Thomas Brock

In den nächsten Jahren wird es zu wesentlichen Neuerungen bei der Entwicklung, Formulierung und Anwendung gerade von Industrie- und Autolacken kommen. Denn neue Erkenntnisse der physikalischen und chemischen Grundlagenforschung lassen viele lacktechnische Phänomene und Lösungsansätze in einem anderen Licht erscheinen.
Einige Beispiele aus diesem breiten Spektrum sollen solche Perspektiven verdeutlichen.

Abbildung 1: Dendrimer Start-Baustein

Statt der über Jahrzehnte praktizierten Optimierungsmethode des "Trial and Error" mit aufwändigen Versuchs- und Testreihen werden sich Eigenschaften von Lackfilmen und Beschichtungsstoffen zunehmend exakter vorbestimmen lassen [1]. Neue Bindemittel mit dezidierten Eigenschaften und definierten molekularen Strukturen erweitern die Rohstoff-Palette und die Möglichkeiten der Lackformulierung.

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Abbildung 2: Vergleich Konv. lineares Polymer - Dendrimer

eispielsweise erhöht eine breite Molekulargewichtsverteilung des Bindemittels die Lösungsviskosität. Die statistische Verteilung der funktionellen Gruppen führt bei der Härtung zu einer ungleichmäßigen Vernetzung und beeinflusst die technologischen Eigenschaften der ausgehärteten Beschichtungen negativ.
Zukünftige Bindemittel werden ihre Eigenschaften nicht nur aus der Chemie ihrer Bausteine, sondern in zunehmendem Maße aus der Architektur und Struktur ihrer Verknüpfung herleiten. Das Ziel der Bindemittelsynthese wird es sein, Polymere mit definierten gleichmäßigen Strukturen aufzubauen, bei denen die Beschichtungseigenschaften über die Art des Polymeraufbaus gesteuert werden. Die Reaktionsprinzipien dazu sind bereits vorhanden.
Insbesondere die kontrollierte radikalische Polymerisation erlaubt den Aufbau von maßgeschneiderten Block- und Kammcopolymeren. Die Synthese stark verzweigter Polymere bis hin zu Dendrimeren (griech. dendros: Baum) führt zu Bindemitteln mit niedriger Viskosität in organischen Lösemitteln als Basis für neue High Solid Systeme und zu neuen hochfunktionellen Härtern.

Ein großes Potential für zukünftige Beschichtungssysteme haben auch Hybrid-Polymere (siehe Woche 47): Kombinationen aus organischen Polymeren und organisch modifizierten Silikaten. Mit ihnen wird es möglich, die guten Eigenschaften verschiedener Polymerklassen zu addieren. Besondere Vorteile bietet die Kombination anorganischer und organischer Bausteine, insbesondere der Einbau von Silicium in die Polymerstruktur. Hybridpolymere verbinden die Stabilität und Kratzfestigkeit anorganischer Netzwerke mit der Elastizität der organischen Polymere.
Neue leitfähige Polymere wie modifizierte Polyaniline oder Polythiophene mit verbesserter Löslichkeit, verwendet als Lackrohstoffe, erweitern die Möglichkeiten des Korrosionsschutzes. Sie werden aber auch die elektrostatische und elektrochemische Beschichtung nichtmetallischer Substrate erlauben und wärmeleitfähige Schichten bis hin zu elektrisch beheizbaren Oberflächen möglich machen.

Bindemittel und Härter aus Polymeren mit gleichmäßiger Verteilung der reaktiven Gruppen, Vernetzungsreaktionen, die durch Katalysatoren oder Initiatoren nach Zufuhr einer bestimmten Energie mit hoher Geschwindigkeit ablaufen, und neue Härtungsverfahren mit UV- oder Nah-Infrarotstrahlung werden zukünftig Beschichtungen mit sehr gleichmäßiger und vollständiger Vernetzung erlauben. Oberflächeneigenschaften wie Härte und Kratzfestigkeit, aber auch Elastizität und Schlagbeständigkeit können damit deutlich verbessert werden.
An Bedeutung gewinnen werden auch Dual-Cure-Verfahren, bei denen zwei unterschiedliche und voneinander unabhängige Härtungsreaktionen ausgenutzt werden. Die Aktivierung der ersten Reaktion führt zu einer Erhöhung des Molekulargewichts und/oder zu einer grobmaschigen Vernetzung. Die Oberfläche ist dann schon mechanisch beständig und bearbeitbar. Sie wird im zweiten Härtungsprozess vollständig vernetzt und erbringt dann die gewünschten End-Beschichtungseigenschaften. Wichtigstes Beispiel ist die derzeit intensiv untersuchte Kombination der -NCO/-OH-Addition mit der UV-initiierten Polymerisation von Acrylatmonomeren (siehe auch Beiträge in den Wochen 18 und 47).

Füllstoffe wie Schichtsilikate oder SiO₂ wurden bislang meist zur Verbilligung oder Erreichung bestimmter mechanischer Eigenschaften in Lackformulierungen eingesetzt. In Zukunft werden sie mehr und mehr gezielt zur weiteren Eigenschaftsverbesserung und Verstärkung eingesetzt werden.
Nanoteilchen bieten hierfür eine sehr innovative Perspektive (siehe Beitrag in Woche 17). Die nur wenige Atome großen Teilchen zeigen bisher kaum bekannte Eigenschaftsprofile. Eingebettet in die Polymermatrix des Bindemittels lassen sich damit Oberflächenbeschichtungen herstellen, die ultradünn, dauerhaft abriebfest, transparent und chemisch beständig sind. Oder sie steuern die rheologischen Eigenschaften der flüssigen Beschichtungsstoffe, ohne Eigenschaften wie Glanz oder Transparenz zu beeinträchtigen. In nanofeiner Form aufgeschlossene Schichtsilikate erhöhen die Barrierewirkung von Beschichtungen erheblich. Sie werden als Gasdiffusionssperren z.B. bei Getränkeflaschen oder Schlauchmaterialien Einsatz finden. Hier wirken sie auch als effiziente Sperre gegen den CO₂-Verlust aus Kunststoff-Getränkeflaschen. Weitere Beispiele: Antihaft-Beschichtungen für Glas, Keramik und Metalle sowie in Polymeren, die Schmutz-, Wasser- oder Öl-Anhaftungen verhindern.
Nanoskalige Komponenten werden generell an Bedeutung für die Lackentwicklung gewinnen. Neue Rohstoffe werden dazu führen, Lacke mehr als bisher als Funktionsschichten zu nutzen. Gerade die interdisziplinäre Umsetzung wissenschaftlicher Erkenntnisse bietet der Lackindustrie ein großes Innovationspotenzial.

Abbildung 3: Oberfläche einer Softfeel-Lackierung (hier mit Fasern)

Eine schon etablierte Entwicklungsrichtung der Autolackchemie führte zu Softfeellacken mit hautfreundlicher "Haptik", beispielsweise auf Armaturenbrettern oder Türgriffschalen. Nutzte die Industrie hierfür früher Folien und Klebetechnik, arbeitet sie inzwischen häufig mit Kunststofflacken, in die Polyurethan-Kugeln eingebettet sind. Letztere sorgen dafür, dass sich die Lackoberfläche weich anfühlt. Über weitere funktionale Oberflächeneffekte denkt die Forschung auch bei anderen Zielrichtungen nach: Ein Beispiel sind chemische Fingerabdrücke in Lacken, die für eine zusätzliche Diebstahlsicherung sorgen. Dabei hinterlegt man sozusagen einen chemischen Barcode als Muster im Lack, das dann messtechnisch auslesbar ist. Ein anderes Beispiel sind piezoelektrische Lacke mit elektrisch aktiven Polymeren, die anstelle von Schaltern als Drucksensoren dienen werden. Beide Anwendungen sind jedoch noch relativ weit von einem Praxiseinsatz entfernt.

Die Entwicklung von Industrielacken reagiert immer auch auf den Einsatz neuer Materialien, die es zu beschichten gilt. Kraftstoff sparende Leichtmetalle wie Magnesiumlegierungen für den Fahrzeug- und Flugzeugbau gelten ebenso wie Zink - vor allem wegen ihrer Mikroporosität - als schwierige Untergründe und erfordern spezielle Korrosionsschutzbeschichtungen. Auch der vermehrte Einsatz von neuen Kunststoffen und Verbundwerkstoffen verlangt nach speziellen Lacklösungen und Applikationstechnologien.

Rasant entwickelt hat sich das Gebiet effektgebender Materialien. Damit wird ein vom Betrachtungswinkel abhängiger Farbeindruck einer Oberfläche erzeugt. Aluminiumplättchen, deren Effekt auf der Reflektion des Lichts an der Metaltoberfläche beruht, waren für lange Zeit die einzigen Effektpigmente.
Farbwirkungen aus der Natur, wie sie bei Vogelfedern, Schmetterlingen oder Insekten zu beobachten sind, waren das Vorbild für neue physikalisch wirkende Farbmittel. Durch Interferenzeffekte werden winkelabhängige Farbeffekte in unvorstellbarer Vielfalt erreicht (siehe Abb.4 und Woche 9). Hier ist noch ein weites Feld für zukünftige Entwicklungen.

Abbildung 4: Interferenzeffekt-Oberflächen

Holografische Strukturen führen ebenfalls zu interessanten Farbeffekten. An der Entwicklung solche holografischen Effekte zur Farbgebung bei beschichteten Oberflächen zu verwenden wird gearbeitet.
Insgesamt werden Farbmittel auf Basis der Nutzung physikalischer Effekte zunehmen und neben anorganischen und organischen Pigmenten ihren festen Platz haben.

Abbildung 5: NIR®-Trocknung bei der Holzlackierung (Quelle: AdPhos)

Auch beim Trocknen und Härten gewinnen neue Verfahren in der Praxis an Bedeutung oder werden zumindest intensiv erforscht. Für "Low-Bake"-Verfahren sucht die Industrie nach Möglichkeiten, bei geringeren Temperaturen einbrennen bzw. härten zu können. Entsprechend modifizierte Lacke befinden sich inzwischen in unterschiedlichen Phasen der Erprobung.

Eine schnellere und energiereduzierte Vernetzung zeigen v.a. die strahlungshärtenden Lacke, auf UV-Licht ansprechend und in Sekundenschnelle härtend. Insbesondere wird es sicher gelingen, die Strahlenwirkung auch auf 3D-Objekten (ohne Schattenbildung) gleichmäßig zu verteilen, also nicht nur auf flächigen Teilen.

Überraschend Neues hat sich im Bereich der so simpel erscheinenden konventionellen Wasserlacktrocknung gezeigt: Das Trocknen mit nur mäßig warmer, aber sehr trockener Luft verspricht deutliche Energie- und Kosteneinsparungen, bei Steigerung der Qualität. Es wird im Bereich der Holzlackierung, aber auch z.B. in der Automobillackierung manchen Heißluftofen und IR-Strahlertrockner ersetzen.
In einigen Bereichen, vor allem in der Bandbeschichtung (Coil Coating), gewinnt die Nahinfrarottechnik (NIR®, KIR®) immer mehr an Bedeutung; dabei wird der der Lack durch energiereiche, kurzwellige IR-Strahlung erwärmt und gehärtet.

In naher Zukunft wird sich auch die Anwendung von Pulverlacken deutlich ausweiten, weil an Lacken mit geringeren Härtungstemperaturen gearbeitet wird. Die verschiedenen neuartigen Methoden der Pulverlackauftragung (wie z.B. bei Tonern in Fotokopierern) werden einen Pulver-Einsatz auch dort ermöglichen, wo das traditionelle Sprühverfahren zu langsam ist, z.B. bei der Bandbeschichtung.

Die Elektrotauchlackierung (ETL) wird auch mittelfristig ihren Stellenwert haben. Sie wird sich auch weiter auf leitfähige Kunststoffe ausdehnen und so die Beschichtung von Verbundsystemen erlauben. Beispiel: Kunststoffstoßfänger an Autos. Mehr und mehr wird aber in Mehrschicht-Lackiersystemen auf bestimmte Lackschichten verzichtet werden, z.B. auf den Füller bei der Automobillackierung,- erste Lackierstraßen arbeiten schon so. Elektrotauchlackschicht und Basislack werden seine Aufgaben übernehmen - und dabei helfen, rund 30 Prozent der Energie und 25 Prozent der Kosten einzusparen. Langfristig wird die ETL sicher durch energiesparende Methoden ersetzt werden, wie z.B. die Sol-Gel-Technologie. Eine Autokarosserie wird eines Tages ohne Elektrotauchlackschicht auskommen.

Industrielacke der Zukunft werden in jedem Fall lösemittelarm oder lösemittelfrei sein. Das allerdings nur bei kontinuierlich optimierten Schutz- und Oberflächenqualitäten, das heißt: Der Stand der Technik soll mit neuen Technologien zumindest eingehalten, eher weiter verbessert werden.

Prof. Dr. Thomas Brock Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences Fachbereich Chemie - Lacktechnologie Adlerstrasse 32 47798 Krefeld Tel.: +49 (0)2151 822-4095 Fax: +49 (0)2151 822-4098 E-Mail: thomas.brock@hs-niederrhein.de