Einfluß des UV-Lichtes auf die Zerstörung von Lackfilmen

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1 ~aw Sonderdruck aus farbe + Lack, 80.JG., 6/1974, S Curt R. Vincentz Verlag, 3 Hannover, Postfach Einfluß des UV-Lichtes auf die Zerstörung von Lackfilmen Von R. Renz, H. Töpfel und W. Vesper, BASF Farben + Fasern AG, Bereich Herbol Würzburg Bei der Bewitterung von Lackfilmen treten je nach Klimabedingungen verschiedene Arten und Intensitäten von Schädigungen auf. Die Art der Zerstörung wird wie diese Arbeit zeigt wesentlich durch die Wellenlänge des UV-Lichtes hervorgerufen. Die Versuche wurden mit Hilfe von Kantenfiltern im Weather- Ometer unter Konstanthaltung der übrigen Bedingungen (Temperatur, Luftfeuchte, Beregnung usw.) durchgeführt. Bei einer geeigneten Auswahl von Kantenfiltern ist es möglich, verschiedene Klimabedingungen weitestgehend nachzustellen. 1. Einleitung Neuformulierte Einbrennautolacke oder Änderungen innerhalb einer bewährten Rezeptur, z. B. wegen Rohstoffumstellungen, erfordern es, in kurzer Zeit mit großer Wahrscheinlichkeit festzustellen, ob in irgendeiner Form die Haltbarkeit eines Lackes durch Bewitterung beeinträchtigt wird. Dies ist ein bisher unbefriedigend gelöstes Problem, obwohl eine Vielzahl von Kurzzeitprüfmethoden existiert. Doch alle bekannten Verfahren geben keine guten Korrelationen zu natürlichen Bewitterungen sowohl qualitativ in bezug auf die Art der Filmzerstörung als auch quantitativ, was die zeitlichen Relationen betrifft. Der Grund für die unbefriedigenden Übereinstimmungen der Kurzzeitprüfergebnisse mit den Erscheinungen der natürlichen Bewitterungen dürfte in der unvollkommenen Nachstellung der Witterungseinflüsse wie Temperatur, Luftfeuchte, Regen und Licht sein, wobei die Nachahmung des Sonnenlichtes insbesondere des UV- Anteiles spezielle Schwierigkeiten bietet. Da aber gerade das UV-Licht als besonders schädigend angesehen wird, haben wir den Versuch unternommen, den Einfluß des UV-L i chtes auf die Zerstörung von Lackfilmen zu untersuchen. Bereits Neville [1] und Hoffmann [2] haben den Einfluß verschiedener UV-Bestrahlungen untersucht und eine äi

2 starke Abhängigkeit der Abbauerscheinungen von der Art der UV-Strahlung festgestellt. Während beide Arbeiten über Änderungen von Glanz, Farbton und Gewicht (Gewichtsverlust) berichten, haben wir unser besonderes Augenmerk auf generelle Schädigungen gelegt. 2. UV-Strahlung des Sonnenlichtes Für die Schädigung eines Lackfilms ist der relativ kleine UV-Anteil des Sonnenlichtes (1 bis 6 % ) zwischen 290 nm und 400 nm verantwortlich. Aber gerade dieser Teil des Sonnenspektrums ist starken Schwankungen unterworfen, und zwar sowohl in der Intensität als auch gleichzeitig in der unteren Wellenlängengrenze (Abb. 1). Die untere Wellenlängengrenze schwankt nach Bergk [3] zwischen 285 nm und 315 nm, und die Intensität kann sich bis zu /o verändern. Es ist aber durchaus denkbar, daß durch Strömungseinflüsse Lücken in der Ozonschicht entstehen, die UV-Strahlen unter 285 nm durchlassen. Auch die Rißbildung von Alkyd-Melamin-Klarlack in einem bestimmten Küstenbereich in Florida läßt vermuten, daß die Sonnenstrahlung in ihrem untersten UV-Bereich doch tiefer als 285 nm liegen dürfte Frühere Versuche im Weather-Ometer mit normalen Pyrex- Filtern, deren flache Absorptionskante bei 295 nm beginnt, ergaben auch Rißbildung, wenn man sie nur zwischendurch kurzzeitig mit Hilfe von Quarzfiltern mit UV-Licht bis 190 nm bestrahlte. Dadurch wurde eine Keimbildung für später auftretende Risse gelegt. Für einen guten Schnellbewitterungstest ist es wichtig, Licht zu verwenden, dessen UV-Grenze nahe bei der des Sonnenlichtes liegt. Die Grenze sollte aber eine steile Kante haben, damit bei der künstlichen Bewitterung möglichst viel von der energiereichsten Strahlungsart der Sonne zur Verfügung steht. Die Ursache für diese Schwankungen ist in der Absorption der UV-Strahlung durch die Ozonschicht in der Atmosphäre (in der Höhe zwischen 20 bis 30 km) zu finden, denn je nach Sonnenstand müssen die Sonnenstrahlen unterschiedliche Strecken der Ozonschicht durchlaufen. So ist es also verständlich, daß im Sommer die höchste und im Winter die niedrigste UV-Intensität registriert wird. Die Absolutwerte der Bestrahlungsstärken hängen dabei von der geographischen Breite und der Meereshöhe des Ortes ab [ Versuchsaufbau zur Bestrahlung mit unterschiedlichen UV-Anteilen im Weather-Ometer Die normale spektrale Energieverteilung im Weather- Ometer mit Xenonbrenner und Pyrex-Filtern zeigt Abb. 2. Für unsere Untersuchungen haben wir die Pyrex-Filter durch Quarzfilter ersetzt und in einem Abstand von etwa 16 mm vor die Proben Kantenfilter mit unterschiedlichen UV-Durchlässigkeiten angebracht (Abb. 3), so daß sich die in Abb. 4 gezeichneten UV- Spektren ergaben. Durch die Anordnung der drei Filter vor die Probe war eine genügende Besprühung der Lackoberflächen gewährleistet. Die übrigen Versuchsbedingungen waren: a) Belichtung: abwechselnd 180 min Brenner ein- und und 30 min ausgeschaltet; b) Besprühung: 10 min ein- und 10 min ausgeschaltet. Durch ein zusätzliches Kühlaggregat ergaben sich dabei folgende Bedingungen: a) Lufttemperatur: 60 C bei brennender Lampe, 20 C bei ausgeschalteter Lampe;

3 b) Luftfeuchte: etwa 70 %bei brennender Lampe, etwa 90 % bei ausgeschalteter Lampe. 4. Meßergebnisse In den nachfolgenden Diagrammen ist als Abszisse die Wellenlänge der Filterkante aufgetragen. Abb. 5 zeigt das Kreidungsverhalten eines hochpigmentierten, dunkelgrauen Autodecklackes auf Alkyd- Melaminharz-Basis nach einer 14tägigen Beanspruchung. Es ist eine deutliche Zunahme der Kreidung zu kürzeren Wellenlängen festzustellen. An einem PVC-haltigen nichtstabilisierten Zweischicht- Metallie-Vorlack mit einem Einbrennüberzugslack auf Alkyd-Melaminharz-Basis zeigt sich nach 20 Tagen die in Abb. 6 wiedergegebene Abhängigkeit einer Bläschenbildung von der Wellenlänge. Im Gegensatz zum vorher erwähnten Kreiden tritt hier ein Maximum bei etwa 300 nm auf. Wird der PVC-haltige nichtstabilisierte Zweischicht- Metalleffekt-Vorlack mit einem Einbrennlack auf Acryl- Melaminharz-Basis versehen, so zeigt sich nach 14tägiger Beanspruchung ein Verhalten nach Abb. 7 in bezug auf Bläschenbildung. Das Maximum hat sich nach etwa 280 nm hin verstärkt verschoben, und der Abfall zu kürzeren Wellenlängen ist geringer. Ein ähnlich maximales Verhalten in Abhängigkeit von der Wellenlänge zeigte sich bei der Rißbildung eines farblosen Alkyd- Melaminharz-Einbrennüberzugslackes auf einem hellblauen stabilen Zweischicht-Metallic-Vorlack (Abb. 8). Während bei 263 nm starke Rißbildung ausgeprägt ist, traten innerhalb der Versuchsdauer oberhalb 290 nm überhaupt keine Risse auf. Bei einem Acryl-Melamin-Einbrennüberzugslack farblos auf einem hellblauen stabilen Zweischicht- MetallieVorlack konnte nach 40tägiger Beanspruchung bei keiner Wellenlänge eine Filmzerstörung festgestellt werden. Lediglich bei der Schichtstärke konnte eine meßbare Verminderung beobachtet werden, die mit abnehmender Wellenlänge zunahm (Abb. 8a). Selbst der Glanz erlitt keine Einbuße. Rißbildung trat selbst bei 90tägiger Beanspruchung nicht auf. Weiter wurde die Farbtonveränderung in Abhängigkeit von der Wellenlänge untersucht. Wie Abb. 9 zeigt, werden verschiedene Pigmente im gleichen Lack (Alkyd- Melaminharz-Basis) sehr unterschiedlich von der Art des UV-Lichtes verändert. verschiedene Pigmente im gleichen Lack (Alkyd-Melaminharz-Basis) sehr unterschiedlich von der Art des UV-Lichtes verändert.

4 5. Diskussion Die Versuche haben ergeben, daß die verschiedenen Schädigungen eines Lackes durch ganz charakteristische Wellenlängen bzw. Wellenbereiche des UV-Lichtes ausgelöst wurden. Kreiden, Bläschenbildung, Nachdunkeln, Rißbildung und Ausbleichen erreichen ihren Höchstwert bei ganz verschiedenen Wellenlängen im UV-Spektrum. Es ist also unwahrscheinlich, daß mit nur einem Filter alle Zerstörungserscheinungen gleichzeitig maximal erfaßt werden können. Wenn man daher in seinen Beständigkeitseigenschaften unbekannte neue Lacke testen will, müßte man also verschiedene, nach obigen Gesichtspunkten ausgewählte Filter zeitlich nacheinander, aber in einem bestimmten Zyklus innerhalb eines Tests verwenden. Die beschriebene Filterauswahl gibt, wie eine Reihe von Versuchen gezeigt hat, die Schädigungsbilder wieder, die den Bewitterungen in Florida entsprechen. Eine den Wetterverhältnissen in Würzburg entsprechende Auswahl besteht aus folgenden Filtern: ein WG 295 (3 mm), zwei WG 305 (3 mm), zwei WG 320 (3 mm), ein WG 335 (3 mm). Für die Erstellung eines geeigneten Kurztestes mittels einer künstlichen Lichtquelle kommt daher der Auswahl geeigneter UV-Kantenfilter eine entscheidende Bedeutung zu. Diese Tatsache wurde bisher u. W. nicht genügend beachtet. Um ein den natürlichen Bewitterungen entsprechendes Schädigungsbild zu bekommen, ist die bisher beschriebene Filteranordnung mit Filtern, deren Durchlaßvermögen unter 280 nm liegt, weniger geeignet. Wir haben daher folgende Filteranordnung vorgenommen: Vor den Xenonbrenner mit Quarzfiltern wurden sechs ausgewählte Kantenfilter der Größe 7X21 cm mittels eines Rahmens nach Abb. 10 angebracht. Da der Rahmen mit den Filtern mit der Brennerhalterung fest verbunden ist und die Probentrommel sich dreht, gelangt somit abwechselnd UV-Licht unterschiedlicher spektraler Verteilung auf die Proben. Ist die Auswahl der Filter z. B. ein WG-280-Filter (3 mm), zwei VG-295- Filter (3 mm), ein WG-305-Filter (3 mm), ein WG-320- Filter (3 mm), ein WG-332-Filter (3 mm) so erfolgt die Beanspruchung nur mit Licht, das in der natürlichen Sonnenstrahlung auch enthalten ist. Von dem kurzwelligsten, auf den Lackfilm am stärksten einwirkenden Licht ist jedoch infolge der steilen Begrenzung des UV- Spektrums relativ mehr vorhanden. Das ergibt einen schnelleren und in allen möglichen Arten der Filmzerstörung der natürlichen Bewitterung besser angepaßten Test. Um die beiden Filteranordnungen auf Korrelation zur natürlichen Bewitterung zu überprüfen, haben wir von bewitterten Tafeln aus Florida und Würzburg mit Autoversuchslacken von den abgedeckten Stellen Stücke abgeschnitten. Diese Abschnitte von Wettertafeln mit markanten Bewitterungsschäden und bekannter Dauer wurden diesem Test unterzogen. Die Übereinstimmung bei den verschiedenen Zerfallserscheinungen war gleichartig, jedoch im Ausbildungsgrad leicht verschieden. Eine genaue Zeitrelation bei den verschiedenen Bewitterungssehäden ist für die Praxis auch nicht nötig, wenn es darum geht, eine grundsätzliche Aussage über die Haltbarkeit eines neuen oder geänderten Autolackes zu machen.

5 daß der Zyklus der Luftfeuchtigkeit, Wärme, Temperaturänderung von geringem Einfluß ist. Diese Faktoren sind jedoch wichtig für die beim Filmabbau sekundär ablaufenden Vorgänge wie z. D. die Osmose für die Bläschenbildung. Daher ist eine kurzzeitige Wasserlagerung nach Beendigung des Tests zu empfehlen. Abb. 11: Filterhalterung im Weather-Ometer Es ist also möglich, durch eine geeignete Auswahl von Filtern die Beanspruchung an verschiedenen Orten weitgehend nachzuahmen. Dabei hat sich weiter gezeigt, Abschließend kann festgestellt werden, daß unsere Versuche den schädigenden Einfluß der UV-Strahlung bestätigt haben, wobei die Art der Strahlung, d. h. die Wellenlänge, von besonderer Bedeutung ist. Weiter wurde deutlich, daß das UV-Licht einen wesentlichen Anteil an der Art der Schädigung hat, aber die übrigen Wettereinflüsse gleichfalls zum Erscheinungsbild der Zerstörung beitragen. Literatur 1. G. H. J. Neville, JOCCA 46 (1973), S E. Hoffmann, A. Saracz, JOCCA 54 (1971), S D. Bergk, P. Pluhar, K.-H. Reichert, farbe+lack 77 (1971), S Meyer-Seitz: Ultraviolette Strahlen", 2. Auflage, de Gruyter & Co., Berlin Sonderdruck aus farbe + Lack, 80.JG., 6/1974, S Curt R. Vincentz Verlag, 3 Hannover, Postfach