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-'-------------Glänzende Aussichtenfür 2-K-Polyurethan-KlarlackeMit Polyurethanen lässt sich ein engmaschiges Molekülnetz
herstellen, das zwischen den Knotenpunkten elastisch ist.Eine neueGeneration von Autoklarlacken - nachdiesemKonzeptentwickelt - weist exzellente Eigenschaften auf.
Rund ein Viertel aller 2003 gefertig
ten Autos und Kleintransporter
rollten mit einem Klarlack aus dem
Werk, der Polyurethane (PUR) ent
hielt. Zirka 7,3 Millionen von etwa 58
Millionen Fahrzeugen waren dabei mit
einem 2-Komponenten-PUR-System
lackiert. Den Markt treiben drei Kräfte
an: die Forderung nach Lackqualität,Wirtschaftlichkeit und Umweltfreund
lichkeit. Neue Lackrohstoffentwick
lungen von Bayer MaterialScience zei
gen, dass Polyurethane ein einzigarti
ges Potenzial haben, die ständig stei
genden Anforderungen auch künftig
zu erfüllen.
Eine wichtige Qualitätseigenschaft
eines Klarlacks ist seine Kratzfestig
keit, denn die Brillanz der Oberfläche
und damit das optische Erscheinungs
bild eines Autos werden von feinen
Kratzern, wie sie zum Beispiel bei der
Fahrzeugreinigung in Waschstraßen
entstehen, stark beeinträchtigt. Die
zum Teil mit feinem Sand verunreinig
ten Waschbürsten treffen mit hoher
Energie auf den Lack auf und können
diesen schädigen.
Rezept für mehr Kratzfestigkeit
Bild 1: Waschs/raßen/es/ im Labormaßs/ab zur Prüfung der Kra/zfes/igkei/
Klarlacke, die aus emem weitma
schigen, recht starren Polymer-Netz
werk bestehen, verkratzen schon bei
vergleichsweise geringer Krafteinwir
kung und werden im Waschstraßentest
stark geschädigt (Bild 1 und 2). Um die
Kratzfestigkeit zu verbessern, kannman die Dichte des Polymer-Netz
werks erhöhen. Dieses einfache
Rezept funktioniert üblicherweise nur
zum Teil: Die ersten Kratzer tretentatsächlich erst bei höheren Belastun
gen auf, doch der Lack wird spröder
und es kommt früher zu irreversiblem
feinem Sprödbruch.
Diesen negativen Effekt kann manausgleichen, indem man die Bereichezwischen den Verknüpfungspunkten
des engmaschigen Netzwerks elastischgestaltet, gleichsam wie die Verbindungsfedern einer Matratze (Bild 3).
Oder anders ausgedrückt: Die Glasübergangstemperatur Tg - bei ihr wer
den die Polymere im Netzwerk beweglich - sollte bei 50 bis 60 "C liegen. So
warm werden Autooberflächen auch in
gemäßigten Klimazonen. Bei diesen
Temperaturen zerfließen dann innerhalb von Stunden die Kratzer, die durchplastische Deformation entstanden
sind: Der Lack zeigt einen ReflowEffekt (Bild 4). Außerdem reagiert ein
so eingestellter Lack auf mechanischeBelastung seltener mit Sprödbruch.
JOT 912005
-'-------------
Bild 4: Erwärmt
sich die A utoober
fläche über die
Glasübergangs
temperatur des
Lacks hinaus ,zerfließen
mech anische
Verformungen
wieder(Reflow-Effekt)
Bild 2: Schon
kleine Kräfte sind
in der Lage, das
weitmaschige
Polymer-Netz
eines kratz
empfindlichen
A utoklarlacks
zu "z erre ißen".
Bild 3: Das dichte
und flexible Poly
mer-Netz neu
entwickelter
Klarlacke reagiert
auch bei ver
gleichsweisegroßen Kräften
vermehrt mit
plastischer Verfor
mung und weniger
mit irreversiblem
Sprödbruch
Lackrohstoffe Bayhydur und Bayhydrol haben bereits das Eigenschaftsniveau von lösemittelbasierten Klar
lacken erreicht, die in der Autoserien
produktion eingesetzt werden. Ziel der
aktuellen Forschungsarbeiten ist es,wässrige 2-K-PUR-Systeme zu ent
wickeln, die auch mit den verbesserten
lösemittelhaitigen Lacken der neues
ten Generation mithalten können.
~ viel Kr tzer,Sprödbruch
(2h 60 °Cl
z.B. Was cha nlage~
Reflow-Effekt
z.B. Waschanlage~
eue Generation Autoklarlacke
Kratzern pfindlicher Autoklarlack
Neue Gen eration von Autoklarlacken
(VOC) bei Lackierprozessen tritt 2007in Kraft. Es ist bereits absehbar, dassdie Vorschriften weiter verschärft wer
den. Wässrige Lacke liefern einen
wichtigen Beitrag zur VOC-Reduktion.
In den Laboren von Bayer MaterialScience wird daran gearbeitet, das
oben beschriebene Konzept auf wässrige 2-K-PUR-Systeme zu übertragen.
Wässrige Autoklarlacke auf Basis der
PUR-Technologien mit Zukunft
Klarlackeder nächsten Generation
Die nächste Stufe der Gesetzge
bung zur Reduktion der Emissionen
flüchtiger organischer Bestandteile
Dass die Fähigkeit zur
Selbstheilung bei PUR
Lacken besonders ausgeprägt
ist, hat mit einer Besonderheit
zu tun: Sie enthalten einenhohen Anteil von Wasserstoff
Brückenbindungen (Bild 5).
Diese wirken gleichsam als
"Federverstärkung" im Lacknetzwerk: Mechanische Ener
gie wird abgefangen, eine
Neuorientierung der Polymerketten (Selbstheilungs
effekt) beim Überschreiten
der Glasübergangstemperatur
wird erleichtert.
Durch die Wahl geeigneter
Polyoie und Polyisocyanate
lässt sich das Konzept, die
Netzwerkdichte zu erhöhen
und gleichzeitig die Glasüber
gangstemperatur im optima
len Bereich zu halten, mit der
Polyurethan-Chemie sehr gut
umsetzen. Das Ergebnis sindLacke mit einem hervorra
genden Beständigkeitsniveau- nicht nur gegenüber Ver
kratzungen in der Autowasch
straße, sondern auch gegen
über Umweltbelastungen, wiebeispielsweise UV-Licht oder
saurem Regen.
Nachdem Polyurethan-Klarlacke auf Basis der Polyisocyanate Desmodur und
der Polyoie Desmophen vonBayer MaterialScience sich im
Linieneinsatz bewährt haben,
entwickeln jetzt verschiedene
Lackhersteller nach dem
oben beschriebenen Konzept
an einer neuen Klarlackgene-ration. Es ist zu erwarten, dass es schonbald zum Serieneinsatz solcher verbes
serter Lacke kommt.
JOT 912005
-'-------------WasserstoffbrUckenbindungen zur Netzwerkverstärkung
Wasser stoff·brucken
kombiniert mit nanoskaligen anorga
nischen Polymer-Einheiten.
Wie Laborversuche zeigen, können
diese so genannten Nano Composites
mechanische Energien auf einen
größeren Bereich verteilen und so zum
Beispiel die Verkratzungen als Folgen
der Krafteinwirkung deutlich redu
zieren.H 0
\ ,. """ R""""" ~-~-O """""c-"""0 - \\ \ ~
+~ "." Urethanfunklionen
Feldstudie in einerAutowaschstraße
5O+--~-~-~--~-~-~-~--~-~-~-~
'00..-_=----------------------
Kratzbeständigkeit in der Autowaschstraße
Kontakt: Dr. Markus Mechtel,
Bayer MaterialScience, Geschäftsbereich
Coating s, Adhesives and Sealants,
Marketing Unit Industrial Coatings,
Leverkusen, Tel. 0214/30 25541 ,markus.mechtel@
bayermaterialscience.com
Um die verschiedenen 2-K-PUR
Lacksysteme, die sich in der Entwick
lung befinden, mit Standardprodukten
zu vergleichen, begann Bayer Material
Science im Juni 2003 eine Feldstudie.
Einmal pro Woche wird ein Testfahr
zeug, auf dessen Dachgepäckträgerunterschiedlich lackierte Bleche mon
tiert sind, durch eine öffentliche Auto
waschstraße gefahren. Alle zwei
Wochen wird der Restglanz als Maß für
die Verkratzung ermittelt. Das Ergeb
nis findet sich in Bild 6. Es zeigt sich,dass alle 2-K-PUR-Lacke deutlich
kratzfester sind (höherer Restglanz) als
die noch weit verbreiteten Acrylat
Melamin-Klarlacke. Die positivenEffekte der oben beschriebenen Lack
entwicklungen sind klar erkennbar.
Der Reflow- oder Selbstheilungseffekt
zeigt sich daran, dass die relativenGlanzwerte durch ein Zerfließen derKratzer zwischen 50 und 60 Wasch
zyklen (Sommer 2004) zunehmen. Bei
den verbesserten Neuentwicklungen
ist er nicht so ausgeprägt, weil die
Systeme bereits schon ohne Reflowdeutlich weniger verkratzt sind.
Bei der Interpretation dieser Ergebnisse ist zu beachten, dass die Lack
systeme des Feldtests den Entwick
lungsstand von 2003 darstellen. Insbesondere bei den Dual-Cure-Klarlacken
wurden bis heute weitere Fortschrittebei der Kratzbeständigkeit erzielt. •
1009080
..... 2KPURanDf\lll1isch modiflziort
...... Acrylat~
Solche Systeme sind auch unter
dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlich
keit vorteilhaft, weil sie besondersschnell trocknen und somit die Pro
duktivität bei der Serienlackierungerhöhen. Bayer MaterialScience undein namhafter Lackhersteller erfor
schen in einem Entwicklungsprojekt
das Potenzial dieser Technologie.
Ein weiterer Weg, den der
Lackrohstoffhersteller Bayer Materi
alScience verfolgt, um die Wider
standsfähigkeit von PUR-Lacken
gegenüber mechanischen Einwirkun
gen weiter zu verbessern, ist der Ein
bau von Nanopartikeln in ein Netzwerk, bestehend aus PUR-Strukturen
~ ~ 50 ~ roItnZllltl der Autowaschen
__ 2K-PUR oplrniert
...... 2K-PURwassri
'0
__2K·PJR SliJndwd-a- UVDualeur.
Bild 5: Polyurethan-Locke enthalten viele Wasserstoffbrückenbindungen .Sie erleichtern eine Neuorientierung der Polymere beim Überschreiten derGlosübergangstemperatur.
Bild 6: Kratzfestigkeit verschiedener Klarlocksysteme im Feldtest
Das Konzept lässt sich auch nochauf eine andere Art von 2-K-PUR
Lacken anwenden: So genannteDual-Cure-Systeme härten unter
UV-Strahlung und - hauptsächlich in
den Schattenzonen - auch thermisch
aus. Bekanntermaßen lassen sich mit
der UV-Härtung besonders enge
Polymernetze erzeugen. Durch die
geschickte Kombination mit der ther
mischen Urethan-Härtung ist es möglich, die richtige Balance zwischen
Flexibilität und Härte einzustellen
und somit Lacke zu formulieren, bei
denen chemische Beständigkeit und
Kratzfestigkeit neue Höchstwerte
erreichen.
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