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Bodo Müller | Ulrich Poth Lackformulierung und Lackrezeptur Farbe und Lack Edition eBook

Bodo Mül ler | Ulrich Poth€¦ · Bodo Mül ler | Ulrich Poth Lack formulierung nd u ezLaceptr kur Farbe und Lack Edition ISBN 3-86630-853-1 ISBN 978-3-86630-853-4 Ulrich Poth •

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Bodo Müller | Ulrich Poth

Lackformulierung und Lackrezeptur

Farbe und Lack Edition

ISBN 3-86630-853-1ISBN 978-3-86630-853-4

Ulrich Poth • Autom

otive Coatings Formulation

Bodo M

üller | Ulrich Poth • Lackform

ulierung und Lackrezeptur

Prof. Dr. rer. nat. Bodo Müller, geb. 1954, war zuerst in der Industrie mit der Entwicklung von wässrigen Metalliclacken und später von Kleb- und Dichtstoffen beauftragt. Seit 1990 ist er Professor mit den Lehrgebieten Lacktechnologie sowie Kleb- und Dicht-stoffe, seit 1996 an der Fachhochschule Esslingen – Hochschule für Technik.

Zur Zeit leitet er dort den Studiengang Chemieingenieurwesen/Farbe-Lack-Umwelt. Er hat über 100 Publikationen veröffentlicht.

Dipl.-Ing. Ulrich Poth, geb. 1941, entwi ckelte nach der Ausbildung bei Herberts Bindemittel für Elektro-isolier- und Pulver lacke. Seit dem Studi-um an der Fachhoch schule Niederrhein arbeitete er für die BASF Coatings AG, hauptsächlich in der Entwicklung von Bindemitteln. Zuletzt war er verantwortlich für OEM-Klarlacke.

Zahl reiche Veröffentlichungen und Patente.

Dr. Jochen Winkler, Hemmelrath Lackfabrik GmbH, Klingenberg„Die Formulierung von Lacken und Farben ist zu etwa gleichen Teilen ein Handwerk, eine Wissenschaft und, letztlich, eine Kunst. Damit der künstlerische Aspekt zum Tragen kommen kann, ist eine solide Wissensbasis erforderlich. Das vor- liegende Buch „Lackformulierung und Lackrezeptur“ von Bodo Müller und Ulrich Poth vermittelt auf anschauliche Weise die handwerklichen und wissenschaftlichen Grundlagen, um mit Strategie praxisgerechte Formulierungen zu entwickeln. Dabei werden sowohl die physikalischen, wie die chemischen Aspekte in leicht verständlicher und übersichtlicher Weise behandelt. Jedes Kapitel schließt mit einer Auflistung weiterführender Lite-ratur. Ein detailliertes Stichwortverzeichnis ermöglicht schließ-lich die zielgerichtete Suche nach speziellen Aspekten der Lackformulierung. Dabei handelt es sich um ein Standardwerk, welches sowohl dem Neueinsteiger, wie auch den routinierten Lackformulierer wertvolle Dienste leistet.“

eBook

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Vincentz Network GmbH & Co KG

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Bodo Müller/Ulrich Poth

Lackformulierung und

Lackrezeptur

Das Lehrbuch für Ausbildung und Praxis

3. überarbeitete Auflage

Bodo Müller/Ulrich Poth: Lackformulierung und Lackrezeptur© Copyright 2009 by Vincentz Network, Hannover, GermanyISBN: 978-3-86630-813-8

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Umschlagbild: Dr. Ivona Löhrke

Müller, Bodo und Poth, Ulrich: Lackformulierung und Lackrezeptur: Das Lehrbuch für Ausbildung und Praxis Hannover: Vincentz Network 2009 (Farbe und Lack Edition)ISBN 3-86630-813-2 ISBN 978-3-86630-813-8

© 2009 Vincentz Network GmbH & Co. KG, Hannover Vincentz Network, P.O. Box 6247, 30062 Hannover, Germany

Das Werk einschließlich seiner Einzelbeiträge und Abbildungen ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urhebergesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

Das Verlagsverzeichnis schickt Ihnen gern: Vincentz Network, Plathnerstr. 4c, 30175 Hannover, Germany Tel. +49 511 9910-033; Fax +49 511 9910-029 E-mail: [email protected], www.farbeundlack.de

Satz: Vincentz Network GmbH und Co. KG, Hannover Druck: Quensen Druck + Verlag GmbH & Co. KG, Lamspringe, Germany

ISBN 3-86630-813-2 ISBN 978-3-86630-813-8

Bibliografische Information Der Deutschen BibliothekDie Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.

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Farbe und Lack Edition

Lackformulierung und

Lackrezeptur

Bodo Müller/Ulrich Poth

Das Lehrbuch für Ausbildung und Praxis

3. überarbeitete Auflage

Bodo Müller/Ulrich Poth: Lackformulierung und Lackrezeptur© Copyright 2009 by Vincentz Network, Hannover, GermanyISBN: 978-3-86630-813-8

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Auf ein Wort

Vom Erfolg der ersten und zweiten Auflage waren die Autoren nicht überrascht, da es bisher am Markt kein vergleichbares Fachbuch gab, das Rezepturen und For-mulierungen ausführlich erklärt. Richtrezepturen gibt es zwar viele, aber was fehlt, ist eine didaktisch sinnvolle und sachkundige Auswahl, Kommentierung bzw. Wer-tung. Die Autoren haben sich deshalb gerne in die Pflicht nehmen lassen, die zweite Auflage zu überarbeiten und

weiter zu aktualisieren. Dabei wurden einzelne veraltete Richtrezepturen durch neue ersetzt, Druck-fehler beseitigt, einige neue Abbildungen eingefügt. An einzelnen Stellen wurden auch inhaltliche Überarbeitungen vorgenommen.Die Rezeptentwicklung von Lacken (Lackformulierung) ist ein wichtiger Bestandteil der Lack-technologie. Leider wird nur wenig darüber berichtet, weil Rezepturen zu den wohl behüteten Geheimnissen der Lackindustrie gehören. Die Richtrezepturen der Lackrohstoffherstel ler sind zwar verfügbar, können aber ohne sorgfältige Auswahl und Aufbe reitung nicht für ein Lehrbuch verwendet werden.

In diesem Buch soll die Lackformulierung in einzelnen Schritten vermittelt werden: In jedem Abschnitt wird zuerst die stoffliche Zusammensetzung und insbesondere die Bindemittelbasis des jeweiligen Lacktyps beschrieben. Danach werden Formulierungshinweise gegeben und beste-hende Rezepte (z.B. Richtrezeptu ren) analysiert. Diese Analyse besteht in einer lehrbuchmäßigen Berechnung von wichtigen Lackkenngrößen wie der Pigmentierungshöhe, der Pigmentvolumen-konzentration und ggf. der Härterzusatzmenge. Zum Schluss wird bei den wichtigsten Lacktypen die Rezeptent wicklung anhand von konkreten Aufgabenstellungen und deren Lösung erklärt. Alle Berechnungen im Zusammenhang mit Rezepturen werden Schritt für Schritt durchgeführt, damit auch ein Anfänger sie nachvollziehen kann. Die so erworbenen Fertigkeiten im Umgang mit Rezepturen können auch auf andere Anwen dungen wie z.B. Kleb- und Dichtstoffe übertragen wer-den. Im Mittelpunkt des Buches steht die Lackformulierung und der Weg zum Rezept (vgl. Laotse: „Der Weg ist das Ziel.“).

Aus der Vielzahl der bestehenden Lack- und Beschichtungssysteme musste eine Auswahl getroffen werden, die sich auf die wichtigsten Typen beschränkt. Die im Buch verwendeten Rezepturen sind häufig aus Richtrezepten oder Patentbeispielen entwickelt worden und sind nicht als sofort pro-duktionsfähige Lackrezepte zu verstehen. Auf patentrechtliche Einschränkungen und eingetragene Warenzeichen (z.B. ™ oder ®) wird nicht ausdrücklich hingewiesen. Darüber hinaus muss darauf hingewiesen werden, dass sich heutzutage durch Firmenverkäufe Produkt- und Markennamen kurzfristig ändern können.

Ziel des vorliegenden Lehrbuchs über Lackformulierung ist es, zukünftige Lacklaboranten oder Ingenieure, Bachelors oder Master mit der Praxis der Lackformulierung vertraut zu machen. Dabei werden die Grundlagen der Chemie sowie ein Basiswissen über Bindemittel, Pigmente und Additive vorausgesetzt. Darüber hinaus soll es auch als Nachschla gewerk für alle an Lacken und Beschich-tungen interessierte Leser dienen.

Esslingen und Münster, im Dezember 2008

Bodo Müller Ulrich Poth [email protected] [email protected]

Bodo Müller/Ulrich Poth: Lackformulierung und Lackrezeptur© Copyright 2009 by Vincentz Network, Hannover, GermanyISBN: 978-3-86630-813-8

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Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

Teil I Grundsätzliches .................................................................................................. 15

1 Einführung ............................................................................................................ 15

1.1 Vorbemerkungen ...................................................................................................... 151.2 Gesichtspunkte des Umweltschutzes .................................................................. 151.3 Lacke als „High-Tech“-Produkte ........................................................................... 171.4 Begriffsbestimmungen ............................................................................................ 181.5 Beschichtungen ........................................................................................................ 191.5.1 Verfestigung von Lacken ........................................................................................ 191.5.2 Phasengrenzflächen in Beschichtungen ............................................................. 231.6 Adhäsion/Haftung ................................................................................................... 241.6.1 Benetzung von Substraten ..................................................................................... 241.6.2 Haftkräfte und -mechanismen ............................................................................... 291.6.3 Haftvermittler/Haftschichten ................................................................................ 331.6.3.1 Silanhaftvermittler ................................................................................................... 331.6.3.2 Dünne Polymerhaftschichten ................................................................................ 351.6.4 Korrosionsinhibitoren, Korrosionsschutzpigmente und -additive ................ 37

2 Pigmentdispersionen ...................................................................................... 40

2.1 Grundsätzliche Betrachtung von dispersen Systemen .................................... 402.2 Stabilisierung von Dispersionen ........................................................................... 442.2.1 Elektrostatische Stabilisierung ............................................................................. 452.2.2 Sterische Stabilisierung .......................................................................................... 472.3 Netz- und Dispergiermittel .................................................................................... 482.3.1 Dispergiermittel ....................................................................................................... 492.3.2 Netzmittel ................................................................................................................. 522.4 Benetzung von Pigmenten ..................................................................................... 56

3 Lackrezepturformulierung ............................................................................. 60

3.1 Verhältnis Bindemittel/Feststoffe ........................................................................ 613.1.1 Pigmentierungshöhe und Pigment-Volumen-Konzentration .......................... 613.1.2 Ölzahl .......................................................................................................................... 633.2 Einfluss von Pigmenten auf Lackeigenschaften ................................................ 643.3 Rezepturentwicklung .............................................................................................. 663.4 Anstrichaufbau ......................................................................................................... 68

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9Inhaltsverzeichnis

Teil II Lösemittelhaltige Lacke ................................................................................... 71

1 Bei Raumtemperatur filmbildende Lacke ................................................. 73

1.1 Physikalisch trocknende Lacke ............................................................................. 731.1.1 Lacke auf Basis von Cellulosenitrat ..................................................................... 741.1.1.1 Aufbau und Eigenschaften von Cellulosenitrat ................................................. 741.1.1.2 Kombinationspartner für Cellulosenitrat ............................................................ 761.1.1.3 Anwendungen von Cellulosenitrat ....................................................................... 771.1.2 Lacke auf Basis physikalisch trocknender Acrylatharze................................. 791.1.3 Lacke auf Basis von Kautschukderivaten ........................................................... 801.1.3.1 Aufbau und Eigenschaften von Kautschukderivaten ....................................... 801.1.3.2 Anwendung von Kautschukderivaten ................................................................. 811.2 Oxidativ härtende Lacke ......................................................................................... 831.2.1 Oxidative Härtung .................................................................................................... 831.2.2 Bindemittel für oxidativ härtende Lacke ............................................................. 851.2.3 Sikkative und Hautverhinderungsmittel ............................................................ 871.2.4 Öllacke ........................................................................................................................ 881.2.5 Alkydharzlacke ......................................................................................................... 891.2.6 Epoxidharzesterlacke .............................................................................................. 941.3 Zwei-Komponenten-Systeme (2K) ........................................................................ 961.3.1 2K-Polyurethan-Lacke (2K-PUR) .......................................................................... 961.3.1.1 Isocyanatreaktion ..................................................................................................... 961.3.1.2 Isocyanatvernetzer (Härter für 2K-PUR-Lacke) ................................................ 971.3.1.3 OH-Gruppen-haltige Bindemittel für 2K-PUR-Lacke ....................................... 1021.3.1.4 Katalysatoren und Beschleuniger für 2K-PUR-Lacke ...................................... 1041.3.1.5 Rezepturentwicklung für 2K-PUR-Lacke ............................................................ 1041.3.2 2K-Epoxidharz-Lacke (2K-EP) ............................................................................... 1091.3.2.1 Stammlacke: Epoxidharze ...................................................................................... 1091.3.2.2 Härter: Polyamine und Derivate ........................................................................... 1111.3.2.3 Rezepturentwicklung für 2K-EP-Lacke ............................................................... 116

2 Einbrennlacke ....................................................................................................... 122

2.1 Definitionen ............................................................................................................... 1222.2 Einbrennlacke auf Basis von Aminoharzen ........................................................ 1222.2.1 Aufbau von Aminoharzen ....................................................................................... 1222.2.2 Typen und Eigenschaften von Aminoharzen ..................................................... 1242.2.3 Kombinationspartner für Aminoharze................................................................. 1282.2.3.1 Alkydharze ................................................................................................................. 1282.2.3.2 Gesättigte Polyester ................................................................................................. 1292.2.3.3 Acrylatharze .............................................................................................................. 1302.2.3.4 Vergleich von Alkydharzen, Polyestern, Acrylatharzen in Einbrennlacken 1312.2.4 Vernetzungsreaktionen ........................................................................................... 1312.2.5 Katalyse der Vernetzungsreaktionen ................................................................... 1342.2.6 Formulierung von Einbrennlacken auf Basis von Aminoharzen ................... 1362.3 Einbrennlacke auf Basis von Phenolharzen (Resole) ....................................... 1422.4 Einbrennlacke auf Basis verkappter Polyisocyanate ....................................... 1442.4.1 Aufbau und Eigenschaften verkappter Polyisocyanate ................................... 1442.4.2 Kombinationspartner für verkappte Polyisocyanate ........................................ 1472.4.3 Vergleich verkappter Polyisocyanate mit Aminoharzen als Vernetzer ........ 148

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11Inhaltsverzeichnis

2.4.4 Formulierung von Einbrennlacken auf Basis verkappter Polyisocyanate ... 1492.5 Sonstige lösemittelhaltige Einbrennlacke .......................................................... 1522.5.1 Selbstvernetzende Acrylatharze ........................................................................... 1522.5.2 Selbstvernetzende Polyester ................................................................................. 1532.5.3 Reaktion von Epoxidgruppen mit Säurederivaten ............................................ 1532.5.4 Siloxane in Einbrennlacken ................................................................................... 1532.6 Überlackierechtheit ................................................................................................. 154

Teil III Wässrige Lacke .................................................................................................. 157

1 Wasserlöslichkeit bzw. -dispergierbarkeit von organischen Lackbindemitteln ............................................................................................... 159

1.1 Sonderstellung von Wasser als Lacklösemittel ................................................. 1591.2 Polymerverteilungen in Wasser ............................................................................ 1601.3 Bindemitteldispersionen und -emulsionen ........................................................ 1611.3.1 Primärdispersionen ................................................................................................. 1621.3.2 Bindemittelemulsionen ........................................................................................... 1651.3.3 Sekundärdispersionen ............................................................................................ 1651.3.3.1 Acrylat-Sekundärdispersionen .............................................................................. 1651.3.3.2 Polyurethan-Sekundärdispersionen ..................................................................... 1661.4 Wässrige Bindemittellösungen ............................................................................. 1681.4.1 Wasserlöslichkeit von Bindemitteln ..................................................................... 1681.4.2 Neutralisationsmittel ............................................................................................... 1691.4.3 Colösemittel ............................................................................................................... 170

2 Bei Raumtemperatur trocknende/härtende wässrige Lacke und Beschichtungen ................................................................................................... 173

2.1 Physikalisch trocknende Anstrichstoffe ............................................................. 1732.1.1 Filmbildung von Primärdispersionen .................................................................. 1742.1.2 Dispersionslacke ...................................................................................................... 1772.2 Fassadenbeschichtungen ....................................................................................... 1772.2.1 Dispersionsfarben .................................................................................................... 1782.2.2 Siliconharzfarben ..................................................................................................... 1802.2.3 Silicatfarben (2K) ..................................................................................................... 1822.2.4 Dispersionssilicatfarben (1K) ................................................................................ 184

3 Bei Raumtemperatur härtende wässrige Lacke ..................................... 187

3.1 Wässrige, oxidativ härtende Lacke ...................................................................... 1873.1.1 Wässrige Lacke auf Basis von Alkydharzen ...................................................... 1873.1.2 Hybrid-Systeme ........................................................................................................ 1903.2 Wässrige 2K-Systeme ............................................................................................. 1913.2.1 Wässrige 2K-Polyurethan-Lacke (2K-PUR) ........................................................ 1913.2.2 Wässrige 2K-Epoxidharz-Lacke ............................................................................ 196

4 Wässrige Einbrennlacke .................................................................................. 204

4.1 Allgemeines zur Formulierung wässriger Einbrennlacke .............................. 2044.2 Wässrige Einbrennlacke auf Basis von Aminoharzen ..................................... 2054.3 Wässrige Einbrennlacke auf Basis von Phenolharzen ..................................... 2144.4 Elektrophoretische Lackabscheidung .................................................................. 217

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4.4.1 Verfahren der elektrophoretischen Lackabscheidung ..................................... 2174.4.2 Anodische Elektrotauchlackierung (ATL) ........................................................... 2194.4.3 Kathodische Elektrotauchlackierung (KTL) ........................................................ 221

Teil IV Lösemittelfreie Lacke ........................................................................................ 229

1 Zwei-Komponenten-Systeme ......................................................................... 231

1.1 2K-Polyurethan-Beschichtungen .......................................................................... 2311.2 2K-Epoxidharz-Beschichtungen ............................................................................ 2331.3 Beschichtungen auf Basis ungesättigter Polyester ........................................... 235

2 Strahlenhärtende Beschichtungen .............................................................. 239

2.1 Definitionen der strahlenhärtenden Beschichtungen ...................................... 2392.2 UV-härtende Beschichtungen ............................................................................... 2392.2.1 Prinzipien der UV-Härtung .................................................................................... 2392.2.2 UV-Beschichtungsverfahren .................................................................................. 2402.2.3 UV-Initiatoren und Sensibilisatoren .................................................................... 2422.2.4 Bindemittel der UV-Lacke ...................................................................................... 2452.2.5 Reaktive Lösemittel für UV-Lacke ........................................................................ 2482.2.6 Eigenschaften und Anwendung von UV-Lacken ............................................... 2492.2.7 Formulierungsbeispiele .......................................................................................... 2502.3 Elektronenstrahlhärtung ........................................................................................ 252

3 Pulverlacke ....................................................................................................... 254

3.1 Entwicklung der Pulverlacke ................................................................................. 2543.2 Herstellung von Pulverlacken und allgemeine Eigenschaften ...................... 2543.3 Applikation von Pulverlacken ............................................................................... 2583.3.1 Wirbelsinterverfahren ............................................................................................. 2583.3.2 Elektrostatisches Spritzen ...................................................................................... 2583.4 Zusammensetzung und Eigenschaften von Pulverlacken .............................. 2593.4.1 Thermoplastische Pulverlacke .............................................................................. 2593.4.2 Vernetzende Pulverlacke ........................................................................................ 2603.4.2.1 Epoxidharz-Pulverlacke .......................................................................................... 2603.4.2.2 Epoxidharz/Polyester-Hybridsysteme................................................................. 2653.4.2.3 Polyester-Pulverlacke .............................................................................................. 2673.4.2.3.1 Carboxylgruppenhaltige Polyester ....................................................................... 2673.4.2.3.2 Hydroxylgruppenhaltige Polyester ...................................................................... 2703.4.2.4 Acrylatharz-Pulverlacke ......................................................................................... 2713.4.2.4.1 Aufbau und Herstellung von Acrylatharzen für Pulverlacke ......................... 2713.4.2.4.2 Epoxyacrylatharze.................................................................................................... 2723.4.2.4.3 COOH-Acrylatharze ................................................................................................. 2743.4.2.4.4 OH-Acrylatharze ....................................................................................................... 2743.4.3 Ausblick für Pulverlacksysteme ........................................................................... 274

Allgemeine Literaturempfehlungen ............................................................ 276

Stichwortverzeichnis ........................................................................................ 279

Inhaltsverzeichnis

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Teil I Grundsätzliches

1 Einführung .............................................................................................................. 15

1.1 Vorbemerkungen ........................................................................................................ 151.2 Gesichtspunkte des Umweltschutzes .................................................................... 151.3 Lacke als „High-Tech“-Produkte .............................................................................. 171.4 Begriffsbestimmungen .............................................................................................. 181.5 Beschichtungen ........................................................................................................... 191.5.1 Verfestigung von Lacken ........................................................................................... 191.5.2 Phasengrenzflächen in Beschichtungen ................................................................ 231.6 Adhäsion/Haftung ...................................................................................................... 241.6.1 Benetzung von Substraten ........................................................................................ 241.6.2 Haftkräfte und -mechanismen ................................................................................. 291.6.3 Haftvermittler/Haftschichten .................................................................................. 331.6.3.1 Silanhaftvermittler ..................................................................................................... 331.6.3.2 Dünne Polymerhaftschichten ................................................................................... 351.6.4 Korrosionsinhibitoren, Korrosionsschutzpigmente und -additive ................... 37

2 Pigmentdispersionen ........................................................................................ 40

2.1 Grundsätzliche Betrachtung von dispersen Systemen ...................................... 402.2 Stabilisierung von Dispersionen ............................................................................. 442.2.1 Elektrostatische Stabilisierung ................................................................................ 452.2.2 Sterische Stabilisierung ............................................................................................ 472.3 Netz- und Dispergiermittel ....................................................................................... 482.3.1 Dispergiermittel .......................................................................................................... 492.3.2 Netzmittel .................................................................................................................... 522.4 Benetzung von Pigmenten ........................................................................................ 56

3 Lackrezepturformulierung ................................................................................ 60

3.1 Verhältnis Bindemittel/Feststoffe ........................................................................... 613.1.1 Pigmentierungshöhe und Pigment-Volumen-Konzentration............................. 613.1.2 Ölzahl............................................................................................................................. 633.2 Einfluss von Pigmenten auf Lackeigenschaften .................................................. 643.3 Rezepturentwicklung ................................................................................................. 663.4 Anstrichaufbau ............................................................................................................ 68

Inhaltsverzeichnis

Bodo Müller/Ulrich Poth: Lackformulierung und Lackrezeptur© Copyright 2009 by Vincentz Network, Hannover, GermanyISBN: 978-3-86630-813-8

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1 Einführung

1.1 VorbemerkungenLacke bzw. Anstrichstoffe sind Halbfabrikate (Zwischenprodukte oder Prozessmaterialien); die End- bzw. Fertigprodukte sind die lackierten Objekte. Lacke bzw. Anstrichstoffe verteilen sich auf verschiedenste Anwendungen (Abbildung I-1.1).

Teil I Grundsätzliches

Einführung

Abbildung I-1.1 zeigt deutlich, dass die Bautenanstrichstoffe den Hauptanteil bilden, gefolgt von den Industrielacken und den anderen Anwendungen. Alle diese verschiedenen Lacksysteme werden in diesem Lehrbuch beschrieben und zwar vor allem im Hinblick auf Problemlösungen bei der Formulierung bzw. Rezeptierung von Lacken.

1.2 Gesichtspunkte des UmweltschutzesLacke haben in der öffentlichen Meinung leider häufig ein negatives Image, da in der Vergangenheit schützende oder dekorative organische Beschich tungen meist in lösemittelhaltiger Form appliziert wurden, was zur Emission von organischen Lösemitteln führte. Diesem Negativimage soll in diesem Abschnitt durch die Beschreibung von emissionreduzierenden Maßnahmen, die die Umweltverträg-lichkeit von Lacken verbessern, entgegengewirkt werden.

Abildung I-1.1: Aufgliederung des Lackverbrauchs 2007 (Inland) (Quelle: www.lackindustrie.de)

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16 Teil I – Grundsätzliches

Eine Senkung der Emission von organischen Lösemitteln während der Lackapplikation ist durch die TA Luft vorgeschrieben und ein aktiver Beitrag zum Umweltschutz. Zur Reduzierung der Emission von organischen Lösemitteln bieten sich bei der Lackformulierung drei Wege an:

1. „High-Solids“-Lacke (d.h. Lacke mit hohem nichtflüchtigen Anteil und damit geringem Anteil an Lösemitteln)

2. Ersatz von organischen Lösemitteln durch Wasser •Wasserlacke •Dispersionsfarben3. Lösemittelfreie Lacke •2-Komponenten-Systeme •strahlungshärtendeBeschichtungen •Pulverlacke

Auf alle diese emissionsarmen, umweltfreundlichen Lacksysteme wird in diesem Buch eingegan-gen. Abbildung I-1.2 zeigt am Beispiel der Automobillackierung, welche Fortschritte in Bezug auf die Reduzierung der Emission von organischen Lösemitteln bei der Lackapplikation in den letzten zwei Jahrzehnten gemacht worden sind [1].

Abbildung I-1.2: Gesamtemission (g) von organischen Lösemitteln Erstlackierung von Automobilen (4-Schichtaufbau) in Bezug auf die Oberfläche (m2) der Rohkarosse (Durchschnittswerte; die Jahreszahlen können je nach Automobilhersteller variieren).

Für pigmentierte Lacke gilt nichtflüchtiger Anteil (in der Regel) (Gew.-%)

„Low-Solids“ < 30

„Normal-Solids“ 30 – 60

„Medium-Solids“ 60 – 70

„High-Solids“ > 70 (manchmal > 80)

Tabelle I-1.1: Bezeichnung von lösemittelhaltigen Lacken

In diesem Zusammenhang sollen Begriffe wie „High-Solids“-Lacke kurz beschrieben werden (Tabelle I-1.1).

Darüber hinaus kann die Emission von organischen Lösemitteln ander-weitig reduziert werden, so bei der Applikation durch Verfahren mit hö-herem Auftragswirkungsgrad (z.B. elektrostatische Lackapplikation) oder durch Lösemitteladsorption.

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17

Korrosionsschutz als Umweltschutzmaßnahme

Die zweite umweltschützende Wirkung von Beschichtungen wird auf den ersten Blick nicht als solche sichtbar. Dies soll am Beispiel der Korrosion von Eisen (unlegiertem Stahl) näher erläutert werden (Abbildung I-1.3).

Die atmosphärische Korrosion von Eisen bzw. unlegiertem Stahl (Bildung von Rost: Fe

2O

3 · x H

2O) ist thermo dynamisch

die Umkehrung seiner Herstel lung. Bei der Eisenherstellung (Hochofenprozess) werden Eisenerz (z.B. Fe

2O

3) und Kohle

bzw. Koks (C) verbraucht und das Treibhausgas Kohlen dioxid (CO

2) emittiert (Abbildung I-1.3). Korrosionsschutz bewirkt eine

längere Nutzungsdauer von Werkstoffen (z.B. Stahl), die der Korrosion unterliegen. Damit werden Rohstoff- und Energiere-sourcen geschont und die Umwelt entlastet. Somit ist jede Art von Korrosionsschutz, z.B. durch Beschichtungen, (neben der Werterhaltung) auch Umwelt schutz. Beispielsweise werden zur Lackierung eines 1000 kg schweren Autos nur 15 bis 25 kg Lacke benötigt; diese Lackierung bewirkt eine extreme Erhöhung der Nutzungsdauer.

Ganzheitliche Betrachtung von Lacken

Abbildung I-1.4 zeigt eine ganzheitliche Betrach-tung von Lacken und Beschichtungen und zwar von der Ressourcenaufbereitung (z.B. Erdölgewinnung) über die Herstellung von Lackrohstoffen und Lak-ken bis hin zur Entsorgung der lackierten Objekte nach Ablauf ihrer Nutzungsdauer [2].

Alle in Abbildung I-1.4 gezeigten Fertigungsschrit-te müssen bei der ökologischen Bewertung eines Lacksystems berücksichtigt werden.

1.3 Lacke als „High-Tech“-Produkte

Wie in Kapitel 1.2 schon angesprochen, haben Lacke wegen der Lösemittelemission leider oft ein negatives Image. Über emissionreduzierende Maßnahmen, wie die Einführung von Wasser- oder Pulverlacken (Abbildung I-1.2, oben), wird in den Massenmedien meist nicht berichtet. Dagegen findet in der breiten Öffentlichkeit zur Zeit eine intensive Diskussion über sog. Zukunfts- oder Schlüsseltechnologien statt, worunter an erster Stelle die Informations- und Biotechnologie zu verstehen sind. In letzter Zeit wird in diesem Zu-sammenhang auch verstärkt die Nanotechnologie

Einführung

Abbildung I-1.3: Korrosionsschutz als Umwelt-schutzmaßnahme (stark vereinfachte Formelgleichungen)

Abbildung I-1.4: Ganzheitliche Betrachtung von Lacken und Beschichtungen

Ressourcenaufbereitung ist z.B. die Erdölgewinnung. Chemische Grundstoffe sind z.B. Ethylen, Propylen. Chemische Zwischenprodukte sind z.B. Acrylsäure, Epichlorhydrin.

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18 Teil I – Grundsätzliches

genannt. Im Gegensatz zur Lacktechnologie sind die Begriffe Zukunfts- und Schlüsseltechno logie in der Öffentlichkeit positiv besetzt.

Ein Teilbereich der Nanotechnologie sind Nanopartikel, worunter Partikel mit Durchmessern unter 100 nm verstanden werden [3, 4]. Dabei sollten alle Lackfachleute aufhorchen, da viele feinteilige Pigmente oder Füllstoffe nichts anderes als Nanopartikel sind. Altbekannte Lackrohstoffe, wie Ruß-pigmente oder pyrogene Kieselsäure (siehe Tabelle I-2.3), werden neuerdings mit der Überschrift Nanopartikel versehen [3].

Darüber hinaus gibt es in der Lacktechnologie in Bezug auf Nanostrukturen weitere innova-tive Denkan sätze. Genannt sei die Einarbeitung von nanoskaligen Partikeln als verstär- kende Füllstoffe in Lackbindemittel [5] und Kieselsäure-Acrylat-Nanokomposite, die bereits zu einem marktfähigen Produkt im Bereich des Bautenschutzes geführt haben [6]. Nanostrukturen können beispielsweise durch geeignete Sol-Gel-Prozesse erzeugt werden [7]. Es existieren also Zusammenhänge zwischen der öffentlich positiv bewerteten Nanotechnologie und der Lacktechno-logie, die meist noch gar nicht richtig als solche erkannt worden sind. Auf diese Zusammen hänge soll hier explizit hingewiesen werden, um das Image von Lacken als – „High-Tech“-Produkte – zu verbessern.

1.4 BegriffsbestimmungenDie folgenden notwendigen Begriffsbestimmungen, Definitionen und Abkürzungen wurden meist in Anlehnung an DIN bzw. EN erstellt [8, 9].

Beschichtungsstoff ist der Oberbegriff für flüssige bis pastenförmige oder auch pulverförmige Stoffe, die aus Bindemitteln, sowie ggf. zusätzlich aus Pigmenten und anderen Farbmitteln, Füll-stoffen, Lösemitteln und sonstigen Zusätzen (Additiven) bestehen.

Die wichtigste Untergruppe der Beschichtungsstoffe sind Lacke bzw. Anstrichstoffe. Diese können nach folgenden Kriterien unterteilt werden:• Verdünnbarkeit(lösemittel-oderwasserverdünnbar,lösemittelfrei)• LageimBeschichtungsaufbau(z.B.Grund-oderDecklack)• Anwendungsbereich(z.B.Industrie-oderBautenlack)• Eigenschaften(z.B.Korrosionsschutz-,Effekt-oderKlarlack)

Bindemittel ist der nichtflüchtige Anteil des Beschichtungsstoffes, ohne Pigment und Füllstoff, aber einschließlich Weichmachern und nichtflüchtigen Hilfsstoffen. Das Bindemittel verbindet die Pigmentteilchen untereinander und mit dem Untergrund. Der Einfachheit halber können nicht-flüchtige Hilfsstoffe (Additive) bei der Berechnung von Lackkenngrößen (Kapitel 3.1) ohne großen Fehler vernachlässigt werden.

Farbmittel ist der Oberbegriff für alle farbgebenden Stoffe; sie können gemäß Abbildung I-1.5 weiter unterteilt werden.

Ein Pigment ist eine aus Teilchen bestehende, im Anwendungsmedium praktisch unlösliche Substanz, die (dekorativ) als Farbmittel oder (funktional) wegen ihrer korrosionshemmenden oder anderer spezieller Eigenschaften, z.B. magnetischen, verwendet wird.Synthetische anorganische Pigmente (Abbildung I-1.5) können weiter in Weiß-, Schwarz-, Bunt- und Glanzpigmente unterteilt werden. Anisometrische Glanzpigmente sind z.B. Metalleffekt- und Perlglanzpigmente.

Ein Füllstoff (Extender) ist eine meist pulverförmige, im Anwendungsmedium praktisch unlösliche Substanz. Eingesetzt wird sie hauptsächlich zur Vergrößerung des Volumens (Verbilligung), zur Erzielung oder Verbesserung technischer Eigenschaften (z.B. Abrieb- oder Steinschlagbeständigkeit) und/oder Beeinflussung optischer Eigenschaften.

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19Einführung

Es muss angemerkt werden, dass Füllstoffe nur geringe farbgebende Eigenschaften haben; in spezi-ellen Fällen (z.B. Dispersionsfarben, siehe Teil III, Kapitel 2) werden sie ähnlich wie Weißpigmente zur Erhöhung der Deckfähigkeit eingesetzt (vgl. Abbildung I-1.5).

Das Lösemittel ist meist eine aus mehreren Komponenten bestehende Flüssigkeit, die Bindemittel ohne chemische Umsetzung zu lösen vermag. Lösemittel müssen unter den jeweiligen Bedingungen der Filmbildung flüchtig sein. Liegt das Bindemittel nicht gelöst sondern als Dispersion vor, so be-zeichnet man die Flüssigphase (häufig Wasser) als Dispersionsmittel (siehe Teil III, Kapitel 1).

Ein Additiv (Zusatz- oder Hilfsstoff) ist eine Substanz, die einem Beschichtungsstoff in kleinen Men-gen zugesetzt wird, um eine oder mehrere Eigenschaft(en) zu verbessern oder zu modifizieren.

Sehr nützlich sind die Kurzzeichen für die Bindemittel grundlage von Anstrichstoffen (Tabelle I-1.2), die im weiteren Verlauf dieses Buches verwendet werden sollen.

Abbildung I-1.5: Farbmittel

1.5 Beschichtungen1.5.1 Verfestigung von LackenDie Verfestigung (auch Filmbildung genannt) ist der Übergang eines aufgetragenen Lacks vom flüssigen in den festen Zustand. Da-bei unterscheidet man zwischen physikali-scher Trocknung und chemischer Härtung, die auch gleichzeitig oder nacheinander ab-laufen können. Durch die Verfestigung geht der vom Lackhersteller als Zwischen produkt gelieferte Lack über in das Endprodukt, die auf dem Untergrund festhaftende Be-schichtung.

Physikalische Trocknung

Die physikalische Trocknung eines aufgetrage-nen Lacks ist der Übergang vom flüssigen in den festen Zustand unter Abgabe von Lösemitteln (wozu auch Wasser zählt).

Kurzzeichen Bindemittel

AK Alkydharz

SP gesättigter Polyester

UP ungesättigter Polyester

AY Acrylharz

CAB Celluloseacetobutyrat

CN Cellulosenitrat

EP Epoxidharz

EPE Epoxidharzester

MF Melamin/Formaldehyd-Harz

PF Phenol/Formaldehyd-Harz

UF Harnstoff/Formaldehyd-Harz

PUR Polyurethan

PVAC Polyvinylacetat

PVB Polyvinylbutyral

PVC Polyvinylchlorid

RUC Chlorkautschuk

RUI Cyclokautschuk

Tabelle I-1.2: Auswahl von Kurzzeichen für organische Bindemittel

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20 Teil I – Grundsätzliches

Abbildung I-1.6: Vereinfachte Darstellung einer verdünnten Bindemittellösung

Die gelösten Bindemittelmoleküle bilden zu-nächst von Lösemittel durchflutete Polymer-Knäuel (Solvate), die in einer Phase aus freiem Lösemittel beweglich sind (Abbildung I-1.6). Es besteht ein Gleichgewicht zwischen gebunde-nem Lösemittel und freiem Lösemittel. Deshalb ist der Dampfdruck eines Lösemittels über einer Bindemittel-Lösung geringer als beim reinen Lösemittel. Das Lösemittel – zuerst das freie Lösemittel - verdunstet aufgrund seines Dampf-drucks immer dann auch weit unterhalb seines Siedepunktes, wenn es dank ausreichenden Luftvolumens nicht zum Dampfdruckgleichge-wicht in der Gasphase über dem Lackfilm (Luft) kommen kann.

Für eine vollständige physikalische Trocknung ist somit ausreichende Belüftung unabdingbar. Als Folge der Abgabe eines Teils des Lösemittels nähern sich die Bindemittelknäuel, gleichzei-tig verarmen sie an gebundenem Lösemittel. Schließlich verbinden sich die Solvate an ihren Rändern miteinander; es gibt dann keine Teil-chengrenzen mehr und die erste Verfestigungs-stufe des Films ist erreicht. Weiteres Lösemittel verdunstet dann immer langsamer. Es kommt

zum Schrumpfen und zu weiterer Verfestigung des Films. Geringe Anteile von Lösemitteln bleiben noch recht lange im Film, selbst bei Einbrennlacken; dies wird auch als „Retention“ bezeichnet.

Bei Organosolen [Dispersionen in organischen Lösemitteln (NAD = non aqueous dispersions)] verdunsten die als Dispersionsmittel ausgewählten Lösemittel zum Teil. In der Schlussphase des Vorgangs wandelt sich die Dispersion dabei in eine Lösung, und zwar in jenem Teil der Lösemittel, die langsamer verdunsten und die gute Lösemittel für das Polymer darstellen.

Plastisole (Dispersionen in Weichmachern) verfestigen dadurch, dass bei höheren Temperaturen die Weichmacher die dispergierten Polymere gelieren, d. h. eine homogene Lösung bilden, die dann beim Abkühlen zu einem festen Film erstarrt.

Die physikalische Trocknung von wässrigen Dispersionen bildet einen besonderen Fall und wird ausführlich im Kapitel III-1 behandelt.Eine weitere physikalische Verfestigung ist das Abkühlen von aufgeschmolzenen thermoplastischen Pulverlacken (siehe Kapitel IV-3.4.1).

Chemische Härtung

Die chemische Härtung von Lacken ist der Übergang vom flüssigen in den festen Zustand unter Molmassenvergrößerung und Vernetzung. Daher müsste die „oxidative Trocknung“ von Alkyd-harzen streng genommen „oxidative Härtung“ heißen [8].

Voraussetzung für eine chemische Reaktion - und damit auch für die chemische Härtung - ist eine ausreichende Beweglichkeit der zur Reaktion kommenden Moleküle. Dies ist in Gasen und Flüs-sigkeiten gegeben, bei Feststoffen aber nur an deren Grenzflächen.

Flüssige Bindemittel (siehe Teil IV, Kapitel 1) und Schmelzen (siehe Teil IV, Kapitel 3) können daher gut über chemische Reaktionen verfestigen.

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21Einführung

Einen besonderen Vorteil bilden Lösungen von Bindemitteln. In Lösungen können Bindemittelmole-küle, die sonst einen Feststoff bilden würden, miteinander reagieren. Eine erste Voraussetzung dafür ist, dass die Bindemittelmoleküle durch das Lösemittel verteilt werden und die oben beschriebenen Solvate bilden, die dann in der Phase aus freiem Lösemittel beweglich sind. Die zweite Voraussetzung ist, dass die Bindemittelmoleküle auch bei der chemischen Härtung noch beweglich sind, dass re-aktionsfähige Gruppen so aufeinander treffen, d.h. dass chemische Reaktionen ablaufen können.

In Reaktionslacken sind es meist zwei Bindemitteltypen (oder auch Bindemittel und Vernetzer), die zur Reaktion miteinander gebracht werden sollen. Dann ist es wichtig, dass solch unterschiedliche Moleküle aufeinandertreffen können. Dafür ist eine Voraussetzung, dass diese Moleküle unterein-ander verträglich sind. Bei der Verträglichkeit spielen die gleichen Parameter eine Rolle wie bei der Löslichkeit.

Bindemittel, bzw. Bindemittel und Vernetzer, sind vor allem dann verträglich, wenn sie ähnliche Strukturelemente aufweisen oder mindestens Strukturelemente ähnlicher Polarität und Löslichkeit. Wenn man nicht ausreichend untereinander verträgliche Bindemittel zusammen bringen will, kann man die Mischungen vorreagieren lassen. Meist gelingt das durch chemische Reaktionen bei höherer Temperatur. Beispiele solcher Vorreaktionen sind die Präkondensation von gesättigten Polyestern mit Harnstoffharzen oder mit Siliconharzen.

Für das Zusammenkommen der unterschiedlichen Moleküle und deren Reaktion untereinander sind vor allem Diffusionsvorgänge verantwortlich, deren ausreichend schneller Ablauf gewähr-leistet sein muss. Hochmolekulare, unbewegliche Moleküle vernetzen daher weniger effektiv als niedrigmolekulare, leichter bewegliche.

Die chemische Härtung (Vernetzung) wird vor allem bei der industriellen Applikation von Lacken herangezogen, weil dieser Vorgang so beschleunigt werden kann, dass man in relativ kurzen Zeiten gebrauchsfertige Beschichtungen erhält. Solche Zeitvorgaben sind aber auch maßgebend für die Auswahl der chemischen Reaktionen. Diese müssen in der vorgegebenen Zeit vollständig ablaufen. Trotzdem sollen die Lacke möglichst lagerstabil sein. Man wählt daher Systeme aus, die erst bei höheren Temperaturen vernetzen (Einbrennlacke) oder erst nach Zugabe eines Beschleunigers, Initiators, Katalysators (z.B. säurehärtende Lacke). Darüber hinaus kann man die zur Reaktion kommenden Komponenten bis kurz vor der Applikation trennen (Zweikomponentenlacke).

Dispersionen können sehr hochmolekulare Bindemittel enthalten. Das ist zunächst ein Vorteil, wenn man derartige Lacke nur physikalisch trocknen will. Chemische Reaktionen in Dispersionen zu erzielen ist dagegen schwieriger. Wenn man Bindemittel aus Dispersionen, z.B. durch extern zugegebene Vernetzer, zur chemischen Härtung bringen will, müssen die Vernetzer (gelöst oder ebenfalls in disperser Form) zunächst die Grenzfläche der Dispersionsteilchen durchdringen und dann noch so gut über Diffusionsvorgänge in das Teilcheninnere eindringen können, dass chemische Reaktionen überhaupt stattfinden können.

Oft werden daher Bindemittel von Dispersionen nur in den Teilchenrändern vernetzt. Eine Möglich-keit sicherzustellen, dass auch disperse Systeme effektiv chemisch vernetzen ist die, bei der man das Dispersionsteilchen aus einer Mischung von Bindemittel und Vernetzer aufbaut. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass man Dispersionen mit einem vernetzendem System kombiniert und auf eine Reaktion der dispersen Bindemittelphase verzichtet.

Auch in Pulverlacken gelingt eine effektive Vernetzung nur dann, wenn man Bindemittel und Vernetzer möglichst homogen mischt (Schmelze im Extruder) und dann erst das Pulver herstellt (siehe Kapitel IV-3.2).

Organische Bindemittel als polymere Kunststoffe

An dieser Stelle sollen Beschichtungen einmal aus der Sicht der Kunststofftechnik betrachtet wer-den, was zwar unüblich ist, aber zu interessanten Einblicken führt. Denn im Wesentlichen sind organische Bindemittel in Beschichtungen nichts anderes als polymere Kunststoffe und können wie diese eingeteilt werden (Abbildungen I-1.7 und I-1.8).

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22 Teil I – Grundsätzliches

Abbildung I-1.7: Einteilung polymerer Kunststoffe

Durch physikalische Trocknung erhaltene Beschichtungen sind Plastomere, während durch chemi-sche Härtung erhaltene Duromere sind. Elastomere spielen in der Beschichtungstechnik nur eine untergeordnete Rolle und können in diesem Zusammenhang vernachlässigt werden.

Abbildung I-1.8: Schematische Darstellung polymerer Kunststoffe

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23Einführung

Plastomere sind thermoplastisch und in geeigneten Lösemitteln löslich. Die Lösegeschwindigkeit von physikalisch getrockneten Beschichtungen ist wegen deren relativ kleiner Oberfläche (pla-nimetrische Oberfläche) meist recht langsam, was von Vorteil ist, aber nicht mit der Löslichkeit verwechselt werden darf. Duromere sind unschmelzbar; bei hohen Temperaturen zersetzen sie sich durch chemische Abbaureaktionen. Darüber hinaus sind Duromere unlöslich; manchmal lässt sich bei gehärteten Beschichtungen eine Quellung durch Lösemittel beobachten, die zu einer (meist reversiblen) Erweichung der Beschichtung führen kann.

An dieser Stelle folgen einige Anmerkungen zum Begriff der Elastizität, der in der Lacktechnologie manchmal gedankenlos benutzt wird. Elastizität ist die Eigenschaft fester Stoffe, nach einer Defor-mation durch Einwirkung äußerer Kräfte wieder in ihren ursprünglichen Zustand überzugehen, was als elastische Rückstellung bezeichnet wird. Plastizität hingegen ist die Eigenschaft fester Stoffe, bei Einwirkung äußerer Kräfte bleibende Verformungen zu zeigen. Plastizität ist viskoses Fließen unter Krafteinwirkung. Polymere Materialien wie z.B. Beschichtungen können sowohl elastisches als auch plastisches Verhalten zeigen; man spricht dann von Viskoelastizität.

Wichtige, routinemäßig durchgeführte mechanische Prüfmethoden für Beschichtungen basieren auf dem Prinzip der Verformung von Lackschichten (z.B. Erichsen-Tiefung, Dornbiegeversuch). Gemessen wird hier die Verformbarkeit (Flexibilität) von Beschichtungen und nicht die Elastizität, da keine Prüfung der elastischen Rückstellung erfolgt. Die mit diesen Prüfmethoden gemessene Verformbarkeit (Flexibilität) ist die Summe unbekannter Anteile von Elastizität und Plastizität. In diesem Buch wird deshalb in diesen Fällen der Begriff Flexibilität verwendet.

1.5.2 Phasengrenzflächen in BeschichtungenSchon unpigmentierte Klarlacke können, z.B. durch ungleichmäßige Vernetzung oder Bindemittel-Entmischung, heterogene Filmstrukturen zeigen [10]. Die Folge dieser Heterogenität können große innere Phasengrenzflächen sein, herrührend von verschiedenen Bindemittelphasen. Darüber hinaus können sich bestimmte funktionelle Gruppen des Bindemittels (z.B. Carboxygruppen) zu polaren Substraten (z.B. Metalloxide) hin orientieren, was ebenfalls eine Heterogenität der Beschichtung bewirkt [10].

Mit Pigmenten bzw. Füllstoffen bekommt man immer heterogene Filmstrukturen und damit große innere Phasengrenzflächen (sog. grenzflächenüberladene Systeme).

Beschichtungen zeigen bis zu vier verschiedene Phasengrenzflächen (Abbildung I-1.9).• DieerstePhasengrenzflächeistdieBindemit-

tel/Substrat; sie entspricht der planimetri-schen Oberfläche des Substrats (ggf. bis zu vier mal größer wegen der Rauhigkeit des Sub-strats). Die Funktion dieser Phasengrenzflä-che ist Haftung (bei metallischen Substraten auch Korrosionsschutz).

• DiezweitePhasengrenzflächeistdieBindemit-tel/Pigment bzw. Füllstoff; sie kann wegen der hohen spezifischen Oberfläche von Pigmenten (bis 100 m2/g) sehr groß werden (vgl. Tabelle I-2.3). Diese Phasengrenzfläche ist für den inneren Verbund der Beschichtung verantwort-lich und kann die mechanischen Eigenschaften (z.B. Steinschlagbeständigkeit) mit beeinflussen. Eine pigmentierte Beschichtung lässt sich deshalb auch als (sehr dünner) Verbundwerkstoff bezeichnen. Darüber hinaus kann diese Phasengrenzfläche auch die korrosionsschützenden Eigenschaften der Beschichtung beeinflussen [20].

Abbildung I-1.9: Vereinfachte Darstellung einer unterkritisch pigmentierten Beschichtung auf einem Substrat (Querschnitt)

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24 Teil I – Grundsätzliches

1.6 Adhäsion/HaftungDie Haftfestigkeit ist ein Maß für den Widerstand einer Beschichtung gegen ihre mechanische Abtrennung vom Untergrund (Einheit: Kraft/Fläche, N/mm2 bzw. MPa).

Die dauerhafte Haftung (auch bei Feuchtigkeitseinwirkung) einer Beschichtung auf dem Unter-grund und innerhalb des Schichtaufbaus ist für die Schutzwirkung (z.B. Korrosionsschutz) erste Voraussetzung.

Eine Ausnahme sind die sog. Abziehlacke (temporäre Transportschutzbeschichtungen).

1.6.1 Benetzung von SubstratenNotwendige (aber nicht hinreichende) Voraussetzung für eine gute Haftung ist eine ausreichende Benetzung des Untergrunds/Substrats durch den flüssigen Beschichtungsstoff bei der Applikation. Die Grenzfläche Substrat/Luft (Oberfläche) wird dabei in eine Grenzfläche Substrat/Flüssigkeit (Grenzfläche zwischen zwei kondensierten, nicht mischbaren Phasen) umgewandelt. Bei der an-schließenden Trocknung bzw. Härtung des Lackfilms wird dieser fest (Abbildung I-1.10).

Abbildung I-1.10: Phasengrenzflächen auf festen Substraten (keine maßstäbliche Darstellung)

Da der Begriff der Benetzung auch bei der Benetzung von Pigmenten (Kapitel 2.3) wichtig ist, muss er ausführlicher besprochen werden.

Oberflächen- und Grenzflächenspannung

In einer Flüssigkeit wie z.B. Wasser sind alle Moleküle im Innern der Flüssigphase gleichmäßig von Nachbarmolekülen umgeben. Damit sind diese Moleküle in allen Raumrichtungen den gleichen anziehenden Wechselwirkungen ausgesetzt, die sich gegenseitig aufheben (Abbildung I-1.11). An der Grenzfläche Wasser/Luft verändern sich diese Verhältnisse grundlegend, da hier ein Wassermolekül nur noch in der Grenzfläche und zum Flüssigkeitsinneren hin von anderen Wassermolekülen umgeben

• DiedrittePhasengrenzflächeistdieBindemittel/Atmosphäre(beiUnterwasseranstrichenauchWasser). Die Größe dieser Phasengrenzfläche entspricht etwa der planimetrischen Oberfläche der Beschichtung. Von größter praktischer Bedeutung ist, dass die Bewitterung einer Beschichtung an dieser Phasengrenzfläche (ggf. auch in Bereichen dicht darunter) abläuft.

• ZusätzlichkannesauchnochPhasengrenzflächenBindemittel/Bindemittelgeben, fallsdasBindemittel aus verschiedenen Phasen besteht (siehe oben).

In der Regel weicht die Bindemittelstruktur an allen Grenzflächen von der Struktur der Volumen-Bindemittelphase („bulk“) ab, worauf oben auch schon hingewiesen wurde.

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25Einführung

ist. Damit heben sich nicht mehr alle Anziehungskräfte auf; auf das Wasser-molekül wirkt vielmehr eine Kraft, die in das Flüssigkeitsinnere weist (Abbil-dung I-1.11). Diese Kraft bewirkt, dass die Flüssigkeitsoberfläche möglichst klein wird. Ein Flüssigkeitstropfen im schwerelosen Raum ist daher kugel-förmig, da die Kugel bei maximalem Volumen eine minimale Oberfläche besitzt.

Diese Kraft muss quantifiziert wer-den. Unter der Grenzflächenspan-nung (γ) versteht man nun diejenige Kraft, die an 1 m einer gedachten, in der Grenzfläche zwischen zwei Pha-sen befindlichen Linie wirkt [Kraft/Länge = N/m; Angabe meist in mN/m, früher dyn/cm]. Ist eine Phase Luft, spricht man auch von einer Ober-flächen spannung.

Um die Oberfläche einer Flüssigkeit zu vergrößern, müssen Moleküle aus dem Inneren an die Oberfläche gebracht werden; d.h. Anzie-hungskräfte müssen über wunden werden, was Arbeit bzw. Energieaufwand erfordert.

Die folgende Umformung zeigt, dass eine Energie pro Fläche gleich einer Kraft pro Länge ist; d.h. die Oberflächenspannung gibt auch die Oberflächenenergie wieder, so als:

Energie J N·m N Kraft = = = = ; d.h. Grenz- bzw. Oberflächenspannung Fläche m2 m2 m Länge

Beispiele für Oberflächenspannungen von Flüssigkeiten (Grenzflächenspannungen gegen Luft) werden in Tabelle I-1.3 gegeben.

Je höher die Oberflächenspannung, desto höher ist die Kohäsion in der jeweiligen Phase, d.h. desto stärker die Wechselwirkungen der Atome bzw. Moleküle mitein-ander. Wassermoleküle sind durch Wasserstoffbrücken stark assoziiert, was eine hohe Kohäsion und damit hohe Oberflächenspannung bewirkt; die Wasseroberfläche verhält sich wie eine „Haut“. Je unpolarer die Flüssig-keiten sind, desto geringer wird dann auch ihre Oberflä chenspannung.

Benetzung

Die Benetzung einer Festkörperober-fläche (Substrat) durch eine Flüs-sigkeit ist vereinfacht in Abbildung I-1.12 dargestellt.

Tabelle I-1.3: Oberflächenspannungen [mN/m] von Flüssigkeiten

Quecksilber 500 flüssiges Metall

Wasser 73

Epoxidharze 45 – 60

Melaminharze 42 – 58

Alkydharze 33 – 60

Acrylharze 32 – 40

Butylglykol 32

Xylol 29 – 30

Testbenzin 26 – 27

Butylacetat 25

Butanol 23

Testbenzin 18 – 22 aromatenfrei

Hexan 18

Abbildung I-1.11: Kräftediagramm zur Erklärung der Oberflächenpannung

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26 Teil I – Grundsätzliches

Ein Maß für die Benetzung ist der Randwinkel Θ zwischen dem Festkörper und einem aufgetra-genen Flüssigkeitstropfen (Abbildung I-1.12). Je kleiner der Randwinkel Θ, desto besser ist die Benetzung.

Der Benetzungsvorgang wird durch die Young’sche Gleichung beschrieben:

γS = γ

SL + γ

L · cos Θ

Für die Spreitung, gleichbedeutend mit dem Auseinanderlaufen des Flüssigkeitstropfens auf dem Substrat, gilt Θ = 0° und damit cos Θ = 1. Eingesetzt in die Young’sche Gleichung ergibt sich γ

S = γ

SL + γ

L bzw. γ

L = γ

S - γ

SL. Daraus folgt: Soll eine Flüssigkeit (z.B. Lack) die Oberfläche eines

festen Substrats benetzen, muss ihre Oberflächenspannung niedriger als die des Substrats sein (γ

L < γ

S). Mit anderen Worten, wenn eine Flüssigkeit eine höhere Oberflächenspannung als das

Substrat hat, kann keine Benetzung erfolgen.

In der Literatur findet man bei Metallen häufig Angaben von Oberflächenspannungen zwischen eini-gen Hundert und einigen Tausend mN/m (siehe Quecksilber in Tabelle I-1.3); diese Werte beziehen sich aber auf die flüssigen Metalle bei den jeweiligen Schmelztemperaturen [25]. Für die Benetzung ist jedoch die Oberflächenspannung (bei Raumtemperatur) der festen, mit Oxid- und Adsorbatschich-

Abbildung I-1.12: Benetzung einer Festkörperoberfläche durch eine Flüssigkeit

γ S Oberflächenspannung des Substrats (Feststoff)

γ L Oberflächenspannung der Flüssigkeit

γ SL

Grenzflächenspannung zwischen Substrat und Flüssigkeit Θ Randwinkel (Kontakt- bzw. Benetzungswinkel) der Flüssigkeit auf dem Substrat

Tabelle I-1.4: Kritische Oberflächenspannungen [mN/m] von (festen) Substraten

Glas 73

Phosphatierter Stahl 43 – 46

PVC 39 – 42

Verzinnter Stahl ca. 35

Aluminium 33 – 35

Polyethylen 32 – 39

Polypropylen 28 – 29

Stahl (unbehandelt) 29

Polydimethylsiloxan 19 Silicone bis 24

Polytetrafluorethylen 19

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ten überzogenen Metalloberflächen wichtig (Tabelle I-1.4) Die kritische Oberflächenspannung von Feststoffen (Glas, Metall, Kunststoff) lässt sich indirekt über Benetzungsversuche (Messung von Randwinkeln, Zismann-Methode) bestimmen und ist in Tabelle I-1.4 angegeben [25–28].

Bei Substraten sind mögliche Veränderungen der Oberfläche (z.B. Oxidschichten, Formtrennmittel usw.) zu berücksichtigen, die einen großen Einfluss auf die Oberflächenspannung haben können (siehe unten).

Metalloberflächen

Wenn die Voraussetzung für eine Benetzung γ

L < γ

S streng gilt, dann

dürfte Wasser auf Metalloberflächen nicht spreiten (vgl. relativ niedrige Oberflächen spannungen von Metall-oberflächen in Tabelle I-1.4). Das zeigen Randwinkelmessungen von Wassertropfen auf unterschiedlich vorbehandelten Aluminiumblechen (Tabelle I-1.5); Wasser benetzt zwar in allen Fällen, aber in keinem Fall erfolgt Spreitung.

Abbildung I-1.13 zeigt modellhaft eine Aluminiumoberfläche [11], die – wie alle Oberflächen von Gebrauchsmetallen – besser als Aluminiumoxidoberfläche bezeichnet werden sollte. Wenn die Kriterien für Abbildung I-1.13 streng gelten würden, müsste die hydratisierte Aluminiumoxidober-fläche von Wasser vollständig benetzt werden, was aber nicht der Fall ist (Tabelle I-1.5). Abbildung I-1.13 stellt eine Vereinfachung der wahren Situation dar; ESCA/XPS-Messungen zeigen nämlich, dass unterschiedlich vorbehandelte Aluminiumoberflächen neben Aluminium und Sauerstoff einen

Tabelle I-1.5: Randwinkel von Wasser auf unterschiedlichen Aluminiumoberflächen

Aluminiumoberfläche Randwinkel Θ (± 5°)

walzblank 63

gebeizt mit handelsüblichem Beizmittel 22

gebeizt mit NaOH 31

Abbildung I-1.13: Hydratisierte Aluminium(oxid)oberfläche (vereinfachte Modellvor stellung)

Änliche Verhältnisse für Fe/Fe2O

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Einführung

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