Karl-Heinz Grosse-Brinkhaus

Im täglichen Leben kommt man sehr häufig mit ETL-beschichteten Gegenständen in Kontakt - ohne dass es die Meisten wissen. Vom Automobil über Heizkörper und Computergehäuse bis zu jeder Art von Haushaltsgeräten, die Einsatzbereiche für ETL-Produkte sind vielfältig (Abb.1)
ETL ist die Abkürzung für Elektrotauchlackierung und bezeichnet ein modernes, hocheffektives Lackierverfahren zur organischen Beschichtung besonders von komplex geformten Metallteilen mittels elektrischen Gleichstroms.
Bei der Grundierung oder einschichtigen Endlackierung einer Vielzahl von Massengütern bedeutet die Einführung der ETL das "Ende" für Pinsel oder Spritzpistole. Ein großer Vorteil, wenn man an Effizienzsteigerung und Umweltverträglichkeit denkt.

Abbildung 1: Einfahren einer Automobilkarosse in ein Elektrotauchlackbecken

Die Elektrotauchlackierung (ETL) trat in den 60er Jahren ins Rampenlicht der modernen Industriegeschichte, als in den Vereinigten Staaten bei der Ford Motor Company anodisch abscheidbare Lacksysteme zum Einsatz kamen. Die erste Tauchanlage zur "elektrophoretischen" Lackierung von Automobilkarosserien wurde 1963 in Betrieb genommen; kurze Zeit später übernahm man das neue Verfahren auch in Europa.
Der Begriff "Elektrophorese" wird allerdings heute nicht mehr benutzt, denn man weiß, dass beim Abscheidemechanismus die Elektrolyse von Wasser und die nachfolgenden Neutralisationen eine wichtigere Rolle spielen als die Bewegung der Polymerteilchen im elektrischen Feld.

Mitte der 70er Jahre wurden die anodisch abscheidbaren Elektrotauchlacke (ATL) durch kathodisch abscheidbare Systeme (KTL) abgelöst. Inzwischen hat sich das KTL-Verfahren im Automobilbereich durchgesetzt und auch in der Automobilzulieferindustrie das anodische Tauchverfahren fast vollständig verdrängt.

Gegenüber konventionellen Spritzverfahren bietet die Elektrotauchlackierung die folgenden wesentlichen Vorteile:

• Hoher Korrosionsschutz
• Beschichtung auch von Hohlräumen möglich
• Umweltfreundlichkeit
• Hohe Lackausnutzung in Kombination mit Ultrafiltrationstechnik
• Hoher Automatisierungsgrad
• Gleichmäßige Schichtdicke

Bei der kathodischen Tauchlackierung ist das Werkstück die Kathode, also negativ geladen. Die Bindemittelpartikel müssen positiv geladen, also Kationen sein.
Wegen des unterschiedlichen Abscheidemechanismus und der dafür erforderlichen unterschiedlichen Bindemittel sind auch die Eigenschaften der kathodisch und anodisch abgeschiedenen Lackfilme verschieden:

Anodische Tauchlackierung (ATL)

• Anodische Anlösung des Werkstücks als Nebenreaktion und damit Einschluss von Metallionen im Film
• Saure Polymere, geringe Verseifungsstabilität
• Bindungsbruch zwischen Phosphatschicht und Metall während der Abscheidung möglich

Kathodische Tauchlackierung (KTL)

• Keine elektrochemische Auflösung des Werkstücks und damit keine Metallionen im Film
• Basische Polymere fungieren als inhärente Korrosionsschutzinhibitoren und sind verseifungsbeständig
• Phosphatierung wird während der Abscheidung nicht angegriffen

Ein ETL-Bad besteht zu ungefähr 80 % aus Wasser. Der Rest sind Bindemittel, Pigmente, ein geringer Anteil organischer Lösemittel und Additive.
Für die Praxis der kathodische Tauchlackierung sind Bindemittel basierend auf aminmodifizierten Epoxidharzen sehr bedeutend. Diese ergeben den besten Korrosionsschutz und zeichnen sich durch gute Haftung zu Metallen aus. Sie werden heute in nahezu allen Karosserieanlagen eingesetzt. Diese Harze werden durch Umsetzung freier Epoxidfunktionalitäten der modifizerten Epoxidharze mit Aminen erhalten. Durch anschließende Neutralisation dieser Aminogruppen mit Säuren, üblicherweise organischen Säuren oder Sulfonsäuren, lassen sich diese Harze in eine wäßrige Dispersion überführen. Neben dem Bindemittelharz enthalten diese Dispersionen in der Regel auch Vernetzer auf Urethan-Basis.

Die Elektrotauchlackierung, hier am Beispiel der KTL, stellt sich als eine Abfolge elektrochemischer Einzelschritte dar (Abb.2):

• Das zu beschichtende Objekt ist als Kathode geschaltet, an der Wasser elektrolytisch zersetzt wird. Es bildet sich an der Kathode eine alkalischen Grenzsschicht aus. →   Elektrolyse
• Die geladenen Lackmicellen bzw. Dispersionsteilchen wandern zur gegensätzlich geladenen Elektrode →   Elektrophorese
• Die Lackpartikel werden aufgrund der pH-Wert-Änderung in der alkalischen Grenzschicht an der Kathode neutralisiert und auf dem Objekt abgeschieden: →   Koagulation
• Wasser wird aus dem Film verdrängt, es bildet sich ein kompakter Nassfilm aus. →   Elektroosmose
• Aufgrund der Filmbildung erhöht sich der elektrische Widerstand am Objekt, der Filmaufbau verlangsamt sich.
• Die in der Lösung verbliebenen Säureanionen werden durch eine Anionenaustauscher-membran in den Anolyt-Kreislauf überführt. →   Elektrodialyse
• Neben der elektrolytischen Zersetzung von Wasser kann auch die Oxidation der Säureanionen an der Anode stattfinden. →   Elektrolyse

Abbildung 2: Prozessabfolge am Beispiel der KTL-Beschichtung

Eine der wichtigsten Eigenschaften von Elektrotauchlacken ist die Möglichkeit zur Beschichtung schwer zugänglicher Teile. So werden zum Beispiel bei einer Autokarosserie alle Hohlräume, wie Türschweller und Dachholme mitbeschichtet. Dadurch kann auch von innen ein guter Korrosionsschutz gewährleistet werden.

Wie funktioniert der Umgriff?
Beim Anlegen einer Gleichspannung zwischen Elektrode und Werkstück sucht sich der Strom zunächst einmal den Weg des geringsten Widerstandes. Das bedeutet, dass erst diejenigen Teile beschichtet werden, die der Elektrode am nächsten sind: die Außenfläche.
Dadurch wächst der elektrische Widerstand an der Außenfläche an, so dass der Strom nun auch einen längeren Weg zurücklegen kann. Auf diese Weise werden entferntere Teile ebenfalls beschichtet. Ein Vorgang, der sich permanent fortsetzt. Erst wenn der elektrische Widerstand zu hoch wird und die für die Beschichtung notwendige Mindest-Stromdichte nicht mehr errreicht werden kann, endet die Beschichtung. Für derartige Fälle müssen die Werkstücke konstruktionsseitig so gefertigt sein, dass das elektrische Feld in die Hohlräume (Löcher, Spalten o.ä.) ausreichend eindringen kann. Abb. 3 zeigt die Dynamik des Beschichtungsvorgangs in Einzelsequenzen vom Beginn bis zum Ende einer Hohlkörperbeschichtung.

Abbildung 3: Dynamik der Hohlkörperbeschichtung

Das zunächst Auffälligste an einer ETL-Anlage ist das Becken mit dem Lackmaterial und das Fördersystem, das die zu lackierenden Werkstücke durch das Becken führt. Des weiteren gibt es eine Vielzahl von Nebenaggregaten:

• Pumpen und Rohrleitungen zur Aufrechterhaltung einer Strömung im Becken
• Dialysezellen, Verrohrung und Anolyttank zur pH-Regulierung
• Ultrafiltrationseinheit zur Erzeugung von Spülmedium
• Kühleinrichtung zur Temperaturhaltung (durch Pumpen und elektrische Abscheidung wird Wärme in das Becken eingetragen)
• Elektrischer Gleichrichter, der die notwendige Gleichspannung und Strommenge liefert
• Vorratstanks und Behälter sowie Pumpen zur Kompensation ausgetragenen Lackmaterials durch Nachfüllmaterial

Abbildung 4: ETL-Anlagenschema

Ziel der stetig weiter betriebenen Entwicklung ist die:

• Verbesserung der Effizienz im Applikationsverlauf
• Verringerung des Lösemittelgehalts
• Eliminierung von Schwermetallen