78) zugeordnet ist, welche die Probe (30) gegen einen Anschlag (90, 90') preßt.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, bei welcher ein zylindrischer Rollkörper (82) vorgesehen ist, bei dem die Länge des Umfangs (83) mindestens der Länge der Meßstrecke (122) entspricht, auf der die Durchlaufzeit des Rollkörpers (82) gemessen wird.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12, bei welcher zum Messen der Durchlaufzeit berührungslos arbeitende Sensoren (120, 124) für die Lage des zylindrischen Rollkörpers (82) vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Sensoren als Lichtschranken (120, 124) ausgebildet sind.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 14, bei welcher auf der schiefen Ebene eine der Probe (30) vorgeschaltete Anlaufstrecke (98) vorgesehen ist, welche eine Beschleunigung des zylindrischen Rollkörpers (82) vor Beginn der Messung der Durchlaufzeit ermöglicht.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei welcher die Ebene der Anlaufstrecke (98) mindestens nahezu mit der Ebene der Probe (30) übereinstimmt.