Carmen Flosbach und Peter Klostermann

Die Anforderungen an Lackbeschichtungen sind vielfältig. Neben den dekorativen Funktionen wie Farbe, Effekt und Glanz ist es der Schutz des Untergrundes vor Umwelteinflüssen und mechanischer Beanspruchung. Bei Deckbeschichtungen für Außenanwendungen sind dies saurer Regen und Sonnenlicht, aber auch Vogelkot oder Baumharze. Hohe mechanische Beständigkeiten wie z.B. Kratzfestigkeit kommen dazu. Zudem müssen die Beschichtungseigenschaften über lange Zeiträume erhalten bleiben, z.B. wegen 25 Jahre langer Gewährleistung auf Bewitterungsstabilität bei Fassadenelementbeschichtungen oder mehr als 10 Jahre langer Durchrostungsgarantie in der Automobilindustrie. Zur Erzielung der Beschichtungseigenschaften sind meist mehrschichtige Lackierungen erforderlich. Der Lack selbst soll umweltverträglich sein, im Idealfall lösemittelfrei (Abbildung 1).

Abbildung 1

Lacke enthielten in früheren Zeiten hochmolekulare Polymere als Filmbildner. Um die Lacke verarbeiten zu können, war ein hoher Lösemittelgehalt erforderlich. Die Trocknung erfolgte über Verdunsten der Lösemittel. Der Lackfilm blieb thermoplastisch, konnte durch Lösemittel wieder gelöst werden, war quellbar durch wässrige Medien und hatte geringe chemische Beständigkeiten. Das Streben nach niedrigen Lösemittelgehalten und höheren Beständigkeiten führte zu Lacken, die durch chemische Reaktionen gezielt "gehärtet" werden, d.h. es werden aus niedermolekularen Reaktionskomponenten polymere Netzwerke aufgebaut (Abbildung 2). Die Auswahl und Kontrolle der Vernetzungschemie hat dabei große Bedeutung für die Qualität der Beschichtung. Steuerungsmöglichkeiten sind der molekulare Aufbau der Reaktanten, deren Molekularmasse und die Zahl der reagierenden chemischen Gruppen, der Umsatzgrad der Vernetzungsreaktion sowie der molekulare Aufbau des gebildeten Netzwerks (Abbildung 3).
Die Reaktionsbedingungen (Temperatur, Zeit) der Vernetzung sind zumeist durch den Lackierprozess festgelegt. Die Vernetzungstemperatur wird zudem durch die thermische Stabilität des zu beschichtenden Objekts limitiert.

Abbildung 2

Abbildung 3

Für die Metallbeschichtung werden überwiegend so genannte Einbrennlacke eingesetzt. Durch erhöhte Temperatur kann die Vernetzungsreaktion in wenigen Minuten mit hoher Umsatzrate durchgeführt werden. Übliche Vernetzungsbedingungen bei Autoserienlacken sind 130 bis- 180°C über einen Zeitraum von 10 bis -20 Minutenmin. Bei der Isolierbeschichtung von Drähten erfolgt die Vernetzung bei Temperaturen von 300 bis- 350°C innerhalb weniger Sekunden. Bei Einbrennlacken werden überwiegend Vernetzungsreaktionen genutzt, die eine hohe Aktivierungsenergie aufweisen bzw. endotherm verlaufen. Die Mischung der reaktiven Lackbestandteile ist bei Raumtemperatur lagerstabil, d.h. der Lack besteht aus nur einer "Komponente". (Ein-Komponenten-Lack). Es handelt sich dabei vorwiegend um Systeme, die über Polykondensation vernetzen.
Bewährt für eine Vielzahl von Industriebeschichtungen haben sich Einbrennlacke auf Basis hydroxylfunktioneller Polyester oder Polyacrylaten in Kombination mit Melaminharzen (Abbildung 4). Durch die große Variationsbreite sowohl bei den hydroxylfunktionellen Komponenten als auch bei den Melaminharz-Vernetzern können Beschichtungseigenschaften gezielt eingestellt werden. Die ursprünglich lösemittelreichen Systeme wurden sowohl zu lösemittelarmen High-Solid-Lacken als auch zu Wasserlacken weiter entwickelt. Derartig aufgebaute Einbrennlacke haben weltweit betrachtet nach wie vor die größte Verbreitung und auch die größte wirtschaftliche Bedeutung.

Abbildung 4

Ihre Allround-Eigenschaften mit großer Variationsbreite bei günstigem Preis werden diese Position noch lange sichern. Als Nachteile sind den Melaminharzlacken die generelle Schwäche der Spaltverluste (niedrige Alkohole und Formaldehyd!) und die begrenzte Beständigkeit gegen saure Agenzien anzulasten.
Zunehmend Konkurrenz erhalten die Melaminharz-Vernetzer durch blockierte Polyisocyanate (Abbildungen 5 und 6). Durch die Blockierung (Verkappung) der reaktiven Isocyanatgruppen können gleichfalls einkomponentige Systeme realisiert werden. In Abhängigkeit vom Blockierungsagens erfolgt die Vernetzung bei Temperaturen ab 120°C. Die resultierenden Beschichtungen zeigen die Stärken von Polyurethan-Systemen. So können sowohl die erforderlichen viskoelastischen Eigenschaften zur Erzielung hoher Beständigkeit gegen mechanische Beanspruchungen, z.B. Steinschlag, als auch die erforderliche Netzwerkdichte für hohe Chemikalienbeständigkeit eingestellt werden. Nachteilig sind der hohe Preis und die Spaltverluste durch Freisetzung des Blockierungsagens. Einige Blockierungsagenzien sind zudem toxikologisch bedenklich.

Abbildung 5

Abbildung 6

Eine weitere Vernetzungschemie für Einkomponenten-Lacke ist die Polyaddition von carboxyl- an epoxy-funktionelle Reaktionskomponenten. Diese Vernetzung findet hauptsächlich bei Pulverlacken Anwendung (Abbildung 7).

Abbildung 7

Können Vernetzungstemperaturen über 100°C aufgrund der Temperaturlabilität des zu beschichtenden Objekts bzw. aufgrund der Lackierprozessbedingungen nicht realisiert werden, erfolgt der Einsatz von Lacken, deren Reaktionskomponenten erst kurz vor der Verarbeitung gemischt werden (Zweikomponenten Lacke).
Seit Ende der 50-iger Jahre wurden zweikomponentige Polyurethanlacke (2K-PUR-Lacke) für industrielle Beschichtungen eingeführt und haben rasch große Bedeutung erlangt (Abbildung 8).

Abbildung 8

Auf dem Gebiet der Autoreparaturlacke zeigen 2K-PUR-Lacke weltweit betrachtet das größte Marktwachstum. Wasserverdünnte 2K-PUR-Lacke sind für Autoreparaturanwendungen in der Markteinführungsphase. PUR-Systeme sind sowohl für Grundierungen als auch für Decklacke anwendbar. Ihre größte Stärke ist die Variationsbreite der erzielbaren Eigenschaften durch Einsatz maßgeschneiderter Polyolkomponenten und Wahl des Polyisocyanat-Vernetzers. Beschichtungen mit gummielastischen Eigenschaften sind genauso realisierbar wie Beschichtungen mit hoher Oberflächenhärte. Mit aliphatischen Polyisocyanat-Vernetzern werden exzellente Bewitterungsstabilitäten erreicht. Reaktionstemperaturen von 60 - 80°C über 20 - 60 min. führen zu den gewünschten Beschichtungseigenschaften. Bei Polyurethanen wird zu dem das über chemische Bindungen gebildete Polymernetzwerk verstärkt durch ein zweites Netzwerk über Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Urethangruppierungen.
2K-PUR-Klarlacke werden aufgrund der hervorragenden Bewitterungsbeständigkeit auch für die Autoserienbeschichtung eingesetzt. Die höheren Härtungstemperaturen von ca. 140°C über 15 bis 20 Minuten. führen zu einer deutlich vollständigeren Umsetzung der reaktiven Gruppen und dadurch bedingt zu dichteren Polymernetzwerken.

Abbildung 9

Für Grundierungen wird die Epoxy/Amin-Chemie genutzt (Abbildung 9). Stand der Technik sind Bisphenol-A-Epoxidharze, die mit Polyamidoaminen vernetzt werden. Mit Epoxidharzbeschichtungen werden hohe Chemikalienbeständigkeit, hervorragende Adhäsion und hoher Korrosionsschutz bei Applikation auf Stahl und Aluminium erzielt. Epoxy-Amin-Systeme können auch bei Temperaturen unter +15° C noch vernetzt werden.
Es hat nicht an Versuchen gefehlt, Alternativen zur Isocyanatvernetzung zu entwickeln. Insbesondere für Autoreparaturlacke wurden eine Vielzahl von sogenannten NISO*-Systemen entwickelt, z.B. MICHEAL-Addition-Systeme über Addition von -Ketoester an Acryloyl-Doppelbindungen (Abbildung 10).
* Nicht Isocyanat

Abbildung 10

Optimierte Vernetzungschemie zur Erzielung höherer Beständigkeiten

Bei einkomponentigen Einbrennlacken gibt es mehrere Entwicklungsrichtungen, die erhöhte Beständigkeiten erreichen lassen und das Potential haben, die derzeit eingesetzten Systeme abzulösen.
Die meisten Erfahrungen liegen mit Lacken auf Basis epoxyfunktioneller Polyacrylate in Kombination mit carboxylfunktionellen Vernetzern vor. Diese Chemie ist bei Pulverlacken bereits bewährt. Die Polyadditions-Reaktion verläuft bei Temperaturen über 120°C mit hoher Umsatzrate. Die Chemikalienbeständigkeit ist ausgezeichnet.
Außergewöhnlich hohe Vernetzungsdichten werden durch die Anwendung der Photopolymerisation von Lacken auf Basis acryloylfunktioneller Poly- und Oligomerer erzielt. Das Vernetzungsprinzip ist die radikalische Polymerisation, ausgelöst durch den Zerfall eines lichtempfindlichen Initiators bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht (UV-Licht). Da für die Vernetzung keine thermische Energie benötigt wird, eignen sich UV-Lacke besonders für temperaturempfindliche Untergründe. So wird die Pulverlack-Beschichtung von thermoplastischen Kunststoffen und Holz durch die Nutzung der Photopolymerisation erst ermöglicht. Nach elektrostatischer Applikation des UV-Pulverlackes erfolgt die Filmbildung mittels Aufschmelzen durch Infrarot-Strahler. Durch anschließende Bestrahlung mit UV-Licht wird die Photopolymerisation initiiert, die zur Vernetzung des Lackfilms führt (Abbildung 11).

Abbildung 11

Die beschriebenen Vernetzungsreaktionen werden auch in der weiteren Zukunft nicht an Bedeutung verlieren. Die Entwicklung gänzlich neuer Vernetzungsmechanismen ist wenig wahrscheinlich. Um die stetig steigenden Anforderungen an moderne Lacksysteme erfüllen zu können, bieten die Kombinationen verschiedener Vernetzungsreaktionen noch vielfältige Möglichkeiten.