„Chemie des Wassers – Basis auch der Elektrotauchlackierung“

<b>Abbildung 1:</b> Elektrische Schaltung und Stromfluss bei der ETL

Allgemeines

Bei der Elektrotauchlackierung (ETL) wird das zu beschichtende Objekt in einen kolloidal wassergelösten Lack getaucht. Unter Anlegen elektrischer Gleichspannung zwischen dem Objekt und einer Gegenelektrode wird eine Abscheidung von hohem Feststoffgehalt erzielt, die zu sehr guten Korrosionsschutzeigenschaften führt.

Lackmaterial

Für Fahrzeuge werden meist braun, grau oder schwarz pigmentierte Grundierungen als KTL (kathodische) oder ATL (anodische Elektrotauchlackierung) eingesetzt. Im Bereich der allgemeinen Industrie stehen für Grundierungen, aber auch für Einschichtlackierungen farbige Lacke zur Verfügung. In diesem Beitrag wird ausschließlich die KTL behandelt, die sich aus technischen Gründen weitgehend durchgesetzt hat.

Die wässrigen Lackbäder sind sehr niedrigviskos (dünnflüssig) und müssen ständig gerührt werden, da die Pigmente und Füllstoffe sonst irreparabel sedimentieren würden.

Wie andere Lacke bestehen auch die Elektrotauchlacke aus Bindemittel und Pigmenten, die beide zusammen den Feststoffgehalt ausmachen, und als dritter Komponente aus einem Lösemittel/Wasser-Gemisch. Dieses besteht neben wenigen Prozenten organischer Lösemittel und Neutralisationsmitteln fast nur aus Wasser, und somit muss das Bindemittel in einer wasserverdünnbaren Form vorliegen.

Dazu weisen die Bindemittel-Polymere (meist Mischungen verschiedener Polymertypen) chemische Gruppierungen (-COOH, -NR2) auf, die sich als Polymersalze neutralisieren lassen. Die Stabilität des kolloidalen Zustandes hängt stark von Qualität und Reinheit des verwendeten Wassers ab: Die Anwesenheit von Ionen, besonders von mehrwertigen Ionen wie Ca2+, SO42-, CO32-, PO43- (aus der meist vorhergehenden Metallvorbehandlung durch Phosphatierung) würde zur Destabilisierung des Systems bis hin zur Ausflockung, schlechterer Abscheidbarkeit des Lackes und unbrauchbarer Lackfilm-Oberfläche führen. Zum Reinigen vor der Beschichtung und zum Einstellen des Badmaterials selbst wird also grundsätzlich mit vollentsalztem Wasser gearbeitet.

Abscheidemechanismus, wichtige Begriffe

Bei einem einfachen Tauchen ohne Stromfluss würde der Lack würde anschließend einfach wieder ablaufen. Die Abscheidung erfordert das Anlegen einer elektrischen Gleichspannung von 200 - 400 V zwischen Werkstück und Gegenelektrode, die sich beide im Elektrotauchbad befinden (Abb.1).

  • Elektrophorese ist die Wanderung elektrisch geladener Teilchen durch einen als Trägermaterial dienenden Stoff in einem elektrischen Feld.
  • Elektroosmose ist die Bewegung des (geladenen) Feststoffanteils zu einer Oberfläche hin, hervorgerufen durch ein elektrisches Feld. Dadurch wird der Flüssigkeitsgehalt an der Grenzfläche zum Metall verringert.
  • Elektrolyse ist die Aufspaltung einer chemischen Verbindung unter Einwirkung des elektrischen Stroms. Im Zuge der Wasserelektrolyse sind die an den Elektroden sich anreichernden H+ - bzw. OH- -Ionen für die anschließende
  • Elektrokoagulation wichtig (Abb. 2). Elektrokoagulation ist der Übergang der kolloidal gelösten Teilchen durch Entladung in eine unlösliche Form, hier durch die Deprotonierung mittels der an der Kathode freiwerdenden OH- -Ionen zu ungeladenen und nun unlöslichen Lackteilchen.
<b>Abbildung 2:</b> Wasserelektrolyse

Kathodisch abscheidbare Bindemittel sind zunächst wasserunlösliche Polyamine. Sie werden mit Säuren, vorzugsweise Carbonsäuren wie Ameisensäure oder Essigsäure, neutralisiert und bilden wasserlösliche Salze (Abb.3). Bei Stromfluss im Elektrotauchlack entsteht (s.o.) an der Kathode eine Diffusionsgrenzschicht hohen pH-Wertes (pH 10 und höher), wodurch das Bindemittel wieder deprotoniert und in seine wasserunlösliche Form überführt wird (Abb.4).

 

<b>Abbildung 3:</b> Lösungsreaktion des KTL-Polymers
<b>Abbildung 4:</b> Abscheidereaktion des KTL-Polymers

Um die oben erwähnte Konzentration an Fremdionen sowie die Anreicherung des bei der Abscheidung im Bad verbleibenden Neutralisationsmittels (Säure) in Grenzen zu halten, sind aufwändige Dialyse- und Ultrafiltrationskreisläufe im Einsatz. Die absolute Konstanz des Gehaltes aller Elektrolyten im Bad ist Voraussetzung für eine Standzeit von Jahren. Ständige Kontrolle des pH-Wertes, der enthaltenen Ionen, der Temperatur (Diffusionsvorgänge!) sowie natürlich eine Nachdosierung des abgeschiedenen Feststoffanteiles sind erforderlich. Zum Anlagen-Layout s. auch Abb. 5

<b>Abbildung 5:</b> KTL-Anlagenschema
<b>Abbildung 6:</b> Umgriff
<b>Abbildung 7:</b> KTL-Becken

Umgriff

Im abgeschiedenen, koagulierten Lackfilm steigt der Feststoffgehalt von 10 und 20 % im Bad auf ca. 80 %. Da das Bindemittel und die Pigmente im Allgemeinen elektrische Leiter sind, ist der Widerstand der abgeschiedenen Schicht hoch. Das hat zwei wichtige Auswirkungen:

1. Der sich vergrößernde Widerstand begrenzt automatisch die Schichtdicke auf ca. 20 - 30 µm (im eingebrannten Zustand).

2. Dies verschiebt das elektrische Feld zu Stellen geringeren Widerstandes, also zu den zunächst abgeschirmten Bereichen in Ecken, Hohlräumen (mit „Faraday-Effekt“) und auf Rückseiten. Der für den Korrosionsschutz wichtige Effekt wird "Umgriff" genannt (Abb.6a und 6b). Auch der Umgriff hängt stark von der Qualität, speziell der elektrischen Leitfähigkeit, des Wassers ab.

Anwendungsbereiche für die Elektrotauchlackierung

sind die Automobilindustrie, KFZ-Zubehör, Landmaschinen, Haushaltsgeräte, Stahlmöbel, Bauelemente, Elektrooberfläche, Garten- und Freizeitgeräte. Abb. 7 zeigt ein Becken zur PKW-KTL-Grundierung (Quelle: BASF Coatings).

Literatur

[1] T. Brock, M. Groteklaes, P. Mischke: Lehrbuch der Lacktechnologie, 4. Aufl. Vincentz Verlag, Hannover 2012

[2] A. Goldschmidt, H.-J. Streitberger: BASF Handbuch Lackiertechnik. Vincentz Verlag, Hannover 2002

[3] H. Kittel: Lehrbuch der Lacke und Beschichtungen. 2. Aufl., Bd. 9, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 2004

[4] H.-J. Streitberger und K.-F. Dössel (Eds.), Automotive Paints and Coatings, 2nd ed., Wiley-VCH Weinheim 2008