Michael Osterhold und Dirk Kegelbein

Lacke werden wie auch andere organische Werkstoffe (z.B. Kunststoffe) durch Sonneneinstrahlung, Wärme, Regen oder Feuchtigkeit geschädigt und verändern im Laufe der Zeit ihre Gebrauchseigenschaften. Die Beanspruchung durch diese Klimafaktoren wird als "Bewitterung" bezeichnet, in diesem Zusammenhang wird die Änderung der Lackeigenschaften mit der Zeit oft auch als "Alterung" beschrieben. Zu unterscheiden ist hierbei zwischen zwei grundsätzlich unterschiedlichen Prozessen: der Initiierung der Alterungsvorgänge durch die Sonneneinstrahlung als Primärreaktion und der zusätzlichen Beeinflussung der Alterungsprozesse aufgrund weiterer sekundärer Reaktionen durch die anderen Klimafaktoren (Temperatur, Feuchte etc.). Die wichtigsten bewitterungsbedingten Abbauerscheinungen von Lacksystemen werden weitgehend durch folgende Faktoren bestimmt:

• Sonnenstrahlung
• Temperatur (erhöhte, niedrige, Zyklen)
• Wasser
• in fester Form (Schnee, Eis)
• flüssig (z.B. Regen, Kondensation)
• gasförmig (z.B. hohe relative Luftfeuchte)
• normale Luftbestandteile wie Sauerstoff, Ozon, Kohlendioxid
• Luftverunreinigungen wie
• Gase (z.B. Stickoxide und Schwefeloxide)
• Nebel (z.B. Aerosole, in Wasser gelöste Salze, Säuren und Alkalien)
• Feststoffe (z.B. Sand, Staub, Schmutz)

Der auf der Erde wirksame Anteil des Spektrums der extraterrestrischen elektromagnetischen Strahlung (Sonnenspektrum) ist die sogenannte Globalstrahlung im Wellenlängenbereich von etwa 300 nm bis 2500 nm.

Ihre Intensität wird beeinflusst durch die geographische Breite bzw. den Sonnenstand (Äquator, Nordpol), die Höhe (steigender UV-Anteil mit zunehmender Höhe), örtliche klimatische Bedingungen (Bewölkung, Feuchtigkeit, Luftverschmutzung) und die Jahres- und Tageszeit.

In Abb. 1 sind als Übersicht das Spektrum des Sonnenlichtes (gelbe Kurve, spektrale Bestrahlungsstärke) und Spektren künstlicher Strahlungsquellen, die bei Bewitterung in Geräten eingesetzt werden, gegenübergestellt.

Abbildung 1: Spektrum des Sonnenlichts und künstliche Strahlungsquellen (Quelle: Ciba Geigy)

Da die Bindungsenergie von häufig vorkommenden chemischen Bindungen im Bereich der Quantenenergie der UV-Strahlung liegt, ist der UV-Bereich hauptsächlich für die Initiierung der photochemischen Primärprozesse der Alterung polymerer Werkstoffe verantwortlich. Darüber hinaus ist insbesondere bei gefüllten Lacksystemen auch der sichtbare Spektralbereich von Bedeutung, da Pigmente, Füllstoffe oder auch bestimmte Additive im Sichtbaren absorbieren können.

Im Vergleich zu Mitteleuropa laufen die Abbau-Prozesse in den Tropen oder Subtropen (z.B. Florida) etwa zwei- bis dreimal schneller ab. Gründe hierfür sind insbesondere die Unterschiede in der globalen Einstrahlung, der Lufttemperatur und in der Feuchtigkeit als beeinflussende Bewitterungsfaktoren. So bestimmt die sich im Lackfilm einstellende, farbtonabhängige Temperatur ebenso wie Feuchtigkeit und Sauerstoff die Geschwindigkeit der ablaufenden chemischen Abbau-Prozesse. Typische Werte der Temperatur können z. B. an der Karosserie-Außenhaut bis zu 70 °C, im Innenraum auf der Ablage über 90 °C erreichen.

Wasser kann auf den Lack als Regen, Tau oder Feuchte einwirken. Nächtliche Betauungsphasen sind dabei typisch für das subtropische Klima. Die rein mechanische Beanspruchung durch Quellen und Entquellen kann zu Spannungen führen, die letztendlich zu einer Rissbildung im Lack führen. Ebenso kann durch chemische Wechselwirkung des Lackes mit dem Wasser (Hydrolyse, Radikalbildung) eine Schädigung entstehen.

Zur Prüfung von Lacksystemen für den praktischen Einsatz haben sich zwei Klimazonen als Referenzklimata etabliert; Florida mit feucht-warmen und Arizona mit trocken-warmen Klima. Die Langzeitbewitterungsprüfung in Florida (Abb. 2) ist bspw. für alle Automobil-Decklacke verpflichtend.

Abbildung 2: Floridabewitterung - Auslageart offenes Gestell, 45° Süd

Möglichkeiten, eine beschleunigte Belastung für Autolackierungen durchzuführen, bieten sich bei der Auslage von Mustertafeln auf der sogenannten Black-Box in Florida. Bei dieser besonderen, sehr beanspruchenden Bewitterung wird unter den Tafeln ein Wärmestau, ähnlich dem in Fahrgast- bzw. Kofferraum von PKWs, erzeugt (Abb. 3).

Abbildung 3: Floridabewitterung - Auslageart Black Box, 5° Süd

Typische Bewitterungszeiten liegen zwischen 12 und 36 Monaten, teilweise bis zu 120 Monaten.

Während und nach Beendigung der Bewitterung werden wichtige Lackeigenschaften wie Glanz und Farbe vermessen; Blasen, Risse, Wasserflecken oder Kreidung werden visuell beurteilt. Zur Prüfung der Haftungseigenschaften wird der Gitterschnitt durchgeführt.

Bei einer anderen Freibewitterungsmethode (EMMA), die speziell in Arizona eingesetzt wird, wird das Sonnenlicht über 10 Spiegel gebündelt auf die Proben gelenkt. Der Prüfstand wird immer wieder automatisch zur Sonne ausgerichtet, so dass eine maximale Sonneneinstrahlung gewährleistet ist. Dadurch kann etwa eine 8-fache Intensität des Sonnenlichtes im Vergleich zu Florida erzielt werden. Zwecks Regulierung der Probentemperatur werden die Proben von der Rückseite mit Luft gekühlt. Um eine bessere Korrelation zum feuchten Floridaklima zu erzielen, können die Proben auch mit entionisiertem Wasser besprüht werden ("Emmaqua"- Bewitterung).

Bei der Kurzbewitterung in Geräten stehen folgende Punkte im Vordergrund

• Farbtonveränderung, Rissbildung während Bewitterung,
• Zusammenhang Geräte- und Freibewitterung (Zeitraffung, Vorhersagbarkeit) und
• Produktvergleich

Abbildung 4: Vergleich von Sonnenlicht und Xenonlicht mit verschiedenen Filtern

Abbildung 5: Anordnung der Prüftafeln im Probenraum

Strahlungsquellen wie auch Filter altern, d.h. die durch sie auf die Probe übertragene Energie unterliegt im Verlauf ihrer praktisch erprobten Lebensdauer Veränderungen, die je nach Wellenlängenbereich verschieden sind. Das erfordert eine automatische Regelbarkeit der auf die Tafel treffende Lichtintensität.

Neben der Belichtung wird in den Geräten auch die Luftfeuchte, die Beregnung und die Temperaturführung gesteuert. Die relative Luftfeuchtigkeit wird während der trockenen Zeit in den Geräten auf rd. 50 %, in der Zeit der Beregnung auf etwa 95 % geregelt. Die Beregnung erfolgt mit entionisiertem Wasser, um Fleckenbildung und Ablagerungen auf den Proben von vornherein zu vermeiden. Üblich sind Wechsel zwischen Beregnungs- und Trocknungsphasen, in Tabelle 1 beispielhaft für die weit verbreitete Methode nach SAE J 1960 (CAM 180) zur Prüfung der Beständigkeit von Automobildecklacken dargestellt. Die Erwärmung der Proben im Innenraum der Geräte wird mit dem sogenannten Schwarztafelthermometer überwacht, dessen Messwert eine vorher festgelegte Temperatur nicht überschreiten darf. Abb. 5 zeigt den Probenraum eines modernen Kurzbewitterungsgerätes. In Abb. 6 ist die Rissbildung eines Klarlacksystems und die Farbveränderung eines roten Decklack-Systems nach Bewitterung dargestellt.

Abbildung 6: Schädigungen nach Bewitterung

Mit diesen Maßnahmen werden gleichmäßige Bedingungen während der Bewitterung geschaffen und reproduzierbare Ergebnisse bei Bewitterungszeiten von mehreren hundert oder tausend Stunden erhalten. Je nach Kurzbewitterungsmethode und Kundenanforderungen liegen typische Bewitterungszeiten zwischen 2000 h und 5000 h.

Durch Variation von Strahlungsintensität und Dauer, Temperatur oder Feuchtezyklus ist grundsätzlich eine Veränderung der Zeitraffung in den Bewitterungsgeräten möglich. Die DIN EN ISO 4628 befasst sich mit der Beurteilung von Beschichtungsschäden, die auch bei der Alterung nach Bewitterung angewendet werden können.

In Abb. 7 sind Freibewitterungen (Miami/Florida, Allunga/Australien) und Geräte-bewitterungen (Xenon-/Kohle-Bogen) für ein Klarlack-System gegenübergestellt.

Keine künstliche Bewitterung kann als vollständige Simulation der Bedingungen im Freien bezeichnet werden. Deshalb kann eine einfache Formel, wie viele Stunden in der Kurzbewitterung einem Jahr Freibewitterung entsprechen, nicht allgemein aufgestellt werden. Bewitterungsergebnisse sind Vergleichsresultate.

Abbildung 7: Vergleich von Kurz- und Freibewitterungen

Dr. Michael Osterhold Dirk Kegelbein Physics & Analytical Services DuPont Performance Coatings Christbusch 25 42285 Wuppertal Tel.: +49 (0)202 529-2151/2714 E-Mail: Michael.Osterhold@deu.dupont.com             Dirk.Kegelbein@deu.dupont.com