Nachhaltige Wandfarbe Ein Bindemittel auf Basis Nawaro … · 2020-05-29 · + mechanische Eigenschaften vermutlich o.k. - Verfärbung durch Trockenstoffe - Toxikologie von Trockenstoffen

Nachhaltige Wandfarbe:

Ein Bindemittel auf Basis Nawaro ressourcenschonend formuliert

Markus DimmersManfred Diedering

Chart28.11.2013© Alberdingk Boley GmbH | Dr. Manfred Diedering | Nawaro-PUD für Wandfarben 2

Übersicht

1. Einleitung

2. Stand der Technik

3. Nachwachsende Rohstoffe

4. Materialeigenschaften verschiedener Bindemittelklassen

5. Vergleich der Nawaro-PUD mit VAE, AS und AC

6. Nachhaltige Formulierung

7. Fazit und Ausblick


Einleitung

Quelle: Farbe und Lack, Ausgabe 11/2012


Bindemittel für Innenwandfarben: Stand der Technik

Bindemittel:

• Vinylacetat-Ethylen Copolymere (VAE)

• Styrolacrylate (AS)

• Reinacrylate (AC)

Eigenschaften:

• Mindestfilmbildetemperatur üblicherweise 0-5 °C

ohne Lösungsmittel formulierbar

• Hochgefüllte Systeme

• Pigmentiert mit Titandioxid

• Geruchsarm, Blauer Engel

Nachwachsende Rohstoffe?

• Intensive Forschung: Herstellung von z. B. Ethylen, Essigsäure aus NaWaRo

• Für Spezialanwendungen: fettsäuremodifizierte Acrylatmonomere

• Aber: nicht absehbar, wann ausreichend Monomere zu realistischem Preis verfügbar


Warum Nachwachsende Rohstoffe?

Wirtschaftliche Gründe:

•Steigende Rohölpreise

•Steigende Rohstoffpreise

•Langfristig: Verknappung!

Umweltgründe:

•Klimaveränderung, CO2

•Klimaziele EU

Nachhaltigkeit

EU Klimaziele: 20-20-2020% weniger Energieverbrauch20% weniger Treibhausgase20% mehr erneuerbare Energie

Preisentwicklung Monomere

800

1100

1400

1700

2000

2300

2600

JAN

'10

FEB

'10

MR

Z'10

AP

R'1

0

MA

I'10

JUL'

10

AU

G'1

0

SEP

'10

OK

T'10

DE

Z'10

JAN

'11

FEB

'11

AP

R'1

1

MA

I'11

JUL'

11

AU

G'1

1

SEP

'11

OK

T'11

NO

V'1

1

DE

Z'11

FEB

'12

MR

Z'12

AP

R'1

2

MA

I'12

JUN

'12

AU

G'1

2

SEP

'12

OK

T'12

NO

V'1

2

JAN

'13

FEB

'13

MR

Z'13

AP

R'1

3

JUN

'13

JUL'

13

AU

G'1

3

SEP

'13

NO

V'1

3

EUR

/ t .

Ø BA SPOT Ø 2-EHA SPOT Ø MMA SPOT Ø Styrol SPOT


Polyurethan-Dispersionen (PUD)

+ Polyole auf Basis NaWaRo verfügbar

- Tertiäre Amine zur Neutralisation

+ viele Variationsmöglichkeiten - keinerlei Erfahrung für diese Anwendung

-Preis

Alkydharze + hoher Nawaro-Anteil - Vergilbungsneigung

+ mechanische Eigenschaften vermutlich o.k. - Verfärbung durch Trockenstoffe

- Toxikologie von Trockenstoffen

- Trockenzeit

Andere Bindemittelklassen?

Denkbare Alternativen:


PUD für Innenwandfarben: AgBB und Blauer Engel/Ecolabel

AgBB-Schema:

• Innenwandfarben fallen unter AgBB Schema

• Reguliert flüchtige organische Verbindungen (VOC) in der Raumluft

• „Niedrigste interessierende Konzentration“, NIK-Werte

• „Übliche“ PUD: neutralisiert mit tertiärem Amin (meist Triethylamin)

• NIK-Wert von Triethylamin sehr niedrig!

• Geruch!

Blauer Engel, Ecolabel:

• Gefahrstoffrecht: Umstellung auf GHS (Globally Harmonized System):

• Triethylamin: Totenkopf

• Absehbar, dass ab 2015 nicht erlaubt

für Blauen Engel und Ecolabel!


Materialeigenschaften verschiedener Bindemittelklassen

Styrol- und Reinacrylate, Vinylacetat-Ethylen Copolymere:

• Polymerdesign: Einflussgrößen bekannt

• gute Verfilmung

• Ausreichendes Pigmentbindevermögen

• Gute Pigmentbenetzung

• z. B. TG 0-5 °C (SC, AS), 10-15 °C (schutzkolloidstabilisierte VAE)

Materialeigenschaften Polyurethandispersionen:

• TG meist weit unter 0 °C

• trotzdem oft flexibel und hart

• Ursache: Aufbau des Polymers!


Polymeraufbau PUD

Polyolrückgrat(Weichsegment)

Harnstoffgruppe(Hartsegment)

Urethangruppe(Hartsegment)Urethangruppe(Hartsegment)

Säuregruppe(Hartsegment)

- - --- -- --

Polyol

Diisocyanat

DMPS

Kettenverlängerer

Neutralisationsamin

+++

+

+

++

+

+

+

+


Materialeigenschaften PUD

Niedrige TG und trotzdem klebfrei: Ursache?

• Hart- und Weichsegmente in der Kette

• (Teil-)Kristallinität

• Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Polymerketten

Variationsmöglichkeiten:

• Isocyanat (aliphatisch/aromatisch)

• Polyol (Polyether, Polyester, Polycarbonat)

• Kettenverlängerung

• Neutralisation

• Stöchiometrie

• Verfahren und Prozessparameter

sehr hohe Komplexität!


Screening unterschiedlicher PUD: Nassabrieb

Mit verschiedenen PUD Wandfarbe formuliert Nassabriebprüfung

0

10

20

30

40

50

60

70

80

AC SC PC-PU 1 PE-PU 1 PE-PU 2 PES-PU 1 PES-PU 2 PES-PU 3 PES-PU 4 PES-PU 5

Sche

uerv

erlu

st (g

/m2 )




0

10

20

30

40

50

60

70

80


Sche

uerv

erlu

st (g

/m2 )




0

10

20

30

40

50

60

70

80


Sche

uerv

erlu

st (g

/m2 )


PUD Screening

Ergebnis des Screenings:

• Keine Abhängigkeit von Polyolklasse erkennbar

• Ähnlich: Keine offensichtliche Korrelation mit Isocyanat, Stöchiometrie, etc.

Auswahl eines Startpunktes aus dem Screening:

1. Nassabrieb akzeptabel

2. Stabilisierungssystem (Aminfrei!)

Davon ausgehend: Synthese neuer Bindemittel mit einem Nawaro-Anteil!


Nawaro-PUD: Kennzahlen

Für Vergleich mit konventionellen Bindemitteln verwendet:

• Polyurethandispersion („Nawaro-PUD“)

• Festkörpergehalt: 35%

• Viskosität: 720 mPa s

• pH-Wert: 7,5

• Anteil nachwachsender Rohstoffe (inkl. Wasser): ca. 80%

• Glasübergangstemperatur: -15 °C

• Amin- und VOC-frei!

Wandfarbentypische Prüfungen: je 83% einer ca. 60%igen weißen Pigmentpaste mit

17% Bindemittel (VAE, AS, AC und Nawaro-PUD) formuliert


Reinigungsfähigkeit: Nassabriebbeständigkeit

(Prüfung in Anlehnung an DIN ISO 11998 und Klassifizierung nach DIN EN 13300)

0

1

2

3

4

AC 1 AS 1 AS 2 AS 3 Naw aro-PUD VAE Wandfarbe(AS)

Wandfarbe(Öl)

Nas

sabr

iebk

lass

e


Reinigungsfähigkeit: Nassabriebbeständigkeit

Nawaro-PUD: „Verbesserungspotential“

Mögliche Ursachen:

• Polymer, Rohstoffeinflüsse

• Neutralisationsmittel (Aminfrei!)

• niedriger Festkörpergehalt

• Optimierungspotential bei der Formulierung

Neueste Ergebnisse: bei optimierter Formulierung und etwas höherem

Polymeranteil kann mit der Nawaro-PUD eine Nassabriebklasse 2 erreicht werden!


Deckvermögen

(Klassifizierung in Anlehnung an DIN EN 13300)

Wichtig für Anwender: Wie weit komme ich mit einem Eimer Farbe?

Prüfung in verschiedenen Schichtdicken auf Kontrastkarten

Vergleichbar mit anderen Bindemitteln und kommerziellen Systemen

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

AC 1 AS 1 AS 2 AS 3 Naw aro-PUD

VAE Wandfarbe(Öl)

Wandfarbe(AS)

Ergi

ebig

keit

(m2 /l

)

DeckvermögenKlasse 1

DeckvermögenKlasse 2


Anschmutzneigung

Überlegung: Anschmutzneigung hat mit der Klebrigkeit der Oberfläche zu tun

Klebrigkeit des Polymers hängt mit Glasübergangstemperatur (TG) zusammen

Vergleich der Formulierungen durch Blockingprüfung

Methode:

• Oberflächen beschichten und trocknen

• aufeinanderlegen

• 320 g/cm2

• ca. 20 Stunden bei Raumtemperatur

• anschließend: Prüfung, bei welchem Gewicht sich Prüfflächen lösen


Anschmutzneigung: Deblockingtest

23

25 25

22

33

00

5

10

15

20

25

30

35

AC 1 AS 1 AS 2 AS 3 VAE Naw aro-PUD

Deb

lock

ing-

Gew

icht

(g/c

m2 )

Kein Blocking!


Geruch der Nawaro-PUD vs. konventionelle Systeme

Streichen von Innenwänden: sehr große Fläche, Geruch im Wohnbereich

wichtiges Kriterium für Verbraucher; AgBB!

• „übliche PUD“: deutlicher Geruch nach Amin (Triethylamin)

• Nawaro-PUD: Aminfrei

• Nachwachsender Anteil: fettsäurebasiert -> Geruch?

• Geruch konventioneller Systeme: hauptsächlich durch Restmonomere

Vergleichende Prüfung:

• Blecheimer innen mit Wandfarbenformulierungen bestrichen, mit Deckel verschlossen (codierte Beschriftung)

• 30 Personen beurteilen den Geruch

• Skala: 1 (starker Geruch, unangenehm) bis 5 (kein Geruch)


Ergebnis Geruchsbewertung

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

AS AS

VAE ASNaw

aro-P

UD ASWan

dfarbe

(AS)

Wandfa

rbe (A

C)

Ger

uchs

bew

ertu

ng (1

... 5

)

Nawaro-PUD erhält mit die besten Bewertungen!

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

AS AS VAE "lowemission"

AS"geruchs-

arm"

Nawaro-PUD

AS Wandfarbe(AS)

Wandfarbe(AC)

Ger

uchs

bew

ertu

ng (1

... 5

)


Nachhaltige Formulierung

Weiße Wandfarbe: fast immer mit Titandioxid als Weißpigment formuliert

• Hervorragende technische Eigenschaften (Deckkraft, Beständigkeit, Benetzbarkeit, etc.)

• Aber: energieintensive Herstellung, Recycling kritischer Neben-/Abfallstoffe nötig

Nawaro-PUD: rel. gute Verträglichkeit mit Calciumionen

Möglichkeit, synthetisches Ettringit (Casul®) zu verwenden

• Potentiell nachhaltig: Kann aus Sekundärrohstoffen (Abwassernachbehandlung, Rauchgasentschwefelung) hergestellt werden

• Bei entsprechender Einsatzmenge: hoher pH-Wert evtl. Verzicht auf Topfkonservierung!


Nachhaltige Formulierung

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

15,00 17,50 20,00 22,50 25,00 30,00

Menge Casul® (%)

Ergi

ebig

keit

(m2 /l)

Kontrastklasse 1

Kontrastklasse 2

Kontrastklasse 3

Deckvermögen nimmt nicht ab!

Kann der Titandioxid-Anteil verringert werden?

Ersatz von TiO2-haltiger Pigmentpaste durch Casul®-haltige Suspension


Wasserdampfdurchlässigkeit

• Innenwandfarbe ist erste Schicht im Wandaufbau

• Darunter Tapete und Gipskartonplatte oder Putz/Mauerwerk

• „feuchtigkeitsausgleichende Eigenschaften“

• Gleichgewicht zwischen Wandmaterial und Raumluft wenn Innenwandfarbe ausreichend diffusionsoffen für Wasserdampf ist

• Wasserdampfdiffusionsfähigkeit bei einigen PUD gut ausgeprägt

• Bestimmung:

• freien Film gasdicht auf ein Gefäß mit Wasser kleben

• Gewichtsabnahme nach Lagerung im Exsikkator (schichtdickenkorrigiert!)


Wasserdampfdurchlässigkeit

Nawaro-PUD hat höchste Wasserdampfdurchlässigkeit!

Aber: Prüfung nur mit den reinen Bindemitteln

Ergebnisse auf die hochgefüllten Wandfarben übertragbar?

0

20

40

60

80

100

120

140

160

AS 1 AS 2 AS 3 Naw aro-PUD VAE

WD

D (g

/m2 d

)


Nachwachsender Rohstoff

Wie „grün“ ist die Wandfarbe auf Basis Nawaro-PUD?

Zahlreiche unterschiedliche Bewertungsmethoden:• verschiedene Ökobilanzen• Ökoeffizienzanalyse• Carbon Footprint Betrachtungen („cradle to gate“ oder „cradle to grave“)• etc.

sehr fundierte Ergebnisse, aber auch sehr aufwendig (Zeit, Kosten)

stark von verwendeten Daten und deren Gewichtung abhängig

Einfache Betrachtung: Vergleich des Anteils nachwachsender Rohstoffe

Auf Kohlenstoff bezogen:

Menge an gebundenem

Kohlenstoff aus der Atmosphäre

Kohlenstoff aus Erdölversus


Zusammensetzung einer Wandfarbenformulierung

83

17

Dispersion

Anorganische Bestandteile

32

2

18

32

17

Dispersion

Füllstoffe

TiO2

Additive

Wasser


Organischer Anteil der Wandfarbenformulierung

Festkörpergehalt:• VAE, AS, AC: ca. 50%• Nawaro-PUD: 35%

Bezogen auf organischen Anteil, Wandfarbe auf Basis Nawaro-PUD vs. konventionelles System:

Erdölbasierter Anteil nur halb

so groß!0

20

40

60

80

100

VAE, AS, AC Naw aro-PUD

Org

anis

ches

Mat

eria

l in

Wan

dfar

benf

orm

ulie

rung

(%)

Naw aro

Erdölbasiert


Ist das zu bezahlen?

Auswirkung auf den Preis der Wandfarbe

• Allgemein: PUD sind rohstoffbedingt hochpreisiger als VAE, AS, AC

• Aber: Niedrigerer Festkörper der Nawaro-PUD

• siehe Zusammensetzung Formulierung

Auswirkung auf Preis der Farbe: vorhanden, aber evtl. tolerierbar?

Marketing:

• Sehr großes Angebot an Wandfarben im Baumarkt

• Für Verbraucher kaum deutliche Unterscheidungsmerkmale

• Alleinstellungsmerkmal hilfreich!

Verbraucher, die neben Performance auch auf Nachhaltigkeit achten, nehmen möglicherweise Mehrpreis in Kauf

Das „Bio-Gemüse“ im Baumarkt


Fazit und Ausblick

Neues Konzept: Nawaro-basierte PUD für Wandfarben

Aminfrei, fast kein Geruch, kennzeichnungsfrei

Weitere Optimierung der Formulierung

Performance und Nachhaltigkeit

Emissionsfreie PUD‘s könnten auch in anderen Anwendungen Vorteile

bieten Anschmutzneigung muss weiter untersucht werden

NaWaRo basierte Farben eignen sich insbesondere für das Consumer Segment


PUD auf Basis NaWaRo für Wandfarben

Eine weiße Wandfarbe kann auch „grün“ sein!

Fragen?

Documents

Nachhaltige Wandfarbe Ein Bindemittel auf Basis Nawaro … · 2020-05-29 · + mechanische Eigenschaften vermutlich o.k. - Verfärbung durch Trockenstoffe - Toxikologie von Trockenstoffen