Mankiewicz Gebr. & Co. Georg-Wilhelm-Straße 189 … · Dr. Umberto De Rossi Hamburg, 27.11.2015 . Mankiewicz Gebr. ... Kunststoff-Interieuranwendungen, aber auch Versuche mit Exterieurlackierungen

Mankiewicz Gebr. & Co.

Georg-Wilhelm-Straße 189

21107 Hamburg

Energieeffiziente UV-Lacktechnologie für den Einsatz auf komplex geformten Kunststoffoberflächen

Abschlussberichtüber ein Entwicklungsvorhaben gefördert unter dem AZ 30681- 21/2

durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt

Dr. Umberto De Rossi

Hamburg, 27.11.2015

Mankiewicz Gebr. & Co. Abschlussbericht „UV-Lacktechnologie“ Seite 1

11/95

Projektkennblatt

der

Deutschen Bundesstiftung Umwelt .

Az 30681-21/2 Referat Fördersumme 125.000,00 € Antragstitel

Energieeffiziente UV-Lacktechnologie auf komplex geformten

Kunststoffoberflächen

Stichworte

Laufzeit Projektbeginn Projektende Projektphase(n)

30 Monate 11.01.2013 11.07.2015

Zwischenberichte: alle 6 Monate Kurzbericht

Bewilligungsempfänger Tel 040 / 7 51 03 - 363

Fax 040 / 7 51 03 - 418

Mankiewicz Gebr. & Projektleitung

Co. (GmbH & Co KG) Dr. Umberto De Rossi

Bearbeiter

Kooperationspartner

./. Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Ziel des Projektes lag in der Entwicklung einer UV-Lacktechnologie, die insbesondere auf Kunststoffoberflächen zum Einsatz kommen kann. Die besonderen Herausforderungen, speziell für dreidimensional geformte Kunststoffoberflächen, lagen darin, eine ausreichende Härtung und Kratzfestigkeit der Lacke bei einer deutlich reduzierten UV-Leistungsdichte und -Dosis zu erreichen. Der Beitrag zur Umweltentlastung ergibt sich im Wesentlichen durch den Ersatz der heute typischerweise eingesetzten 2K-Materialien, mit den Kunststoffoberflächen für Innenraumanwendungen beschichtet werden. Pro Jahr werden ca. 20.000 Tonnen 2K-Materialien für diese Anwendung eingesetzt. Der Festkörperanteil dieser Lacke liegt bei ca. 30 bis 40 %, sodass bei Lösemittel-basierten Lacken mehr als 60 % flüchtiger Lösungsmittel enthalten sind.

Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden

Hierzu wurde ein geeignetes Härter- und Lacksystem entwickelt, das eine rein UV-induzierte Härtung der Lackschicht auch bei geringen UV-Leistungsdichten ermöglicht und gleichzeitig eine kratzfeste Oberflächenschicht auf Kunststoffen ergibt. Die bisher nur sehr begrenzte Möglichkeit, UV-Härtetechnologie auf Kunststoffoberfläche umzusetzen, ergibt sich aufgrund der thermischen Belastung der Kunststoffe, die die Maßhaltigkeit negativ beeinflussen. Diese wird verursacht durch den hohen Infrarotanteil der UV-Lampe im emittierten Strahlungsspektrum. Der favorisierte Lösungsansatz war daher in zwei Stufen aufgebaut. In der ersten Stufe sollen die Grundlagen entwickelt werden, um auch bei reduzierter UV-Leistungsdichte eine gute Durchhärtung des Lackes zu erreichen (auch mit gängigen UV-Lampen), so dass insbesondere dreidimensionale Kunststoffoberflächen gut gehärtet werden können. Dazu wurde die fehlende UV-Intensität und -Dosis chemisch kompensiert. In der zweiten Stufe wurden die Ergebnisse auf reale 3D-Kunststoffteile übertragen und diese Lackschichten mit den gängigen Prüfmethoden der Automobilindustrie geprüft und bewertet.

- -190


Ergebnisse und Diskussion Durch Variation der Photoinitiatoren, der Reaktivverdünner und der eingesetzten Oligomere in neuen Formulierungen konnten die Anforderung einer guten Durchhärtung auch bei geringer UV-Leistungsdichte und –Dosis erfüllt werden. Besondere Anforderungen ergaben sich durch die geplante Einsatzfähigkeit dieser UV-Lackschichten im Interieur- und Exterieurbereich der Automobilindustrie, die mit Abstand die höchsten Anforderungen an Kratzbeständigkeit, Oberflächenstruktur, Vergilbung oder Oberflächenhärte hat. Im Zuge der Entwicklungen gelang es, Formulierungen für UV-härtende Lacke zu finden, die auch bei sehr geringen Intensitäten von 300 mW/cm2 und einer deponierten UV-Dosis von 1000 mJ/m2 zu einer kratzbeständigen Oberflächenbeschichtung reproduzierbar durchhärten. Für spezielle Anwendungsbereiche gelang es sogar, die UV-Intensität auf bis zu 50 mW/cm2 und die deponierte UV-Dosis auf 700 mJ/m2 zu reduzieren. Da der Lack von den Produkteigenschaften her die Anforderungen potenzieller Kunden erfüllt, ist hinsichtlich der weiteren Schritte geplant, die entwickelten Lacke im praktischen Einsatz zu prüfen. Dazu werden derzeit im anwendungstechnischen Zentrum der Firma Mankiewicz umfangreiche Tests mit den neuen Lacksystemen durchgeführt. Schwerpunkte bilden hier Kunststoff-Interieuranwendungen, aber auch Versuche mit Lackierungen im Exterieurbereich sowie Erweiterung der Substrate auf andere empfindliche Materialien. Darüber hinaus war das Projekt in zwei Stufen geplant und die bisher gewonnenen grundlegenden Ergebnisse werden in der zweiten Phase so weiterentwickelt, dass diese Lacke sich auch mit UV-LEDs, die hinsichtlich des Emissionsspektrums und der erzielbaren Leistungsdichte weitere Einschränkungen haben, zu übertragen. Insbesondere fehlt den UV-LEDs das energiereiche und kurzwellige UVC-Licht, was den Verlauf der Vernetzungsreaktion verschlechtert. Die bisher gewonnenen Erkenntnisse sind aber eine wesentliche Basis, um auch bei solch weiter eingeschränkten Bedingungen der UV-Beleuchtung ein stabiles Beschichtungssystem umsetzen zu können.

Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Über die wichtigsten Erkenntnisse wurde bereits gemeinsam mit der DBU in der Zeitschrift „Farbe und Lack“ Ausgabe 07.23015 berichtet. Weiterhin ist die Firma Mankiewicz derzeit intensiv mit potentiellen Kunden im Gespräch um die technologische Umsetzung im Markt voranzubringen.

Fazit

Die wesentlichen Grundentwicklungen, die im Rahmen des Projektes durchgeführt wurden, haben einen großen Anwendungsbereich für Kunststoffbeschichtungen. Der anspruchsvollste Markt liegt hier bei der Automobilindustrie, die die höchsten Anforderungen an die Lackoberflächen haben. Die bisher verwendeten 2K-Lacksysteme können dabei vollständig durch ökologisch sinnvolle UV-Lacke ersetzt werden und so neben der deutlichen Reduzierung von Lösungsmitteln auch die hohen Energieaufwendungen für das Trocknen und das thermische Aushärten der bisherigen Lackschichten eingespart werden. Da zukünftig der Anteil von Kunststoffoberflächen im Auto weiter steigen wird, bietet das Verfahren darüber hinaus eine große Zukunftsperspektive und eine nachhaltige zukünftige Nutzung. Im Weiteren besteht ein großes Anwendungsgebiet im Bereich der technischen Oberflächen, wo auch verstärkt Kunststoffe zum Einsatz kommen.

Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190


Inhaltsverzeichnis

VERZEICHNIS VON BILDERN, ZEICHNUNGEN, GRAFIKEN UND TABELLEN .... 4

ZUSAMMENFASSUNG ............................................................................................. 5

EINLEITUNG .............................................................................................................. 6

HAUPTTEIL ............................................................................................................... 9

FAZIT ....................................................................................................................... 20

LITERATURVERZEICHNIS ..................................................................................... 21


Verzeichnis von Bildern, Zeichnungen, Grafiken und Tabellen

Abbildungsverzeichnis: Abb. 1: Darstellung des Härtungsfensters für den Exterieur-Lack (grün bezeichnet) ............................. 9 Abb. 2: Verbesserung der Kratzbeständigkeit des Interieur-Klarlacks .................................................. 10 Abb. 3: Versuche mit der Grundrezeptur bei Variation des Photoinitiators ........................................... 11 Abb. 4: Versuche mit der optimierten Rezeptur bei Variation des Photoinitiators ................................ 12 Abb. 5: Versuche zum Einfluss verschiedener Photoinitiatoren auf die Lackqualität ........................... 13 Abb. 6: Erhöhung der Kratzfestigkeit bei niedrigen UV-Intensitäten ..................................................... 13 Abb. 7: Haftfeste Schichten bei geringsten UV-Intensitäten ................................................................. 14 Abb. 8: Endergebnis der UV-Lackschichten bei geringen UV-Intensitäten

für Automotiveanwendungen .................................................................................................... 15 Abb. 9: Testanlage für die UV-Härteversuche ....................................................................................... 16 Abb. 10: Beschichtung der Testkörper für die Härteversuche .............................................................. 16 Abb. 11: Schneller Test der Kratzbeständigkeit der Lacke nach der Härtung ...................................... 17 Abb. 12: Verbesserte Härtung von komplexen 3D-Bauteilen mit den neu entwickelten Lacken .......... 17


Zusammenfassung

Im Rahmen der durchgeführten Entwicklungsarbeiten wurde untersucht, wie eine kratzfeste

UV-Härtung entsprechender Lacksysteme auch bei geringen Leistungsdichten und einer

geringen deponierten UV-Dosis prozesssicher abgeschieden und durchgehärtet werden

kann. Die wesentlichen Arbeiten befassten sich dabei mit Methoden, die fehlende

UV-Intensität und -Dosis chemisch zu kompensieren. Dazu wurden die an der chemischen

Reaktion beteiligten Komponenten, im Wesentlichen die Photoinitiatoren, die

Reaktivverdünner und die eingesetzten Oligomere in neuen Formulierungen

zusammengeführt und so an die oben genannten Anforderungen angepasst. Besondere

Anforderungen ergaben sich durch die geplante Einsatzfähigkeit dieser UV-Lackschichten im

Interieur- und Exterieurbereich der Automobilindustrie, die mit Abstand die höchsten

Anforderungen an Kratzbeständigkeit, Oberflächenstruktur, Vergilbung oder

Oberflächenhärte hat.

Im Zuge der Entwicklungen gelang es, Formulierungen für UV-härtende Lacke zu finden, die

auch bei sehr geringen Intensitäten von 300 mW/cm2 und einer deponierten UV-Dosis von

1000 mJ/m2 eine kratzbeständigen UV-härtenden Lack reproduzierbar durchzuhärten.

Für spezielle Anwendungsbereiche gelang es sogar, die UV-Intensität auf bis zu 50 mW/cm2

und die deponierte UV-Dosis auf 700 mJ/m2 zu reduzieren.

Da der Lack von den Produkteigenschaften her die Anforderungen potenzieller Kunden

erfüllt, ist hinsichtlich der weiteren Schritte geplant, die entwickelten Lacke im praktischen

Einsatz zu prüfen. Dazu werden im anwendungstechnischen Zentrum der Firma Mankiewicz

umfangreiche Tests mit den neuen Lacksystemen durchgeführt. Schwerpunkte bilden hier

Kunststoff-Interieuranwendungen, aber auch Versuche mit Exterieurlackierungen sowie

Erweiterung der Substrate auf andere empfindliche Materialien.

Darüber hinaus war das Projekt in zwei Stufen geplant und die bisher erreichten

grundlegenden Ergebnisse werden in der zweiten Phase so weiterentwickelt, dass diese

Lacke sich auch mit UV-LEDs, die hinsichtlich des Emissionsspektrums und der erzielbaren

Leistungsdichte weitere Einschränkungen erfordern, zu übertragen. Insbesondere fehlt den

UV-LEDs das energiereiche und kurzwellige UVC-Licht, was den Verlauf der

Vernetzungsreaktion verschlechtert. Die bisher gewonnenen Erkenntnisse sind aber eine

wesentliche Basis, um auch bei solch weiter eingeschränkten Bedingungen der UV-

Beleuchtung ein stabiles Beschichtungssystem umsetzen zu können.


Einleitung

Ausgangssituation

Die UV-Technologie ist energie- und ressourcenschonend, insbesondere nicht nur da der

Lackierprozess aufgrund der fehlenden thermischen Härtung weniger Energie benötigt,

sondern auch da durch geringere Ausschussraten weniger Rohteilen benötigt werden und

somit weniger Kunststoff verbraucht wird.

In den letzten Jahren wurde aufgrund der Vorteile die UV-Technologie auch auf die

Kunststofflackierung übertragen. Ein wesentlicher Treiber waren dabei die Anforderungen an

Hochglanz-Oberflächen und die damit verbundene Kratzbeständigkeit im Automobil-Interieur.

Hierbei ist Mankiewicz einer der führenden Anbieter von UV-Produkten. Eine Hürde für die

Umstellung auf UV-Lack stellt bei Lackierern nach wie vor die Investition in neue

Anlagentechnologie dar, da die meisten Anlagen auf 2-K-Lacke abgestimmt sind.

Überdies hinaus gibt es eine Reihe von technischen Herausforderungen, die mit dem Heat-

Management, der Kratzbeständigkeit und der Geometrie bzw. 3-Dimensionalität verbunden

sind, die bisher noch nicht richtig gelöst werden konnten:

die Lampen müssen immer energiereicher werden, um 3-dimensionalen Bauteile

in allen Ebenen zu härten

bei hohen Energien kommt es oftmals zu einer thermischen Belastung der

Bauteile und damit zu einer verminderten Maßhaltigkeit

die Härtungstiefe (innerhalb der die für das Lacksystem notwendige Intensität

erreicht wird) liegt mit aktuellen Systemen lediglich bei 5-10 cm (Abstand Lampe

– zu härtende Fläche), so dass dreidimensionale Teile mit tiefen Einschnitten

nicht gehärtet werden können

wie kann das auftretende Overspray sicher gehärtet werden

wie können UV-Lacke auch für den Exterieur-Bereich formuliert werden, ohne

dass die Überlappung Absorptionsbande zwischen Absorbern und

Photoinitiatoren zu einer unzureichenden Härtung führt

Aus diesen Gründen kommen vor allem bei komplexen Bauteilgeometrien heute

lösemittelhaltige 2-Komponentenlacke zum Einsatz, obwohl die Ausschussquote aufgrund

der relativ langen Offenzeit bei bis zu 80 Prozent liegen kann.

Durch den Einsatz von UV-Lacken könnten beim erfolgreichen Projektabschluss die 2K-

Materialien direkt substituiert werden und gleichzeitig die Emissionen von VOCs deutlich

reduziert werden. (Potenzial ca. 12.000 Tonnen pro Jahr.)

Der Beitrag zur Umweltentlastung ergibt sich im Wesentlichen durch den Ersatz dieser 2K-

Materialien, mit den Kunststoffoberflächen für Innenraumanwendungen beschichtet werden.

Pro Jahr werden ca. 20.000 Tonnen 2K-Materialien für diese Anwendung eingesetzt. Der

Festkörperanteil dieser Lacke liegt bei ca. 30 bis 40 %, sodass bei Lösemittel-basierten

Lacken 60 % und mehr flüchtige Lösungsmittel enthalten sind.


Weiterhin erfordern Lösemittellacken eine thermische Trocknung bei ca. 80 °C für 30

Minuten, um die Vernetzung sicherzustellen. Dieser Energieaufwand für die Trocknung kann

beim Einsatz von UV-Lacken entfallen.

Im Fokus dieser neuen UV-Lack Anwendung für Kunststoffoberflächen steht dabei ganz

Besonders die Entlastung der Umwelt in folgenden Punkten:

- Verwendung von lösungsmittelfreien Lacksystemen für hoch kratzbeständige

Kunststoffoberflächen im Automobil.

- Verwendung von UV-härtenden Lacken die schnelltrocknend und energetisch

hocheffizient sind.

- Erzielung einer höheren First-Run Quote: der Ausschuss wird durch UV ggf. halbiert

- Durch 1K-Systeme ist ein Lackrecycling möglich, dadurch Einsparung der Verluste

durch Overspray (je nach Bauteil-Geometrie ergibt sich ein Anteil des Oversprays von

50-60%)

Stand der Technik

Zur zumindest teilweisen Entschärfung der oben genannten Probleme bedient man sich im

Markt partiell der sogenannten Dual-Cure Technologie, die eine lichtinduzierte radikalische

UV-Härtung mit einer wärmeinduzierten Isocyanat-Härtung verbindet. Aus energetischer

Sicht ist dies keine Lösung, da man dort zusätzlich zu der UV-Härtung den energiereichen

Schritt der thermischen Härtung benötigt. Zudem haben eigene Untersuchungen gezeigt,

dass durch das Hybrid-Netzwerk (aus Acrylat- und Isocyanat-Vernetzung) die

Kratzbeständigkeit im Vergleich zu einem 100%-UV-Netzwerk reduziert wird und somit

wichtige Vorteile der UV-Technologie verloren gehen.

Wie oben dargestellt, lässt sich die Dual-Cure-Technologie nur begrenzt auf Kunststoffteile

übertragen, da aufgrund der thermischen Belastung die Kunststoffe in ihrer Maßhaltigkeit

negativ beeinflusst werden. Ursächlich dafür ist der hohe Infrarot-Anteil einer jeden

UV-Lampe; nur ein Teil der emittierten Strahlung wird in dem für die UV-Härtung

notwendigen Bereich ausgestrahlt, der Rest ist sichtbares Licht oder Wärmestrahlung.

Will man die UV-Technologie außerdem auf 3-dimensionale Teile anwenden, dann ergibt

sich bei den verfügbaren Strahlern außerdem das Problem, dass diese der Geometrie von

Bauteilen nicht ausreichend folgen können, da die Form der Bauteile i. Allg. feingliedriger ist

als es die verfügbaren Lampenlängen zulassen. Weiterhin ist der Abstand der Lampe zum

Bauteil bei komplexen Geometrien ein limitierender Faktor, insbesondere da die

Leistungsdichte der Lampen nicht beliebig gesteigert werden kann.

Gesamtziel des Vorhabens

Das Ziel des Projektes war daher, in Abstimmung mit den Lampenherstellern Möglichkeiten

zu finden, die Härtungstiefe bei einer gegebenen UV-Strahlungsleistung und einer

gegebenen spektralen Verteilung, deutlich zu erhöhen. Chemie-seitig ist dabei die Aufgabe,

die zum Durchhärten notwendige UV-Intensität deutlich zu reduzieren, so dass auch

dreidimensionale Kunststoffoberflächen mit Lampen gehärtet werden können, wenn die

Leistungsdichte deutlich reduziert ist.


Entwicklungsaufgabe war es daher, die genannten Nachteile der Härtung mit geringen

UV-Intensitäten bei geringer Dosis chemisch zu kompensieren. Dazu waren folgende

Zusammenhänge zu klären und darauf basierend geeignete Lackkomponenten zu

entwickeln:

wie beeinflusst die Wellenlänge und spektrale Breite als Funktion der

UV-Leistung die Kinetik der Radikalkettenreaktion und was bedeutet dies für das

Eigenschaftsprofil des gehärteten Lackfilms

wie wirkt sich die Radikalbildungskonzentration auf die Kratzbeständigkeit aus

Dazu mussten die an der chemischen Reaktion beteiligten Komponenten Fotoinitiator,

Reaktivverdünner und Oligomere an die neuen Anforderungen angepasst werden. Zu Beginn

standen grundlegende Versuche mit Fotoinitiatoren, die schon zeigten, dass die Kombination

von Fotoinitiatoren einen deutlichen Einfluss auf die Lackqualität und Performance

hinsichtlich Kratzbeständigkeit und Feuchtwarmbelastung hat. Ergänzend sollten hierzu

weitere Parameter wie Vergilbung, Oberflächenstruktur, Oberflächenhärte, Ablaufgrenze und

teilweise auch die Lagerstabilität geprüft und bewertet werden, die sich auf die spezifischen

Anwendungsfälle bezogen.

Hieran sollten sich Untersuchungen anschließen, wo die verwendeten Monomere und

Oligomere variiert wurden, um auf den als radikalische Kettenreaktion ablaufenden

Vernetzungsprozess gezielt einzuwirken. Es konnte gezeigt werden, dass sich durch gezielte

Auswahl der Substituenten die Reaktionsgeschwindigkeit maßgeblich beeinflussen.

Im Wesentlichen sollten sich die Arbeiten dabei mit der Substitution innerhalb der

Photoinitiator-Moleküle befassen, die die Absorptionsbande und beeinflusst außerdem die

Photoaktivität verschiebt. Die Absorptionsmaxima zusammen mit der Reaktivität der

Photoinitiatoren mussten so eingestellt werden, dass eine maximale Empfindlichkeit des

Systems erreicht wird.

Ein weiterer wichtiger Arbeitsschritt sollte sich mit der Reduzierung der Sauerstoffinhibierung

befassen. Zur Reduzierung des Einflusses der Sauerstoffinhibierung ist auch die

Verwendung von Wachsen möglich, die die Oberfläche gegen Sauerstoff abschirmen und

dadurch die Ausbeute der Kettenreaktion höher ist. Allerdings haben die Wachse auch einen

negativen Einfluss auf die Oberflächenhärte, so dass eine wesentliche Eigenschaft, nämlich

die Kratzbeständigkeit, negativ beeinflusst wird.

Ein grundlegender Untersuchungspunkt konzentrierte sich auf die Kinetik der härtenden

Systeme. Die Kinetik von radikalisch härtenden Systemen lässt sich partiell über die

Kontrolle der Diffusion während des Härtungsprozesses steuern. Während zu Beginn der

Reaktion die Viskosität noch gering ist, ist die Anzahl an Kettenabbruchreaktionen durch

Rekombination und Disproportionierung klein, die Radikale können migrieren und zum

Kettenaufbau beitragen. Mit zunehmender Netzwerkausbildung steigt die Tg und bei

Erreichung der Raumtemperatur werden die Reaktionen eingefroren. Die Tg kann durch die

Auswahl an Monomeren und Oligomeren beeinflusst werden und so zu einem möglichst

langsamen Anstieg beitragen so dass die Abbruchreaktionen lange in den Hintergrund

gedrängt werden. Dies sollte gegen die Eigenschaften des gehärteten Films abgeglichen

werden.


Hauptteil

Härteergebnisse als Funktion des Abstandes und der Leistungsdichte

Die Projektarbeiten befassten sich zu Beginn mit grundlegenden Untersuchungen der

Härteergebnisse als Funktion des Abstandes und der Leistungsdichte der UV-Strahlung.

Im ersten Schritt wurden dazu auf Basis eines pigmentierten schwarzen UV-Lackes die

Prozessfenster im Detail untersucht. Die Untersuchungen umfassten die Abhängigkeit von

der Intensität und der Dosis, in welchem Applikationsfenster der dort verwendete Lack die

relevanten Spezifikationen Haftung, Hydrolyse, Creme und Erichsen-Härte besteht. Die

Ergebnisse zeigten, dass im Bereich der gängigen Dosis von 2.000 bis 5.000 mJ/cm² keine

Probleme entstehen, bei einer niedrigeren Dosis unter 1.500 mJ/cm² bis 1.000 mJ/cm² die

Prüfanforderungen nicht bestanden werden. Variiert wurde zusätzlich für eine gegebene

Dosis noch die maximale Leistungsdichte.

Die Versuche im ersten Schritt wurden mit einem Interieur-Lack durchgeführt. Ergänzend

wurde im zweiten Schritt noch ein Exterieur-System herangezogen, bei dem die hierfür

relevanten Prüfungen Haftung, Baumharz, Dampfstrahltest und Steinschlag zugrunde gelegt

wurden. Die ersten Projektergebnisse zeigten sehr deutlich, dass bei diesem Lack das

Prozessfenster deutlich kleiner und zu höheren Dosiswerten hin verschoben war. Eine

mögliche Erklärung hierfür lag an den höheren Anforderungen im Exterieur-Bereich. Das

Prozessfenster ist in der folgenden Abbildung noch mal dargestellt.

Abb. 1: Darstellung des Härtungsfensters für den Exterieur-Lack (grün bezeichnet)

Prozessfenster eines aktuellen UV-Lackes (pigmentiert)

6' 60°C

soll: 25-30µm Chemikalienbest.

Versuch mJ/cm² mW/cm² mJ/cm² mW/cm² TSD Oberfläche AH Verhalten im Dampfstrahltest (PV 1503)Baumharz (VW TL211)Steinschlag

1 4000 1600 3980 1570 35 Gt: 0 i.O. i.O 2,0

2 4000 800 4206 842 30 Gt: 0 i.O. i.O 2,0

3 4000 500 4216 502 26 Gt: 0 i.O. i.O. 2,0

4 3500 1600 3438 1570 31 Gt: 0 i.O. i.O. 2,0

5 3500 800 3535 819 31 Gt: 0 i.O. i.O. 2,0

6 3500 500 3639 520 30 Gt: 0 1b n.i.O. i.O. 2,0

7 2000 1600 1990 1570 28 Gt: 0 (3a n.i.O.) n.i.O 2,0

8 2000 800 1988 818 30 Gt: 0 1b n.i.O. i.O. 2,0

9 2000 500 2108 502 35 Gt: 0 1a n.i.O. n.i.O 2,0

10 1500 1600 1448 1550 30 Gt: 0 <1b knapp i.O.n.i.O 2,0

11 1500 800 1500 810 26 Gt: 0 3a n.i.O. n.i.O 2,0

12 1500 500 1565 520 28 Gt: 0 2-3a n.i.O. i.O. 2,0

soll ist

Ln06500235


Chemische Prozesskette

Parallel zu den Vorversuchen wurde bereits untersucht wie, basierend auf den ersten

Ergebnissen, gezielt die Eigenschaften des UV-Lacks chemisch verbessert werden können.

Diese ersten Untersuchungen erfolgten beim Interieur-Lack unter Bewertung des kritischsten

Punktes, der Kratzbeständigkeit. Diese konnten bis dato nur bei hohen Intensitäten und einer

hohen Dosis der UV-Strahlung sichergestellt werden. Bei der gewählten Dosis von

1.200 mJ/cm² und einer Intensität von 1.000 mW/cm² wies der ausgesuchte Klarlack eine

sehr schlechte Kratzbeständigkeit auf und war mit diesen Härtungsdaten nicht einsatzfähig.

In diesem System wurden nun verschiedene Oligomere erprobt, und in unterschiedlichen

Mengen eindosiert und die resultierende Kratzfestigkeit untersucht. Es konnte grundlegend

gezeigt werden, dass es durch gezielte Zugabe von Oligomeren möglich ist, auch mit den

reduzierten Intensitäten eine deutlich verbesserte Kratzbeständigkeit zu erreichen.

Abb. 2: Verbesserung der Kratzbeständigkeit des Interieur-Klarlacks

In der nächsten Stufe der Grunduntersuchungen wurde dann ein weiterer wichtiger

Parameter, die Durchtrocknung bei der Härtung genauer analysiert. Anhand eines

pigmentierten Lack-Systems wurde versucht, die Intensität zu senken und dabei

a) die Schichtdicken und

b) die Intensitäten zu variieren.

Die Ergebnisse zeigten dabei, dass bei 600 mJ/cm² und 500 mW/cm² die Haftung aufgrund

der fehlenden Durchhärtung nicht mehr gegeben ist. Dieses nicht zufriedenstellende

Ergebnis führte dann zu weiteren Versuchen um mit Hilfe der Photoinitiatoren eine bessere

Durchhärtung zu erreichen.

Es wurden verschiedene einzelne Photoinitiatoren in unterschiedlichen Dosierungen

zugegeben, allerdings ergab sich dabei kein messbarer Effekt und die Haftung war nach wie

vor nicht ausreichend. Verbessert werden konnte die Haftung erst durch ein Gemisch aus

fünf Photoinitiatoren, die sorgsam ausbalanciert sein mussten.

Standard Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4 Variante 6 Variante 7 Variante 9

Oligomer 1 12,9

Oligomer 2 12,9

Oligomer 3 12,9 28 42,9 13,4

UV-Härtung 1200mJ/cm², 1100mW/cm² Hg-Lampe

Glanz (60^) 100 100 100 100 100 100 100 100

Scotch Brite 20 Hübe 44 44 66 60 84 64 94

50 Hübe 22 36 56 72 74 59 89

Papierkratztest 0-4

0= bester

Wert

4=

schlechtest

er Wert 4 4 3 2,5 3-4 0-1 0-1 0-1


Hier gelang es entweder die Schichtdicke auf ca. 48 µm hochzusetzen, oder aber bei

geringerer Schichtdicke mit einer sehr niedrigen Dosis von 600 mJ/cm² und 500 mJ/cm² eine

vollkommene Durchhärtung und somit eine Haftung der Lackschicht zu erzielen.

Diese Versuche stellten somit den Startpunkt für die weitergehenden Analysen der Einflüsse

aus Photoinitiatoren, Oligomeren, Funktionalitäten und Prozessparameter dar.

Die Entwicklung der chemischen Prozesskette umfasste dabei Photoinitiator,

Reaktivverdünner, Polyurethanoligomer und Acrylat. Begonnen wurde im Bereich der

Photoinitiatoren mit teilweiser Nutzung von s.g. Boostern zur Verstärkung.

Es wurde dazu eine Vielzahl von Versuchen mit unterschiedlichen Photoinitiatoren

durchgeführt. Danach wurden Vergilbung, Oberflächenstruktur, Oberflächenhärte,

Ablaufgrenze und teilweise auch Lagerstabilität geprüft und bewertet.

So gelang es einen ersten, deutlichen Fortschritt zu erreichen. Ausgehend von einer

Grundformulierung, konnte über viele Zwischenschritte die notwendige Intensität und Dosis

deutlich reduziert werden. Mittlerweile ist eine Intensität von 50 mW/cm2 ausreichend, um

eine gute Härtung zu realisieren.

Auf dieser Basis konnten die Arbeiten dann weitergeführt werden und auf die weiteren

Parameter konzentriert werden.

Abb. 3: Versuche mit der Grundrezeptur bei Variation des Photoinitiators

Die ersten Versuche zeigten noch keine befriedigenden Ergebnisse hinsichtlich der

Oberflächenqualität. Gerade bei geringen UV-Intensitäten war die erzielbare Qualität der

Schichten nicht zufriedenstellend. Eine reine Erhöhung des Photoinitiators reichte nicht aus,

sondern verschlechtert das Ergebnis in einigen Bereichen eher.

Im Verlauf der Versuchsreihen gelang es aber dann die Parameter besser an die geringe

Leistungsdichten der UV-Strahlung bei einem gegebenen Spektrum der Strahler

anzupassen.

In der folgenden Abb. 4 sind die Fortschritte anhand der optimierten Ergebnisse nochmals

zusammengefasst. Die UV-Intensität konnte deutlich gesenkt werden, und die erreichte

Qualität der Lackschicht erreichte in den meisten Punkten wie der Kratzfestigkeit und der

Grundaushärtung des Lackes schon die gewünschten Eigenschaften.

Geräteeinstellung

Intensität [mW/cm²] 400 400 400 400 400

Dosis [mJ/cm²] 600 600 600 600 600

Oberflächenfarbe / Vergilbung

wenig

Gelbstich leicht gelb stark gelb

Oberflächenstruktur Bläschen Bläschen Bläschen Bläschen Bläschen

Oberflächenhärte

Läufergrenze

Lagerstabilität

Grundrezeptur mit Variation Photoinitiator von 3% bis 5% in 0,5

Abstand

Hg, non focus


Abb. 4: Versuche mit der optimierten Rezeptur bei Variation des Photoinitiators

Auf der Basis dieser sehr viel versprechend Ergebnisse und der durchgeführten Versuche

konnten dann weitere Optimierungen durchgeführt werden, um schlussendlich alle

gewünschten Parameter in einer Lackformulierung zu erreichen. Dabei fokussierten die

Arbeiten speziell auch darauf, die Automobilspezifikationen zu erfüllen. Hier besteht ja das

größte Verwertungspotential für die neuen UV-Lacke.

Prozessfenster für die UV-Strahlungshärtung mit geringer Leistung und Erzielung der

Automobilspezifikationen

Die Projektarbeiten wurden dazu auf der Basis der Entwicklung der chemischen

Prozesskette weiter vorangetrieben. Darüber hinaus wurden intensive Versuche

durchgeführt, um die UV-Strahlungshärtung mit geringerer Leistung umsetzen zu können.

Die wesentlichen Schwerpunkte der Arbeiten konzentrierten sich dabei auf Formulierungen

und Prozessparametern, um die benötigte Oberflächenhärte mit der niedrigsten möglichen

Intensität des UV-Lichtes zu kombinieren.

In einer umfangreichen Versuchsreihe wurde die Kratzbeständigkeit nochmals genauer

untersucht. Es wurden eine Reihe verschiedener Photoinitiatoren verwendet und deren

Einfluss auf das Martindale-Testergebnis, das die Kratzbeständigkeit bewertet, untersucht.

Die Grundformulierung des Lacks unterschied sich zwar leicht von den vorangegangenen

Versuchen, aber die Ergebnisse sind relativ zueinander ähnlich und lassen sich somit auch

auf andere Systeme übertragen.

Die Versuche wurden bei einer konstanten mittleren Dosis von 1.000 mJ/cm² bei einer

Intensität von 350 mW/cm² durchgeführt. Die Bewertung der Ergebnisse hinsichtlich Haftung,

Hydrolyse, Creme-Beständigkeit entsprechend der VW-Norm und der Kratzbeständigkeit

ermittelt mit den Martindale Methoden ist in der folgenden Abb. 5 dargestellt.

Der Einfluss der unterschiedlichen Photoinitiatoren ist daraus deutlich zu sehen. Es können

verschiedene Bereiche identifiziert werden, bei denen die Härte und die Haftung die

Anforderungen sehr gut erfüllen, was wiederum eine Bestätigung des im Projekt verfolgten

Ansatzes darstellt, dass z. B. die geschickte Kombination von Photoinitiatoren einen

deutlichen Einfluss auf die Schicht bei geringen UV-Bestrahlungen hat.

Rezept 57

mit 1%

Irgacure 651

Rezept 57 mit

1,5% Irgacure 651

Rezept 57 mit abgeänderter

Additivierung und höherem

Anteil an Genocure LTM

(3,3%)

Rezept 57 mit

abgeänderter

Additivierung und

höherem Anteil an

Genocure LTM (4%)

Rezept 81

mit 0,5%

Tego Rad

2011

mit

hochfunktionell

Monomer zur

Verringerung

der PI Menge

Rezept 83

mit 1% Tego

Rad 2011

Geräteeinstellung

mit neuen Abstandshaltern,

Hg, focus, [2x 49/1,7] [2x

40/1,0]

mit neuen

Abstandshaltern, Hg,

focus, [2x 49/1,7] [2x

40/1,0]

Härten mit

48/1,6

Härten mit [2x

48/1,6]

Härten mit

[3x 48/1,6];

mit [2x

48/1,4]

Intensität [mW/cm²] 46 46 48, 31 48, 31 49 56 47, 47

Dosis [mJ/cm²] 568 568 543, 528 538, 484 515 584 872, 661

Oberflächenfarbe / Vergilbung

keine

Gelbfärbung

Oberflächenstruktur

viele

Bläschen ab

30µm

viele Bläschen ab

30µm

sehr viele Bläschen, starke

Orangenhaut

Überall Bläschen, guter

Verlauf

sehr guter

Verlauf

etwas mehr

Bläschen

sehr gut,

ganz leicht

Bläschen

Oberflächenhärte

gute Haptik,

kein Kleben

gute Haptik, kein

Kleben gute Haptik, kein Kleben kein Kleben

klebt noch

leicht

klebt noch

leicht

sehr hart

(bei

100mJ/cm²

mehr als

Versuch -83)

Läufergrenze n.i.O. 27µm

Lagerstabilität

Härtung mit Cyconjet Anlage bei

200mm Abstand, 40%

Lampenleistung, 7x9m/min


Abb. 5: Versuche zum Einfluss verschiedener Photoinitiatoren auf die Lackqualität

Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten befasste sich dann mit Untersuchungen zur

Kratzfestigkeit bei niedrigen Intensitäten und bei einer niedrigen Dosis. Hier wurde versucht

die Kratzfestigkeit in der Form zu verbessern, dass die Funktionalität erhöht wurde.

Die in der folgenden Abb. 6 dargestellten Ergebnisse zeigen doch sehr deutlich, dass für

verschiedene Lackformulierungen gute oder sehr gute Ergebnisse erreicht werden können,

wenn die Prozessparameter richtig gewählt werden. In der Gesamtbewertung ist somit das

Optimierungspotenzial gerade bei niedrigen Intensitäten und einer niedrigen Dosis der

UV-Strahlung sehr groß und es können in der Formulierung gewünschte Eigenschaften

durch spezifische Oligomere erreicht werden.

Abb. 6: Erhöhung der Kratzfestigkeit bei niedrigen UV-Intensitäten

Formulierung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Stammformulierung 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

trifunktionelles Monomer 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

Photoinitiator 1 2 1 3,4

Photoinitiator 2 2 3,4

Photoinitiator 3 2 3,4

Photoinitiator 4 2 1 3,4

Photoinitiator 5 2 1 1 1 3,4

Photoinitiator 6 2 2,4 3,4

Dosis/Intensität

Schichtdicke Basecoat [µm] 23 27 22 24 20 24 21 23 25 22-25 20-30 20-30 20-29 20-25 23-25

Schichtdicke Topcoat [µm] 30 30 25 29 27 30 28 30 29 22-30 25-30 25-30 28 25-30 25-30

Bemerkung

Anfangshaftung GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT1 GT0 GT0 GT0 GT0

nach Alterung GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0

HydrolyseGT 0 GT 0 GT 0 GT 0 GT 0 GT 0 GT 0 GT 0

GT 0

Rissbil

dungGT0 GT0 GT0 GT2-3

GT0,

Rissbil

dung

GT0,

Rissbil

dung

Creme VW i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. GT1-2 i.O. i.O. i.O i.O.

Martindale 89% 81% 88% 87% 79% 84% 89% 86% 83% 92% 84% 87% 87% 91% 88%

KK GT0 GT2 GT0 GT3-4 GT0 GT0

1000mJ/cm², 350mW/cm²

0-Probe

757-16 (H

605-01)

0-Probe

757-16 (H

605-01)

0-Probe 0-Probe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Stammlack 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

Oligomer 1 20 20 20 20

Oligomer 2 20 20

Oligomer 3 20 20

Oligomer 4 20 20

Oligomer 5 20 20 20 20

Lösungsmittel auf

Mischung 901-7030% 30%

Dosis/Intensität

Schichtdicke [µm] 23 25 28 / 27 25 25 25 25 / 28 25 / 28 25 25 22 28 / 28 30-37 32-38 32-40 32-40

Bemerkungen

Oberfläch

e zeigt

Auffälligke

iten

Oberfläch

e zeigt

Auffälligke

iten

Oberfläch

e zeigt

Auffälligke

iten

Oberfläch

e zeigt

Auffälligke

iten

Oberfläch

e zeigt

Auffälligke

iten

Oberfläch

e zeigt

Auffälligke

iten

Anfangshaftung GT0 GT0 Gt 0 /

GT 5Gt 0 Gt 0 Gt 0

Gt 0 /

GT 0

Gt 0 /

GT 0Gt 0 Gt 0 Gt 0

Gt 0 /

GT 0GT1-2 GT0 GT1-2 GT0

nach Alterung GT0 GT0 Gt 0 / GT

0Gt 0 Gt 0 Gt 0

Gt 0 /

GT 0

Gt 0 /

GT 0Gt 0 Gt 0 Gt 0

Gt 0 /

GT 0GT0 GT0 GT0 GT0

Hydrolyse i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O.GT1-2 /

GT 1-2GT0/ GT0

GT1-2/

GT1-2GT0/ GT0

Creme i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O.

Martindale 83% 83%90% /

93%88% 90% 91%

91% /

91%

90% /

94%93% 91% 92%

93% /

96%93% 96% 92% 91%

KK 240h n.d. n.d. GT0 n.d. n.d. n.d. GT0 GT0 n.d. n.d. n.d. GT0 GT0 GT0 GT0 GT0

Daimler Hydrolyse n.d. n.d. n.i.O. GT n.d. n.d. n.d. Gt 0 n.i.O. GT n.d. n.d. n.d. Gt 0 n.d. n.d. n.d. n.d.

1000 mJ / 350 mW 1000 mJ / 350 mW

20%20%

1000 mJ / 350 mW1000 mJ / 350 mW

20%


Im letzten Projektjahr konnten erstmals haftfeste und kratzbeständige Schichten demonstriert

werden, die mit Intensitäten im Bereich von 50 mW/cm² erzeugt wurden. Hierbei fand eine

Formulierung Verwendung, wie sie typischerweise für Holzoberflächen verwendet wird.

Neben den Arbeiten zur chemischen Optimierung der Grundformulierung ergaben sich

zusätzlich Probleme, um die niedrigen Intensitäten mit den vorhandenen UV-Lampen zu

erzeugen. Diese lassen sich nicht so weit herunterregeln, wie es für diese Versuche

notwendig gewesen wäre.

Gelöst wurde das Problem dadurch, dass über Abstandsvariationen und die sich somit

ergebene Vergrößerung des Lichtfleckes niedrigere Intensitäten auf der Probenoberfläche

erzielt wurden. Im Rahmen dieser Arbeiten konnte gezeigt werden, dass sogar über

Entfernungen von bis zu 30 cm von der Lampe eine Härtung definiert erfolgen kann. In

diesem Bereich wären somit auch Oberflächen auf dreidimensionalen Körpern in einem

Durchgang UV-härtbar. In den Versuchen gelang es, die minimale Intensität des gesamten

UV-Spektrums auf 20 mW/cm² zu reduzieren, wobei allerdings das Einsatzgebiet

eingeschränkt ist.

Die ausgewählten Ergebnisse sind in der folgenden Abb. 7 nochmals dargestellt.

Abb. 7: Haftfeste Schichten bei geringsten UV-Intensitäten

16 17 18 19 20 21 22

Oligomer 1 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5

Oligomer 1 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5

Oligomer 1 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5

Oligomer 1 16,4 16,4 16,4 16,4 16,4 16,4 16,4

Oligomer 1 8,6 8,6 8,6 8,6 8,6 8,6 8,6

Additiv 1 - - - - - - -

Additiv 1 - - - - - - -

Additiv 1 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5

Additiv 1 1 1 1 1 1 1 1

Photoinitiator 3,3 3,3 3,3 3,3

Photoinitiator 2

Photoinitiator 1,5

Photoinitiator

Photoinitiator

Additiv 1

Additiv 1

Photoinitiator 3,3

Photoinitiator 3,3 1,5 1,5

Photoinitiator 3,3

Photoinitiator

Additiv 1 5

97,3 97,3 97,3 98,8 99,3 98,8 103,8

Nass (auch

nach 200s

Belichtung)

Nass (auch

nach 200s

Belichtung)

Nass (auch

nach 200s

Belichtung)

b.i.O. Ecken

etwas Tacky

b.i.O. Ecken

etwas Tacky i.O. i.O.

Neue Lampeneinstellung: IST

Strahler Klein[35%]: 100s

Belichtung (ohne Bewegeung)

UVA: 7mW/cm² 680mJ/cm², UVC:

1mW/cm² 100mJ/cm²


Somit konnte gezeigt werden, dass kratzbeständige, UV-härtende Lacke bei niedrigsten

Intensitäten und einer stark reduzierten Dosis reproduzierbar durchhärten können.

Insbesondere konnte gezeigt werden, dass auch in einem gegebenen Abstandsbereich von

bis zu 30 cm vor der Lampe eine Härtung mit definierten Prozessparametern möglich ist.

In diesem Bereich sind allerdings deutlich höhere Anforderungen an die Formulierung des

Lackes (eingesetzte Photoinitiatoren und Additive) notwendig, um solch geringe Intensität zu

erreichen. Wichtige Erkenntnisse ergaben sich auch hinsichtlich der Härtung

dreidimensionaler Objekte, da gerade bei niedrigen Intensitäten sich ein großes

Bearbeitungsfeld vor der Lampe ergibt, in dem eine definierte Durchhärtung erzielt werden

kann.

Über die verschiedenen Entwicklungsschritte konnten final geeignete Prozessparameter

gefunden werden, bei denen kratzbeständige UV-härtende Lacke bei niedrigen Intensitäten

und einer stark reduzierten Dosis reproduzierbar durchzuhärten waren und die

Anforderungen der Automobilindustrie erfüllt werden. (siehe Abb. 8)

Abb. 8: Endergebnis der UV-Lackschichten bei geringen UV-Intensitäten für

Automotiveanwendungen

Applikationstechnik und Versuchsdurchführung

In der folgenden Abbildung ist die Versuchsanlage der Firma Mankiewicz dargestellt, wo die

Untersuchungen durchgeführt wurden. Die UV-Strahler können variabel verstellt werden um

so die Intensität und die Dosis in einem größeren Bereich anpassen zu können.

0-Probe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Stammlack 100 80 80 80 80 80 77 77 77 77 77 74 77 76 76

Oligomer 1 20 20 20 20

Oligomer 2 20 20

Oligomer 3 20 20

Oligomer 4 20 20

Oligomer 5 20 20 20 20

Additiv 1 3 3 3 3 3 3

Additiv 2 3 3 3

Monomer 1 3 3

Dosis/Intensität

Schichtdicke [µm] 23 27 25 25 25 25 25 25 25 22 28 30 28 28 28

Visueller Aspekt der

Oberflächei.O. i.O. n.i.O n.i.O n.i.O n.i.O n.i.O n.i.O n.i.O n.i.O i.O. i.O. i.O. i.O. i.O.

Anfangshaftung i.O. n.i.O i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. n.i.O i.O. n.i.O i.O.

Anfangshaftung nach

Alterungi.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O.

Hydrolyseprüfumg nach

VW TL 226i.O. n.i.O i.O. i.O. i.O. i.O. n.i.O i.O. i.O. i.O. i.O. n.i.O i.O. n.i.O i.O.

Cremeprüfung nach

VW TL 226i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O.

Martindale Kratzprüfung

nach VW TL 226n.i.O i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O.

1000 mJ/cm2 und 350 mW/cm2


Abb. 9: Testanlage für die UV-Härteversuche

Die Versuche wurden mit Testkörpern durchgeführt die unter definierten Bedingungen

beschichtet wurden. (siehe Abb. 10)

Abb. 10: Beschichtung der Testkörper für die Härteversuche

Neben den genormten Testverfahren können bereits nach dem Härten mit einfachen

Vorabtests die grundlegenden Eigenschaften der Lackschicht schnell und qualitativ bestimmt

werden. (siehe Abb. 11)


Abb. 11: Schneller Test der Kratzbeständigkeit der Lacke nach der Härtung

Die neuen Lacke, die für eine geringe Dosis und Leistungsdichte optimiert sind, bieten eine

hervorragende Möglichkeit um auch komplexe 3D-Bauteile sicher Härten zu können. Ein

Beispiel ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Abb. 12: Verbesserte Härtung von komplexen 3D-Bauteilen mit den neu entwickelten Lacken


Verwertung der Projektergebnisse

Die im Rahmen des Projektes erreichten Ergebnisse zeigen, dass auch bei geringen

UV-Intensitäten und einer geringen deponierten UV-Dosis stabile Prozessfenster gefunden

werden können, in denen speziell angepasste UV-Lacke höchsten Anforderungen, wie sie

beispielsweise von der Automobilindustrie gefordert werden, genügen können. Die oben

dargestellten Ergebnisse des Projektes zeigen, dass die geplanten Ziele alle erreicht werden

konnten. Es gelang sogar, auch für Exterieuranwendungen, die beispielsweise noch höhere

Anforderungen an die Kratzbeständigkeit haben, geeignete Lackformulierungen und

Prozessfenster zu finden. Für spezielle Anwendungen, die keine extremen Anforderungen

wie die Automobilindustrie an die Lackoberfläche haben, konnte die notwendige

Leistungsdichte sogar auf 50 mW/cm2 reduziert werden.

Die erzielten Projektergebnisse legen die Basis dafür, zukünftig nach Abschluss der

weitergehenden Entwicklungen im Prozesslabor am Markt ein alternatives Lacksystem

anzubieten, um hochglanzbeschichtete Kunststoffbauteile prozesssicher herzustellen. Somit

besteht erstmals die Möglichkeit, vor allem bei komplexen Bauteilgeometrien, die bisher

standardmäßig eingesetzten lösemittelhaltigen Zweikomponentenlacke zu ersetzen.

Die wesentlichen Nachteile dieses Verfahrens hinsichtlich Ausschussquote und

Energieverbrauch können hiermit umgangen werden. Bedingt durch die lange Offenzeit kann

die Ausschussquote bei Zweikomponentenlacken bis zu 80 % betragen. Dabei übertreffen

der Lack- und der Energieverbrauch dieser 2-K-Lacke die Werte bei UV-Lackierung deutlich.

Die Einsparungen sind dabei erheblich, da beispielsweise 2-K-Systeme für

Innenraumanwendungen im Automobil nur in Europa mit ca. 20.000 t Lack pro Jahr

abzuschätzen sind. Hiervon sind, wie oben bereits dargestellt, ca. 60 % Lösemittel

anzunehmen, die durch das neue Verfahren komplett wegfallen. Da die Ausschussquoten

ebenfalls deutlich reduziert werden können und der Overspray recycelt werden kann, ergibt

sich eine weitere Einsparung hinsichtlich des Lackverbrauchs von bis zu 60%. Somit können

die Emissionen an VOCs deutlich reduziert werden.

Aus einigen Abschätzungen kann darüber hinaus davon ausgegangen werden, dass der

Energieverbrauch sich mit UV-härtenden Lacksystemen um ca. den Faktor 5 gegenüber der

thermischen Trocknung und Abluftreinigung reduziert. Die genauen Zahlen hängen dabei

von der individuellen Gestaltung der Lackierstraße und der Abluftanlage ab. Ein großer Teil

der Energie in Deutschland stammt aus fossilen Quellen [1], so dass eine Verringerung des

Energieverbrauchs direkt zu einem Schutz des Klimas und endlicher Ressourcen führt.

Darüber hinaus stellen diese Energieeinsparungen auch einen ökonomischen Vorteil für den

Anwender dar.

Mit dem Projekt ist der Firma Mankiewicz ein wichtiger Schritt gelungen, um UV-härtende

Lacksysteme in einem vollständig neuen Anwendungsgebiet einsetzen zu können, dort

bessere Qualitäten zu erreichen und gleichzeitig Emissionen und Energieverbräuche zu

verringern. Die Applikation der UV-Lacke erfolgt mit gängigen Systemen, sodass bestehende

Lackierstraßen relativ einfach umgerüstet werden können. Der wesentliche Punkt lag ja

bisher darin, dass keine geeigneten Lacksysteme vorhanden waren, die bei geringen


UV-Leistungen und einer geringen UV-Dosis die hohen Anforderungen der Kunden

(insbesondere der Automobilindustrie) erfüllt haben.

Die Projektergebnisse zeigen darüber hinaus, dass auch durch die deutliche Reduzierung

der UV-Leistungsdichte das geometrische Prozessfenster deutlich erweitert werden kann

und insbesondere, wenn komplexe dreidimensionale Strukturen betrachtet werden, hier in

einem weiten Bereich stabile Prozessbedingungen an der Oberfläche erreicht werden

können. Dies ist sehr wichtig hinsichtlich der technischen Einsatzfähigkeit des Verfahrens,

sodass der Abstand zwischen der UV-Lichtquelle und dem Bauteil in einem weiteren Bereich

variiert werden kann, ohne dass es zu Prozesseinschränkungen kommt.

Derzeit arbeitet die Firma Mankiewicz intensiv an der Weiterentwicklung der Lacke im

Serieneinsatz. Dazu werden im anwendungstechnischen Zentrum der Firma Mankiewicz in

Hamburg derzeit umfangreiche Tests mit den neuen UV-Lacken durchgeführt. Schwerpunkte

bilden dabei die Kunststoff-Interieurbeschichtung, aber auch Exterieurlackierungen, die sich

als interessante Applikation im Rahmen der Projektarbeiten zusätzlich ergeben haben.

In einer dritten Stufe sollen auch weitere Substrate wie beispielsweise Holzfurniere

beschichtet werden. Diese Arbeiten dienen als Basis für die Verbreitung der

Projektergebnisse. Die neuen Lacksysteme sollen baldmöglichst potenziellen Kunden zur

Verfügung gestellt werden, mit denen weitere Basisuntersuchungen in der technischen oder

großtechnischen Anwendung stattfinden werden. Wenn diese Untersuchungen positiv

abgeschlossen werden, dann wird das neue Lacksystem kundenspezifisch am Markt

angeboten.

Darüber hinaus wurden durch direkte Kundeninformationen weitere Maßnahmen zur

Verbreitung der Ergebnisse durchgeführt. In einem umfangreichen Artikel, der in der

Zeitschrift Farbe und Lack, Ausgabe 07/2015 [2] erschien, wurde gemeinsam mit der

Deutschen Bundesstiftung Umwelt über die Projektergebnisse berichtet. Da diese Zeitschrift

mit das wichtigste Informationsorgan für die Lackindustrie darstellt, ist eine große

Verbreitung gegeben und es konnten bereits viele interessante Gespräche im Nachgang

geführt werden.


Fazit

Die Entwicklung von UV-härtenden Lacksystemen, die sowohl höchsten technologischen

Anforderungen (z. B. Kratzbeständigkeit lt. Automobilanforderung) genügen, als auch mit

deutlich reduzierten UV-Leistungsdichten und einer deutlich reduzierten UV-Dosis gehärtet

werden können, hat sich als ein schwieriges, aber machbares Projekt dargestellt.

Der grundlegende Ansatz, die fehlende UV-Strahlung „chemisch“ zu kompensieren,

funktioniert prinzipiell gut und zuverlässig. Die geschickte Auswahl der Photoinitiatoren sowie

das zusätzliche Einbringen von Oligomeren und spezifischen Additiven führen andererseits

auch zu komplexeren Lackformulierungen, deren Herstellung eine deutlich höhere

Anforderung an den Lackproduzenten stellt. Dies ist eine wesentliche Kernkompetenz der

Firma Mankiewicz, um gezielt Prozesse so weiterzuentwickeln, so dass sie für die

unterschiedlichen Kunden zu einem optimalen Beschichtungsergebnis führen.

Die Firma Mankiewicz sieht sich hierbei als ein Wegbereiter auch der UV-Lacktechnologie,

insbesondere für die sehr anspruchsvollen Applikationen im Bereich der Automotivindustrie,

die mit die höchsten Anforderungen hat. Im Rahmen des Projektes konnten die

grundlegenden Probleme gelöst werden und ein ausschließlich UV-härtender Lack entwickelt

werden, der einen wirklich neuen Ansatz beim Einsatz von UV-Lacken auf

Kunststoffoberflächen ermöglicht. Die technische Herausforderung, einen rein auf

radikalischer Kettenreaktion ablaufenden Vernetzungsprozess gezielt umzusetzen, konnte

hervorragend gelöst werden. Dies war auch die wesentliche Voraussetzung, um

ausreichende Oberflächenhärten in den so erzielten Lackschichten zu erreichen.

Die wesentlichen Grundentwicklungen, die im Rahmen des Projektes durchgeführt wurden,

haben einen großen Anwendungsbereich für Kunststoffbeschichtungen. Der

anspruchsvollste Markt liegt hier bei der Automobilindustrie, die die höchsten Anforderungen

an die Lackoberflächen haben. Die bisher verwendeten 2K-Lacksysteme können dabei

vollständig durch ökologisch sinnvolle UV-Lacke ersetzt werden und so neben der deutlichen

Reduzierung von Lösungsmitteln auch die hohen Energieaufwendungen für das Trocknen

und das thermische Aushärten der bisherigen Lackschichten eingespart werden.

Da zukünftig der Anteil von Kunststoffoberflächen im Auto weiter steigen wird, bietet das

Verfahren darüber hinaus eine große Zukunftsperspektive und eine nachhaltige zukünftige

Nutzung. Im Weiteren besteht ein großes Anwendungsgebiet im Bereich der technischen

Oberflächen, wo auch verstärkt Kunststoffe zum Einsatz kommen.


Literaturverzeichnis

[1] nach Angaben des Statistischen Bundesamtes, BRUTTOSTROMERZEUGUNG IN

DEUTSCHLAND FÜR 2012 BIS 2014 siehe

https://www.destatis.de/DE/ZahlenFakten/Wirtschaftsbereiche/Energie/Erzeugung/Tabellen/Brutt

ostromerzeugung.html

[2] MENZ, V., DE ROSSI, U. UND SCHWAKE, M.: Geringe Strahlungsintensität - gute Härtung,

Farbe und Lack, Ausgabe 07/2015, Seite 60 ff.

Documents

Mankiewicz Gebr. & Co. Georg-Wilhelm-Straße 189 … · Dr. Umberto De Rossi Hamburg, 27.11.2015 . Mankiewicz Gebr. ... Kunststoff-Interieuranwendungen, aber auch Versuche mit Exterieurlackierungen