Abperlverhalten: Kontaktwinkel, Beading und Aussagekraft

Das Abperlverhalten beschreibt, wie sich Wasser auf einer Fahrzeugoberfläche anordnet und wie leicht es die Fläche wieder verlässt. Maßgeblich dafür ist der Kontaktwinkel zwischen Tropfen und Untergrund, also der Winkel, den die Tropfenoberfläche am Rand mit der Fläche einschließt.

Ein großer Kontaktwinkel bedeutet schlechte Benetzung. Das Wasser zieht sich zu hohen, rundlichen Tropfen zusammen, und die Fläche gilt als hydrophob. Bei einem kleinen Kontaktwinkel benetzt das Wasser die Fläche gut, läuft flach aus und bildet einen zusammenhängenden Film.

In der Fahrzeugpflege heißt das Tropfenbild Beading. Es ist an Lack, Glas und Felgen gut zu beobachten und verändert sich mit der aufgetragenen Schutzschicht, mit dem Reinigungszustand und mit dem Alter der Fläche. Über die Schutzwirkung einer Versiegelung gibt es nur begrenzt Auskunft.

Was das Abperlverhalten beschreibt

Gemeint ist das Verhalten von flüssigem Wasser auf einer festen Fläche unter dem Einfluss der Schwerkraft. Zwei Beobachtungen stecken darin: die Form, die das Wasser annimmt, und die Leichtigkeit, mit der es die Fläche verlässt. Beide Größen haben verschiedene physikalische Ursachen und werden im Alltag oft gleich behandelt.

Am Fahrzeug fällt das Tropfenbild auf Lack am deutlichsten auf, weil dort große, glatte und häufig dunkle Flächen zusammenhängen. An Glas, an Felgen und an lackierten Anbauteilen gilt derselbe Zusammenhang, nur mit anderen Ausgangswerten der Oberfläche.

Der Kontaktwinkel als Maßgröße

Liegt ein Wassertropfen auf einer Fläche, bildet sich an seinem Rand eine Dreiphasenlinie, an der Wasser, Fläche und Luft zusammentreffen. Der Winkel, den die Tropfenoberfläche dort mit der Fläche einschließt, ist der Kontaktwinkel. Gemessen wird er innerhalb des Tropfens.

Üblich ist die Einteilung bei 90 Grad. Darunter gilt eine Fläche als hydrophil: Das Wasser breitet sich aus, der Tropfen wird flach, und benachbarte Tropfen fließen zu einem Film zusammen. Oberhalb von 90 Grad gilt die Fläche als hydrophob, das Wasser zieht sich zu einer Kugelkappe mit kleiner Auflagefläche zusammen. Die gezielte Absenkung der Oberflächenenergie heißt Hydrophobierung. Auf einer glatten Fläche stößt sie bei etwa 120 Grad an ihre Grenze, und der energiearme Werkstoff PTFE liegt mit rund 110 bis 120 Grad genau dort. Superhydrophobie, also Werte oberhalb von etwa 150 Grad bei kleiner Hysterese, entsteht erst aus der Chemie zusammen mit einer mikro- oder nanostrukturierten Topografie.

Im Labor wird der Winkel am ruhenden Tropfen auf einer waagerechten Probe optisch ausgemessen. Am Fahrzeug fehlt diese Möglichkeit, und beurteilt wird das Bild vieler Tropfen auf gewölbten, geneigten Flächen. Die Beobachtung bleibt damit qualitativ, und sie trägt nur im Vergleich mit einer früheren Beobachtung an derselben Stelle.

Benetzung und Oberflächenenergie

Hinter dem Winkel steht ein Kräftegleichgewicht an der Dreiphasenlinie, das die Young-Gleichung beschreibt. Darin stehen die Grenzflächenspannung zwischen Festkörper und Luft, die zwischen Festkörper und Wasser sowie die zwischen Wasser und Luft. Je niedriger die Oberflächenenergie des Festkörpers ausfällt, desto größer wird der Kontaktwinkel.

Wasser besitzt bei 20 Grad eine Oberflächenspannung von rund 72 Millinewton je Meter und liegt damit hoch unter den gängigen Flüssigkeiten. Auf einer energiearmen Fläche aus Wachs oder aus einer siliziumorganischen Schicht findet es wenig Anlass, sich auszubreiten. Ein gereinigter und entfetteter Klarlack ohne Schutzschicht liegt energetisch höher und wird deshalb gut benetzt.

Rauheit und eingeschlossene Luft

Neben der Chemie wirkt die Feinstruktur der Fläche. Eine raue, gut benetzbare Fläche vergrößert die tatsächliche Kontaktfläche und verstärkt damit die Benetzung. Ist dieselbe Rauheit schlecht benetzbar, hält sie Luft in ihren Vertiefungen fest, der Tropfen ruht dann teilweise auf Luftpolstern, und der messbare Winkel steigt über den Wert der glatten Fläche. Die Fachbegriffe für diese beiden Zustände sind Wenzel-Zustand und Cassie-Baxter-Zustand, der zweite liegt dem Lotuseffekt zugrunde.

Am Fahrzeug bleibt diese Mikrorauheit begrenzt, weil Klarlack und Versiegelung glatt ausgeführt werden. Spuren einer Politur, Ätzungen und eingetrocknete Kalkränder verändern sie trotzdem messbar und damit auch das Tropfenbild.

Beading und Sheeting

Zwei Zustände gelten in der Fahrzeugpflege als erwünscht, und sie entstehen auf gegenläufigen Wegen.

Beide Zustände verkürzen die Zeit, in der Wasser auf der Fläche steht. Ihre Voraussetzungen widersprechen sich, weshalb eine Fläche den einen oder den anderen Weg geht. Wer ein Produkt nach dem Tropfenbild beurteilt, legt damit stillschweigend den hydrophoben Weg als Maßstab fest.

Kontaktwinkelhysterese und Abrollwinkel

Ein großer Kontaktwinkel allein bringt einen Tropfen noch nicht in Bewegung. Entscheidend für das Abrollen ist die Differenz zwischen dem vorrückenden und dem zurückweichenden Kontaktwinkel, die Kontaktwinkelhysterese. Sie beschreibt, wie stark die Dreiphasenlinie an der Fläche haftet.

Fällt die Hysterese klein aus, genügt eine geringe Neigung, damit der Tropfen losreißt. Dieser Grenzwinkel heißt Abrollwinkel. Bei großer Hysterese bleibt ein hoher, rund geformter Tropfen auch auf einer schrägen Fläche haften, obwohl das Bild nach kräftigem Abperlen aussieht. Chemische Uneinheitlichkeit der Schicht und eine grobe Rauheit treiben die Hysterese nach oben.

Für die Beurteilung einer Fläche folgt daraus eine zweite Beobachtung neben der Tropfenform: die Neigung, ab der die Tropfen in Bewegung kommen. Erst beide Angaben zusammen beschreiben, wie schnell eine Fläche trocken wird.

Schichten, die das Abperlen prägen

Drei Gruppen von Schutzschichten sind am Fahrzeug verbreitet. Sie unterscheiden sich in der Chemie ihrer Oberfläche und in der Dauer, über die das Tropfenbild erhalten bleibt.

Wachs

Naturwachse und synthetische Wachse legen eine energiearme Schicht aus langkettigen Estern und Kohlenwasserstoffen auf den Klarlack. Ihr Tropfenbild ist vom ersten Wasserkontakt an deutlich. Wärme, alkalische Reiniger und die Mechanik der Wäsche bauen die Schicht wieder ab, weshalb die Wirkdauer überschaubar bleibt. Auftrag und Standzeit behandelt der Beitrag zur Wachsversiegelung.

Polymer- und Sprühversiegelung

Synthetische Polymere binden auf dem Klarlack und bilden einen dünnen Film mit niedriger Oberflächenenergie. Als Sprühprodukt lassen sie sich zügig auftragen und halten das Tropfenbild zwischen zwei größeren Arbeiten aufrecht. Dasselbe gilt für Detailer, die nach der Wäsche aufgebracht werden und die äußerste Lage auffrischen. Die mechanische Festigkeit dieser Filme bleibt gering.

Keramik-Coating

Siliziumorganische Systeme vernetzen beim Aushärten zu einer harten, dicht geschlossenen Schicht. Sie halten Reinigern und chemischer Belastung länger stand und zeigen anfangs hohe Kontaktwinkel. Mit der Zeit lagern sich Straßenfilm und Kalk auf der Schicht ab, und das Tropfenbild schwächt sich ab, obwohl die Schicht selbst vorhanden bleibt. Vorbereitung, Auftrag und Aushärtung beschreibt der Beitrag zur Keramikversiegelung.

Warum das Tropfenbild den Schutz nicht belegt

Eine Schutzschicht am Fahrzeug erfüllt mehrere Aufgaben. Dazu zählen die Beständigkeit gegen alkalische und saure Reiniger, die Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb bei der Wäsche, die Stabilität unter UV-Strahlung und eine Barriere gegen Ätzungen aus Vogelkot und Baumharz. Von diesen Eigenschaften zeigt das Abperlbild eine einzige, die Benetzbarkeit der äußersten Moleküllage.

Diese Lage ist dünn und leicht zu verändern. Ein Rückstand aus Tensiden, ein Film aus Straßenschmutz oder eine Lage Kalk verschiebt die Benetzbarkeit, ohne die darunterliegende Schicht anzutasten. Umgekehrt kann eine stark beanspruchte Schicht weiterhin kräftig perlen, während ihre Dicke und ihre Barrierewirkung schon abgenommen haben.

Aus einem schwächer werdenden Tropfenbild folgt daher kein Zahlenwert für die verbleibende Schutzwirkung. Es ist ein Anlass, die Fläche gründlich zu reinigen und danach erneut zu beurteilen.

Was das Bild verfälscht

Vier Störgrößen begleiten jede Beobachtung am Fahrzeug und verschieben das Ergebnis, bevor die Schutzschicht überhaupt zur Sprache kommt.

• Verschmutzung: Staub, Straßenfilm und Pollen heben die Oberflächenenergie der Fläche an. Das Wasser benetzt besser, und die Tropfen fallen flacher aus.
• Tensidreste: Shampoo, das beim Abspülen zurückbleibt, senkt die Oberflächenspannung des Wassers. Flache Tropfen täuschen dann eine erschöpfte Schicht vor.
• Wassermenge und Strahlführung: Ein kräftiger Strahl schwemmt Tropfen zusammen, ein feiner Nebel legt kleine, einzelne Tropfen ab. Dasselbe Produkt liefert so zwei verschiedene Bilder.
• Neigung und Wölbung: Auf dem Dach und auf den waagerechten Teilen der Motorhaube bleiben Tropfen stehen, an Türen und Kotflügeln laufen sie ab.

Das Abperlbild vergleichbar prüfen

Ein Vergleich über mehrere Wochen taugt nur, wenn die Bedingungen gleich bleiben. Fünf Schritte halten sie fest, und ihre Reihenfolge ist dabei zwingend.

1. Eine Prüffläche festlegen und notieren, etwa ein Feld auf der Fahrertür in Höhe des Türgriffs.
2. Die Fläche waschen und mit klarem Wasser so lange nachspülen, bis keine Shampooreste zurückbleiben.
3. Nach dem Spülen abtrocknen, damit der Ausgangszustand bei jeder Prüfung derselbe ist.
4. Wasser aus derselben Quelle in gleicher Menge aufbringen, am einfachsten mit einer Sprühflasche bei gleicher Düseneinstellung.
5. Tropfenform, Tropfengröße und die Neigung, ab der die Tropfen abrollen, fotografieren und mit der letzten Aufnahme vergleichen.

Wasserflecken trotz starkem Abperlen

Ein hoher Kontaktwinkel verhindert Rückstände beim Trocknen nicht. Jeder Tropfen, der auf der Fläche verdunstet, lässt die gelösten Calcium- und Magnesiumverbindungen zurück. Weil ein abperlender Tropfen eine kleine Auflagefläche hat, sammelt sich diese Fracht auf wenigen Quadratmillimetern und zeichnet einen scharf begrenzten Rand.

Auf einer hydrophilen Fläche verteilt sich dieselbe Menge über einen größeren Bereich und fällt schwächer ins Auge. Ein kräftiges Tropfenbild begünstigt damit deutlich sichtbare Ränder, besonders auf dunklem Lack in der Sonne. Nach der Wäsche wird die Fläche deshalb abgetrocknet. Wie sich eingetrocknete und eingebrannte Ränder behandeln lassen, steht im Beitrag zu Wasserflecken.

Abperlen an Glas und an Felgen

Glas besitzt eine hohe Oberflächenenergie und wird von Wasser gut benetzt. Unbehandelt bildet es daher einen Film, der bei Regen als geschlossene Schicht über die Scheibe wandert. Eine hydrophobe Glasversiegelung kehrt das um und führt zu einem ausgeprägten Tropfenbild.

An Felgen kommen zwei Besonderheiten hinzu. Die Flächen stehen senkrecht oder stark geneigt, und sie tragen heißen Bremsstaub, dessen Eisenpartikel sich in einem Wasserfilm festsetzen. Eine Felgenversiegelung senkt die Oberflächenenergie und erschwert das Anhaften, womit die Reinigung leichter fällt. Ersetzen kann sie die Reinigung nicht.

Fehldeutungen des Tropfenbildes

Am Tropfenbild lassen sich einige Schlüsse ziehen, andere liegen daneben. Vier Annahmen führen dabei regelmäßig in die Irre.

• Hohe Tropfen bedeuten hohen Schutz: Die Tropfenform beschreibt die Benetzbarkeit der äußersten Lage. Abriebfestigkeit und chemische Beständigkeit bleiben dabei unsichtbar.
• Schwaches Perlen bedeutet abgebaute Schicht: Häufig liegt ein Film aus Straßenschmutz oder Pflegerückständen darüber, der sich mit einer gründlichen Wäsche abtragen lässt.
• Glanz bedeutet Wasserabweisung: Glanz entsteht durch gerichtete Reflexion an einer ebenen Fläche. Eine ebene Fläche kann gut benetzbar sein.
• Perlen bedeutet fleckenfrei: Gerade kompakte Tropfen konzentrieren die gelösten Mineralien auf kleiner Fläche und hinterlassen damit auffällige Ränder.

Einordnung für die Praxis

Als Beobachtungsgröße hat das Abperlverhalten seinen Platz. Es zeigt schnell und ohne Hilfsmittel, ob sich die äußerste Lage einer Fläche verändert hat, und es weist auf Partien hin, die eine Auffrischung brauchen. Diese Aussage ist eng begrenzt und bezieht sich auf die Benetzbarkeit.

Für die Beurteilung einer Schutzschicht kommen weitere Beobachtungen hinzu. Dazu gehören das Verhalten der Fläche gegenüber Reinigern, die Zahl der Wäschen seit dem Auftrag, der Zustand des Klarlacks im Streiflicht und die Frage, ob Ätzungen aus Vogelkot oder Baumharz Spuren hinterlassen haben. Das Tropfenbild ergänzt diese Punkte. An ihre Stelle tritt es zu keinem Zeitpunkt.

Wer eine Fläche über längere Zeit begleitet, gewinnt dem Abperlbild trotzdem brauchbare Hinweise ab. Eine Prüfstelle, gleiche Bedingungen und ein Foto bei jedem Termin machen aus einem Eindruck eine nachvollziehbare Reihe. Den Hinweis gibt dann die Richtung, in die sich das Bild über mehrere Wochen bewegt.

Häufige Fragen zum Abperlverhalten