Dr. Dietrich Saatweber

Bindemittel sind der Hauptbestandteil jeder Lackformulierung. Sie bilden nach der Trocknung und Aushärtung auf dem Untergrund den haftenden harten und beständigen Lackfilm. Die weiteren Bestandteile eines Lackes wie Pigmente und Füllstoffe und Additive sind im Bindemittel gleichmäßig und fein verteilt. Bindemittel sind Polymere. Sie werden aus kleinen Bausteinen, den Monomeren durch chemische Reaktionen aufgebaut. Die Aufbaureaktionen Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition sind die gleichen wie bei der Herstellung von Kunststoffen. Von den Kunstoffen unterscheiden sich Lackbindemittel aber durch ihre deutlich geringere Molekülmasse. Kunststoffe haben meist eine sehr hohe Molekülmasse über 100 000 bis zu einigen Millionen. Sie sind bei Gebrauchstemperatur fest, hart und zäh elastisch. Sie lösen sich nicht oder nur schwer in organischen Lösemitteln.
Die Molekülmasse der meisten Lackbindemittel liegt zwischen 1000 und 10 000. Deshalb sind viele Bindemittel bei Raumtemperatur wie Harze zähflüssig oder weich. Sie lösen sich in organischen Lösemitteln zu dünnflüssigen Lösungen die als Lacke durch Streichen, Spritzen oder Walzen zu verarbeiten sind. Nach dem Verdunsten des Lösemittels setzt durch chemische Reaktionen z.B. mit Luftsauerstoff bei Bindemitteln, die Doppelbindungen enthalten oder zwischen Bindemitteln und Härtern eine Vernetzung zu den hochmolekularen vernetzten Lackfilmen ein, die dann hart, unlöslich und beständig sind. Diese Härtungs- und Vernetzungsreaktionen werden bei Raumtemperatur durch Katalysatoren, durch Einwirkung von Wärme (Ofentrocknung) oder Strahlung (bei UV-Lacken) beschleunigt.
Bindemittel lassen sich mit Hilfe von Stabilisatoren auch in Wasser dispergieren. Dabei bilden sich feine Teilchen mit einem Durchmesser von 50 bis etwa 500 Nanometer, die von Wasser umhüllt sind. Diese Dispersionen sind sehr stabil. Wie in Bindemittellösungen lassen sich darin Pigmente und Additive fein verteilen. Man erhält dann wasserverdünnbare Lacke, auch Wasserlacke genannt. Wenn nach dem Auftragen das Wasser verdunstet, fließen die feinen Bindemittelteilchen zusammen und bilden einen homogenen Lackfilm.
Bindemittel die bei Raumtemperatur Feststoffe sind, können als Schmelzen in Extrudern mit den anderen Lackkomponenten vermischt und nach dem Abkühlen zu Pulvern gemahlen werden. Solche Lacke nennt man Pulverlacke. Sie werden als Pulver durch elektrostatisches Versprühen auf die zu lackierenden Oberflächen aufgetragen. Zur Ausbildung der Lackschicht ist durch Wärmeeinwirkung ein Aufschmelzen und die Aushärtung des dann flüssigen Lackfilms erforderlich.

Die ersten Bindemittel für Lacke und Anstrichstoffe waren Naturstoffe, natürliche Harze wie Schellack, Bernstein und Kolophonium, trocknende Öle wie Leinöl und Holzöl und auch wasserverdünnbare Naturstoffe wie Kasein. Diese Bindemittel hatten ein begrenztes Eigenschaftsspektrum. Insbesondere die langsame Trocknung war nachteilig für die industrielle Lackierung. Ein erster Fortschritt waren modifizierte Naturstoffe wie Zelluloseester die als Lackbindemittel verwendet werden konnten. Lacke auf der Basis von Nitrocellulose oder Celluloseacetat trockneten sehr schnell, waren aber spröde.

Seit Anfang des 20. Jahrhunderts wurden dann synthetische Bindemittel, die sogenannten Kunstharze entwickelt und hergestellt. Erst mit diesen Bindemitteln wurde die industrielle Lackierung von Massengütern wie Fahrzeugen, Maschinen und Hausgeräten möglich.

Bei einem Bindemittel sind die chemische Struktur, die enthaltenen reaktiven Gruppen und die Molekülmasse entscheidend für seine Eigenschaften. Die chemische Struktur hat besonderen Einfluss auf Lackeigenschaften wie chemische und mechanische Beständigkeit. Bindemittel aus linearen Makromolekülen verbessern die elastischen Eigenschaften eines Lackfilms, verzweigte Polymerketten erhöhen die Härte. Kunstharze, deren Bausteine über -C-C- Bindungen, Amid- oder Urethanbindungen verknüpft sind, weisen eine besondere chemische Beständigkeit auf. Polymere aus aliphatischen oder cycloaliphatischen Monomeren sind gut wetterbeständig.
Die im Bindemittelmolekül vorhandenen reaktiven Gruppen, z B. OH-Gruppen, COOH-Gruppen, -C=C- Doppelbindungen und Epoxid- oder Isocyanatgruppen sind erforderlich für die Aushärtung und Vernetzung des Lackfilms. Sie reagieren durch Katalyse, Erwärmung oder Einwirkung von Strahlung mit den reaktiven Gruppen der Härter und bilden den hochmolekularen vernetzten und beständigen Lackfilm.
Die Molekülmasse aber auch die chemische Struktur bestimmen die Löslichkeit in organischen Lösemitteln und insbesondere die Viskosität d.h. die Zähflüssigkeit der Lösungen. Diese ist wichtig für die Verarbeitung . Lacke zum Streichen oder Rollen haben eine relativ hohe Viskosität. Bei Spritzlacken muss die Viskosität niedrig sein damit aus der Spritzpistole ein Nebel von feinen Tröpfchen auf die Oberfläche gelangt um einen glatten gleichmäßigen Lackfilm zu bilden. In umweltverträglichen Lacken soll der Lösemittelgehalt möglichst gering sein. Deshalb werden hochkonzentrierte Bindemittellösungen mit niedriger Viskosität angestrebt. Dies erreicht man durch niedrige Molekülmasse und stark verzweigte Strukturen der Bindemittel.

Bei der Polykondensation reagieren Monomere mit unterschiedlichen chemischen Gruppen unter Abspaltung von Wasser oder Alkoholen zu Makromolekülen. Die ersten wichtigen Kunstharze waren die Phenolharze, die sich bei der Reaktion von Phenolen mit Formaldehyd bilden. Sie werden auch heute noch in bedeutenden Mengen verwendet.
Die wichtigste Gruppe der Polykondensationsharze sind die Polyester und eine spezielle Variante, die ölmodifizierten Polyester, auch Alkydharze genannt. Polyester bilden sich durch Reaktion von Polycarbonsäuren mit mehrwertigen Alkoholen unter Abspaltung von Wasser nach dem Reaktionsschema das in Abbildung 1 dargestellt ist.

Abbildung 1

Hier wird Glycerin mit Phthalsäureanhydrid zu einem verzweigten Polyester umgesetzt. Durch Auswahl der Säure- und Alkoholkomponenten und die Wahl der Mengenverhältnisse lassen sich die chemische Struktur, das Molekulargewicht und die reaktiven Endgruppen (OH- oder COOH-Gruppen) der Polyester vielfältig variieren . So können Polyester mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt werden. Sie sind die am häufigsten eingesetzten Lackbindemittel. Durch Einbau von ungesättigten Fettsäuren wie Leinölfettsäure oder Sojafettsäure als Monocarbonsäuren erhält man lufttrocknende Alkydharze, die insbesondere für Malerlacke eingesetzt werden. Alkydharze mit nichttrockenden Fettsäuren werden für hochwertige Einbrennlacke verwendet. Hydroxylgruppenhaltige Polyester sind ein wichtiger Bestandteil der Polyurethanlacke. Durch Reaktion mit Polyisocyanaten entstehen daraus hoch vernetzte sehr beständige Lackfilme z.B. für die Fahrzeuglackierung.
Auch die Epoxidharze, eine weitere wichtige Gruppe von Bindemitteln entstehen durch Polykondensation. Mehrwertige Phenole, z.B. Diphenylolpropan werden mit Epichlorhydrin unter Abspaltung von Salzsäure umgesetzt. Charakteristisch sind die sehr reaktiven endständigen Epoxidgruppen mit denen die Aushärtung auch bei Raumtemperatur möglich ist. Epoxidharze werden insbesondere zur Herstellung von Korrosionsschutzlacken verwendet.

Die radikalische Polymerisation ist das zweite wichtige Syntheseverfahren für Lackkunstharze. Monomere mit einer -C=C- Doppelbindung reagieren zunächst mit Initiatoren zu Radikalen. Daran lagern sich weitere Monomere an. Es bilden sich kettenförmige Makromoleküle mit hohem Molekulargewicht (Abbildung 2).

Abbildung 2

Die gebräuchlichsten Monomeren sind Acrylsäure und Methacrylsäure und ihre Ester und Styrol. Durch die Auswahl der Monomeren und die Steuerung des Molekulargewichts lassen sich eine breite Palette von Acrylatharzen herstellen. Acrylatharze sind gut wetterbeständig und werden insbesondere für hochwertige Industrielacke und Autolacke eingesetzt. Die radikalische Polymerisation lässt sich in organischen Lösemitteln aber auch in Wasser durchführen. Die in Wasser erzeugten Polyacrylatdispersionen sind hervorragende Bindemittel für Wasserlacke. Auch hochbeständige Dispersionsfarben für Wand- und Fassadenanstriche enthalten Polyacrylatdispersionen. Verwendet für solche Farben werden auch Polyvinylesterdispersionen, die man aus Vinylestern wie Vinylacetat durch Polymerisation in Wasser herstellt.

Bei der Polyaddition, dem dritten Syntheseweg zu Makromolekülen entstehen die Polymerketten durch Reaktion von zwei verschiedenen funktionellen Gruppen ohne Abspaltung eines kleinen Moleküls. So reagieren Isocyanatgruppen mit Alkoholen zu Urethanen. Aus Polyisocyanaten und Polyalkoholen entstehen Molekülketten mit Urethanstrukturen, die Polyurethane (Abbildung 3).

Abbildung 3

Verwendet man die Alkoholkomponente im Überschuß, so entstehen hydroxylgruppenhaltige Polyurethane, die mit Polyisocyanaten gehärtet werden können. Durch den Einbau von Carboxylgruppen und Neutralisation mit Aminen lassen sich Polyurethanharze in Wasser dispergieren. Solche Polyurethandispersionen sind sehr beständige Bindemittel die in vielen wasserverdünnbaren Lacken eingesetzt werden.
Hydroxylgruppen enthaltende Polyurethanharze können mit Acrylsäure oder Methacrylsäure verestert werden. Solche Bindemittel enthalten dann polymerisierbare Doppelbindungen und können für Lacke die durch UV-Strahlung härten, verwendet werden.

Die ersten synthetischen Bindemittel wurden hergestellt durch das sogenannte Verkochen der Rohstoffe in offenen direkt beheizten Kesseln. Heute ist die Herstellung von Kunstharzen ein kontrollierter chemischer Prozess der in Rührkessel-Reaktoren von 1 - 50 m³ Volumen. abläuft (Abbildung 4). Durch indirekte Beheizung und Kühlung wird die Temperatur des Kesselinhalts genau gesteuert und die Reaktionswärme abgeführt, die z.B. bei Polymerisations- und Polyadditionsreaktionen freigesetzt wird . Die Rührwerke der Reaktoren sind auch für hohe Bindemittelviskositäten ausgelegt. Für die Reaktion in Lösemitteln oder Wasser werden Kessel mit Rückflusskühlung verwendet. Bei Polykondensationsreaktionen wird das entstehende Wasser durch Destillation abgeschieden. Die zur Synthese verwendeten Monomeren werden im Kessel vorgelegt und teilweise auch während der Reaktion zugegeben.

Abbildung 4: Anlage zur Herstellung von Kunstharzen

Der Verlauf der Reaktion wird während des Prozesses verfolgt, durch Messung der Viskosität und bestimmter analytischer Kennzahlen, z.B. Hydroxylgruppengehalt oder Carboxylgruppengehalt oder Restmonomergehalt der Reaktionsmischung. Nach Ende der Reaktion die einige Stunden bis zu mehreren Tagen ( bei bestimmten Polyestern ) dauern kann, werden die fertigen Lösungen oder Dispersionen in Tanks abgefüllt.
Bei der Herstellung von festen Bindemitteln, z.B. für Pulverlacke wird die Harzschmelze auf Bändern abgekühlt und anschließend zu Chips gebrochen.