als Anschlussprojekt zum Thema

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1 1 Thema Witterungsbeständige, verschleißfeste Lackierung von Holz und WPC auf der Basis von lösemittelarmen semi-/transparenten Acrylat-Silica-ZnO-Nanokompositen als Anschlussprojekt zum Thema Entwicklung kratz- und abriebfester Beschichtungen für Holzoberflächen auf der Basis von lösemittelarmen Nanokomposit-Lacken 2 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung Außenbeschichtungen auf Holz kommen auf maßhaltigen Bauteilen (Fenster und Türen), auf begrenzt maßhaltigen Bauteilen (Fassaden, Bodenbeläge auf Balkons) und nicht maßhaltigen Bauteilen (Zäune, Gartenbänke) zum Einsatz. Relativ neu ist der Anstieg des Einsatzes von Holz oder Wood Plastic Composites (WPC) als Outdoor-Bodenbelag in Form von Terrassendielen, Decks für Loggien oder Schwimmbadumrandungen. Der Endverbraucher ist dem Produkt Holz gegenüber sehr aufgeschlossen, er möchte es jedoch in seinem natürlichen Farbton wahrnehmen. Deshalb sind transparente Beschichtungen gewünscht. Da transparente oder schwach pigmentierte Beschichtungen in der Regel keinen ausreichenden Schutz gegenüber photochemischem Abbau des Holzes bieten, werden bei Fenstern und Fassaden pigmentierte oder deckende Beschichtungen fast immer auf wässriger Basis (Feststoffgehalt max. 40 %, Preis ca. 10 /kg) eingesetzt. Als Materialkosten fallen dafür 3-4 / m² bei ca µm Trockenschichtdicke an. Bemühungen zum Einsatz transparenter Beschichtungen auf Basis witterungsbeständiger UV-härtender Lacksysteme mit speziellen UV- und Lichtschutzmitteln gegen Farbänderungen und Ligninabbau haben bisher, insbesondere aus Kostengründen und wegen zu geringer Witterungsbeständigkeit, keine breite Anwendung gefunden. Wird ein Holzbauteil für die horizontale Anwendung stark pigmentiert oder deckend beschichtet, dann geschieht dies in der Regel mit sehr elastisch eingestellten wässrigen Lasuren oder Lacken, die keinen besonderen Schutz gegen mechanischen Abrieb bieten. Laufstraßen mit durchgängigem Abrieb bis zum Substrat auf frequentierten Holzstegen stellen deshalb keine Seltenheit dar. Bekannt ist, dass vor allem Lignin als Klebstoff der Cellulosefasern des Holzes durch Licht mit Wellenlängen bis 440 nm photochemisch abgebaut wird. Phenolische Chromophore des Lignins absorbieren Photonen. Es entstehen langlebige Triplettzustände, die Radikale bilden und über anschließende Kettenreaktionen zur Polymerdegradation führen. Die Anwesenheit von Sauerstoff und Wasser beschleunigt diese Prozesse, es kommt zum Abbau des Lignins, das in eine wasserlösliche Form übergehen kann und die Beschichtung ihre Haftung auf dem Holz verliert. Eine ideale Schutzschicht zu Verhinderung der Photodegradation von Holzoberflächen müsste daher eine - ausreichende Filterwirkung für Wellenlängen bis 440 nm und eine - hohe Barriere für Sauerstoff- und Wasserdampf-Permeation aufweisen. 1

2 Im Zusammenhang mit der zunehmenden Bedeutung der nachhaltigen Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen wurde in jüngster Zeit eine Reihe von Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen auf der Basis natürlicher oder naturidentischer Polymere entwickelt, die zumeist als Wood Plastic Composites (WPC) bezeichnet werden. Sie bestehen aus Holz als Füllstoff in Form von Fasern, Spänen oder Holzmehl und einer Matrix, für die meist thermoplastische Kunststoffe mit niedrigen Verarbeitungstemperaturen wie z.b. Polypropylen (PP), oder Bio-Polymere (z.b. Stärke) zum Einsatz kommen. WPC-Produkte wurden von Herstellern häufig als wartungsarm und dauerhaft ausgewiesen. Untersuchungen und Schadensfälle aus der Praxis haben jedoch gezeigt, dass WPC s durch UV-Bestrahlung, Feuchte und Temperatureinwirkung sowie deren Folgeerscheinungen (z.b. Pilzbefall) geschädigt werden können. Nach Freibewitterung zeigten WPC ausgeprägte Vergrauungen und wiesen zudem starke Erosionsspuren auf. Dies führte zur Bildung von Mikrorissen und zur deutlichen Aufrauung, was dort eine erhöhte Wasseraufnahme bewirkte. WPC benötigen somit zum Schutz gegen Witterungseinflüsse und auch aus ästhetischen Gründen unbedingt eine Oberflächenbehandlung mit organischen Überzügen. Diese sind gegenwärtig wegen der spezifischen Werkstoffeigenschaften (unpolar, geringe Oberflächenspannung, z. T. porös) mit umweltverträglichen Beschichtungsstoffen nicht oder nur sehr aufwendig zu realisieren. Zur Anwendung der Flüssiglackierung bei WPC für den Außeneinsatz existieren noch keine systematischen Untersuchungen und Langzeiterfahrungen. Heute werden Werkstoffe dieser Art in der Regel in mehreren Applikationsgängen mit lösemittelhaltigen Systemen beschichtet. Die Verschärfung umweltschutzrechtlicher Regelungen zwingt zu umfangreichen Maßnahmen zur Reduzierung der Lösemittelemissionen und erfordert letztendlich den Einsatz lösemittelarmer oder freier Lacksysteme. Untersuchungen zur Realisierung einer ausreichenden Verankerung (Eindringvermögen) zwischen Lack und Werkstoff müssen die Wahl eines geeigneten Lacksystems (z.b. 100%-UV-Lacke) bestimmen. Die Gewährleistung ausreichender Gebrauchseigenschaften ist weiterhin von der Möglichkeit einer optimalen Abstimmung zwischen Lack- und WPC-Eigenschaften bezüglich Dehnbarkeit und Wasserdampfdiffusion abhängig. Bezug zum Vorläufervorhaben Im Rahmen der im vorangegangenen Projekt durchgeführten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten konnte nachgewiesen werden, dass strahlengehärtete transparente Acrylatbeschichtungen mit Silica-Nanopartikeln als Füllstoffe hinsichtlich Abriebfestigkeit, Kratzfestigkeit, Mikrohärte, Elastizität, Stoßfestigkeit, Mar-Resistance und wasserabweisender Eigenschaften besser als die Referenzmuster (konventionelle UV-lackierte Parkettpaneele und UV-lackierte Möbelbauteile, beides für Anwendung im Innenbereich) sind. Aufbauend auf Ergebnissen der bisherigen Entwicklungen besteht nunmehr eine Möglichkeit, semi- /transparente Acrylat-Nanokomposit-Lacke mit einer zusätzlichen UV- und Lichtschutzfunktion zu versehen und gleichzeitig eine hohe Verschleißfestigkeit zu garantieren, um insbesondere das Gebrauchsverhalten von Outdoor-Bodenbelägen zu verbessern. 2

3 Beschichtung von Wood Plastic Composite (WPC) Für die Beschichtung von WPC wurden in Vorversuchen verschiedene IOM-Lacke getestet. Ohne Substratvorbehandlung war bei keinem der untersuchten Lacke eine gute Haftung zu beobachten. Durch Anschleifen des WPC-Substrates konnten jedoch gute Haftungseigenschaften realisiert werden. Die beschichteten WPC-Muster zeigen gute Parameter bezüglich Kratz-, Abrieb- und Stoßfestigkeit, Elastizität und Easy to clean-eigenschaften. Semitransparente/transparente witterungsbeständige Lackierungen für Holz/WPC Elastizität, wasserabweisende Eigenschaften und Schutz gegen photochemischen Abbau des Lackes/Substrates sind die wichtigsten Parameter für witterungsbeständige Beschichtungen von Holz/WPC. IOM-Lacke sind bezüglich dieser Parameter wie folgt zu bewerten: Im IOM wurden Decklacke entwickelt, die speziell für elastische Substrate wie PVC- oder Linoleum-Belege geeignet sind. Die organischen Bindemittel der IOM-Nanolacke entstehen in der Regel aus Acrylat-Urethanacrylat-Mischungen, die vergilbungsbeständig sind. Eine Lösung des Problems der Lichtschutzwirkung von Beschichtungen bezüglich des Untergrundes Holz und WPC soll wie folgt erfolgen: 1. Seit kurzem werden nanoskalige Metalloxide (z.b. Zinkoxid) am Markt angeboten, die eine scharfe Lichtabsorptionskante bei 400 nm haben, jedoch nicht photokatalytisch wirksam sein sollen. 2. Die Einarbeitung von nanoskaligen Metalloxiden mit hohen Konzentrationen in die Acrylat- Silica-Nanokomposite kann wie bisher durch in-situ Organophilierung erfolgen. 3. Nanoskalige UV-Absorber können mit herkömmlichen UV-Absorbern und vor allem mit Radikalfängern kombiniert werden. 4. Die Härtung der Systeme soll durch UV-Strahlen erfolgen, bei Härtungsproblemen sollte die Härtung der Beschichtungen auch durch Elektronen erfolgen. 5. Nanokomposite weisen außerdem eine verringerte Sauerstoff- und Wasserdampfpermeation auf, was die Stabilisierung der Holzoberfläche verbessern dürfte. Der vorgeschlagene Weg ist im Vergleich zu in anderen Arbeiten empfohlenen Kombinationen UV-Absorber/UV-Stabilisator/Farbstoff effektiver, weil - nanoskaliges ZnO ein definitiv effizienterer UV-Absorber als Tinuvin 400 ist, insbesondere im Bereich des Ligninabbaus (bis 400 nm) und weil - die vorgesehenen Acrylat-Silica-ZnO-Nanokomposite im Vergleich zu oft benutzten aliphatischen Polyurethanacrylaten bessere Elastizität sowie Wasser- und Lichtbeständigkeit besitzen. Das IOM beschäftigt sich auch mit der Entwicklung eines Lackes zur Beschichtung von PVC- Folie für Schwimmbecken, der hohe Wasserbeständigkeit und wasserabweisende Eigenschaften aufweisen. Die dabei gewonnenen Erfahrungen können im Projekt genutzt werden. 3

4 3 Forschungsziel und bisherige Ergebnisse 3.1 Forschungsziel und angestrebte Forschungsergebnisse Es sollen Außenbeschichtungen auf Basis von lösemittelarmen, semitransparenten/transparenten Acrylat-Silica-ZnO-Nanokompositen unter Anwendung neuartiger nanoskaliger Metalloxide als Lichtschutzmittel entwickelt werden. Die aus dem Vorgängerprojekt bekannten guten Verschleißeigenschaften (hohe Abrieb- und Kratzfestigkeit), die in einem weiten Bereich einstellbaren elastischen Eigenschaften sowie die gute Hydrophobie sollen für horizontale Anwendungen als Outdoor-Bodenbelag auf Holz- oder WPC-Basis weiter genutzt werden. In Abhängigkeit von der notwendigen Schichtdicke für die Lichtschutzwirkung (ca µm) sollen die Lackkosten für die strahlenhärtenden 100 % Systeme (100 % Feststoffgehalt) ca. 0,8-1,6 /m² betragen. Der Anteil der Kosten für die ZnO- Metalloxide beträgt dabei ca. 0,05-0,10 /m². Durch den Einsatz der 100 % Systeme (Preis ca. 11 /kg) kann gegenüber den fast ausschließlich verwendeten wässrigen Systemen eine Kostenreduzierung durch die dünnere Nassschichtdicke erreicht werden. Eine Witterungsbeständigkeit von mindestens 5 Jahren wird angestrebt. Bei Fassadenbeschichtungen sollen weitere Eigenschaften wie Easy to clean und Antigraffiti realisiert werden. Die wirtschaftliche Bedeutung des Projektes besteht u.a. darin, den im Vergleich zu reinen thermoplastischen Formmassen kostengünstiger herstellbaren Elementen aus WPC durch Verlängerung der Lebensdauer den Markt zu erhalten bzw. den Zugang zu neuen Märkten zu öffnen. Das könnte für viele für den Bausektor tätige klein- und mittelständische Unternehmen (kmu) einen Wettbewerbsvorteil bringen und von erheblicher wirtschaftlicher Bedeutung sein. Dies gilt auch für Produkte auf Holzbasis, wenn es gelingt, witterungsbeständige semi-/transparente Beschichtungen zu entwickeln. 3.2 Ergebnisse der Untersuchungen zur Eignung forcierter Trocknungsverfahren für Wasserlacke auf Holz Auswahl von Materialien und Durchführung von Untersuchungen zu Haftungseigenschaften a) Materialauswahl (IHD/IOM/Projektbegleiter Ausschuss) Folgende Materialien wurden für die Untersuchungen zusammen mit dem projektbegleitenden Ausschuss ausgewählt: WPC-Typen: - Kovalex WPC-Variante (Fassadenprofil, 60 % Holz, 40 % PP) - Pinuform WPC Dielen-Varianten in Stein- und Holzoptik (PP-Matrix) Vollholz für Dielen und Fassade: - Fichte (Fassade), roh und vorgrundiert mit transparentem UV-Lacksystem - Lärche (Diele) 4

5 Lacksysteme: - Lösemittelhaltige PP-Primer für WPC-Grundierung - Wässrige Grundierung mit starken Penetrationsverhalten für Holz - 100% UV-Acrylat-Lacke (ggf. verdünnt für Spritzapplikation) Nanoskaliges Zinkoxid: - Anbieter 1 - Anbieter 2 - Anbieter 3 Lichtschutzimprägnierungen: - Lignostab (Ciba) - Suncare (ISP) Nanoskaliges SiO2: - Anbieter 1 - Anbieter 2 Ausgewählte Versuche auf WPC Oberflächen zur Haftung wurden mit einem breiten Spektrum an WPC s durchgeführt. Alle Materialien wurden kostenfrei zur Verfügung gestellt. b) Untersuchungen zur Verbesserung der Haftungseigenschaften von WPC (IHD) WPC s weisen aufgrund des hohen PP-Anteils eine niedrige Oberflächenspannung auf (ca. 28 mn/m). Generell gilt jedoch, dass die Oberflächenspannung des Substrates größer als die der Beschichtungsflüssigkeit sein soll. Deshalb treten in der Regel Haftungsprobleme beim Beschichten mit WPC auf. Um die Haftungseigenschaften der WPC-Oberflächen zu verbessern, wurden zwei Konzepte an einem breiten Spektrum an WPC-Proben erprobt: - Erprobung von Vorbehandlungsverfahren (Beflammen, Plasmabehandlung (Abb ), - Erprobung von 4 unterschiedlichen Flüssigprimern Zum Nachweis der Effekte der Vorbehandlungsverfahren wurde der Kontaktwinkel mittels Kontaktwinkelmessgerät der Firma Dataphysics oder die Oberflächenspannung mittels Testtintenverfahren ermittelt. Haftungseigenschaften unterschiedlicher Primer wurden mittels Gitterschnittverfahren gemäß EN 2409 nachgewiesen. 5

6 Abb. 1: Einrichtung zur Handbeflammung Abb. 2: Vorbehandlung mit Normaldruckplasma (Plasma-Treat-Verfahren) Ergebnisse In Abb. 3 sind die Ergebnisse der Kontaktwinkelmessungen nach Behandlung mittels Beflammen und Plasma (jeweils mit optimierten Parametern) dargestellt. Es wird deutlich, dass beide Verfahren einen signifikanten Effekt bringen, der je nach WPC-Typ Vorteile des einen oder anderen Verfahrens zeigt. 6

7 120,00 100,00 Kontaktwinkel / (Grad) 80,00 60,00 40,00 20,00 unbehandelt Plasma beflammt 0, /1 1398/2 1398/ WPC-Proben Abb. 3: Vergleich von Kontaktwinkeln auf den durch Beflammen und Normaldruckplasma vorbehandelten WPC-Proben An den 3 speziellen für die Hauptuntersuchungen des Themas ausgewählten WPC-Proben wurden Bestimmungen der Oberflächenspannung mittels Testtintenmethode durchgeführt. Tab. 1: Ermittelte Bereiche der Oberflächenspannungen an verschiedenen WPC Variante Oberflächenspannung in mn/m für verschiedene Zustandsformen der Oberfläche; unbehandelt beflammt plasmabehandelt Diele in Steinoptik Diele in Holzoptik 28 > Fassadenprofil Es wird deutlich, dass bei diesen drei Proben das Beflammen effektiver als die Plasmabehandlung ist. Im Falle der Diele in Steinoptik werden allerdings kaum Effekte durch diese Arten der Vorbehandlung erzielt. Deshalb war parallel nach speziellen Haftprimern für Kunststoffe zu suchen, um damit die Haftung auf WPC-Oberflächen zu verbessern. Abb. 4 zeigt die Ergebnisse der Haftfestigkeitsprüfungen auf 5 unterschiedlichen WPC-Typen. Primer 1 und 2 führen auf allen 5 WPC Typen zu einer guten Haftung (Mittlerer Gitterschnittkennwert 0,5), sie sind als universell wirkende Primer für die zukünftigen Untersuchungen zu bevorzugen. Bei den Primern 3 und 4 werden zum Teil auf verschiedenen WPC s sehr schlechte Haftfestigkeitskennwerte erzielt, 7

8 sodass auf die Anwendung dieser Primer in den nachfolgenden Untersuchungen verzichtet wird. Haftfestigkeit von Haftprimer (Hersteller 1 bis 4) auf verschiedenen WPC-Proben 5 Gitterschnittwert WPC 1 WPC 2 WPC 3 WPC 4 WPC Hersteller 1 Hersteller 2 Hersteller 3 Hersteller 4 Abb.4: Haftfestigkeit verschiedener Primer auf ausgewählten WPC s c) Auswahl von Grundierungen für Holzsubstrate und Untersuchungen zu Lackeigenschaften (IOM) Zwei Versionen von Grundierungen wurde ausgewählt: 1 Grundlack (1K-Hydro-Tauchlack H 5100 von Fa. 3H-Lacke) und 2 100%-UV Grundlack von Fa. Pinufin. Für jeden Grundierungstyp wurden über 20 verschiedene Acrylate oder ihre Mischungen als Zwischen- und Decklack ausgewählt. Hauptziel war, eine hervorragende Haftung zu erreichen. Kriterien für Auswahl der Monomere waren folgende, zu erreichende Leistungseigenschaften: Hersteller des Haftprimers - hohe Flexibilität (hoher Reißdehnungskoeffizient) - sehr geringe Neigung zu Vergilbung (hohe UV-Stabilität), - relativ hohe Reaktivität und Eignung zur Außenbewitterung. Ergebnisse der Bestimmung von Reißdehnungskoeffizienten Holz unterliegt im Außenbereich starken Dimensionsänderungen. Deshalb müssen die entsprechenden Beschichtungen ausreichend elastisch sein. Der Reißdehnungskoeffizient wird als Hauptkriterium für die Elastizität von Beschichtungen gesehen. An einer Serie von verschiedenen Lacksysteme wurde eine Bestimmung des Reißdehnungskoeffizienten durchgeführt (siehe Tabelle 2 und Abbildung 5). 8

9 Tab. 2: Ermittelte Reißdehnungskoeffizienten für verschiedene Lacksysteme. Lacksystem Reißdeh- Bemerkungen nungs- koeffizient, % Reaktivverdünner Aliphatisches Diacrylat 1 9,5 19 MPa* Aliphatisches Diacrylat 2 17,5 15 MPa* Aliphatisches Dimethacrylat MPa* Bindemittel Aliphatisches Triacrylat MPa* Aliphatisches Triacrylat ,8 MPa* Flexibilisator = 1:1 Aliphatisches Triacrylat ,9 MPa* Flexibilisator = 3:1 Aliphatisches Triacrylat ,2 MPa* Flexibilisator = 9:1 Flexibilisator + Monoacrylat > ,2 MPa* als Reaktivverdünner = 3:1 Nanolacke IOM-Nanolack % Flexibilisator MPa*, harter IOM-Nanolack 1 wurde für die Beschichtungen mit sehr hoher Oberflächenhärte / Kratzfestigkeit entwickelt; Hohe Elastizität war nicht vorgese- IOM-Nanolack % Flexibilisator hen MPa*, mittelharter/mittelflexibler IOM- Nanolack 2 wurde für die Parkettbeschichtung entwickelt. Neben hoher Kratzfestigkeit besitzt dieser Lack auch gewisse Flexibilität und Stoßfestigkeit. IOM-Nanolack MPa*, der IOM-Nanolack 3 wurde für die PVC-Fußbodenbeschichtung entwickelt. Bei ausreichender Kratzfestigkeit ist er deutlich flexibler als der IOM- Nanolack 2. IOM-Nanolack 4 50 ± 3 13 und 22 MPa*, der IOM-Nanolack 4 wurde für verschiedene Beschichtungen mit hoher Elastizität entwickelt. Hohe Kratzfestigkeit ist nicht vorgesehen. * - Spannung, bei welcher der Reißdehnungskoeffizient gemessen wurde Die Reaktivverdünner, die für eine Außenbewitterung empfohlen wurden, zeigen eine relativ kleine Elastizität das flexiblere aliphatische Diacrylat 2 erreicht nur einen Reißdehnungskoeffizient von 17,5%. Einen deutlich besseren Wert von 28% zeigt das aliphatische Dimethacrylat. Es ist aber bekannt, dass Dimethacrylate im Vergleich zu den Acrylaten bei der Außenbewitterung in der Regel wesentlich schlechter sind. Der bessere Reißdehnungskoeffizient ist bei Verwendung der monofunktionellen Reaktivverdünner zu erwarten. Hier ist wiederum eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der gesamten Beschichtung unvermeidbar, so vor allem der Oberflächenhärte und der Barrierewirkung. Diese Beiden können den Vorteil aus einem Gewinn an Elastizität der Lackierung deutlich reduzieren, wenn nicht sogar ganz zum Verschwinden bringen. 9

10 1,0x10 7 Spannung [Pa] 5,0x10 6 Mittelwert aus 5 Messungen: 95,8 % / 9,2*10 6 Pa 0, Dehnung [% ] Abb. 5: Bestimmung des Reißdehnungskoeffizienten für die Mischung von aliphatischen Triacrylat und Flexibilisator (9:1) Das aliphatische Triacrylat 1 wird für die Außenbewitterung empfohlen. Es zeigt einen guten Wert für den Reißdehnungskoeffizienten, nämlich 75%. Seine Mischungen mit einem empfohlenen Flexibilisator mit einem extrem großen Reißdehnungskoeffizienten von ca. 500% zeigen einen interessanten Trend: bei der größten Flexibilisatorzugabe von 50% ist die Elastizität sogar etwas schlechter als beim reinen Triacrylat (72% statt 75%). Eine weitere Reduzierung des Flexibilisatorgehaltes führt zu einer leichten Steigerung der Elastizität, bei einem Gehalt von 10% Flexibilisator ist für den Reißdehnungskoeffizienten ein Maximum mit 96% zu beobachten (Abbildung 5). Wie in Tabelle 2 zu sehen, zeigt die Mischung von Flexibilisator und monofunktionellem Reaktivverdünner (3:1) im Gegensatz zur analogen Mischung mit Triacrylat einen extrem höheren Reißdehnungskoeffizienten von > 344%. Weitere Versuche wurden für die anderen IOM-Nanolacke durchgeführt. Der IOM-Nanolack 1, mit sehr hoher Oberflächenhärte und hervorragender Kratzfestigkeit, hat auch in Kombination mit 25% Flexibilisator eine sehr geringe Elastizität (nur 6,6% wurden gemessen). Der IOM-Nanolack 2 in der Mischung mit 25% Flexibilisator hat zwar einen besseren Reißdehnungskoeffizienten (16%), ist aber für die Außenbewitterung nicht ausreichend. Der IOM- Nanolack 3, entwickelt für PVC-Fußbodenbeschichtungen, zeigt ohne Zusatz von Flexibilisator noch eine größere Elastizität (22%) und kann deswegen bei den weiteren Versuchen für verbesserte Beschichtungen zur Außenbewitterung empfohlen werden. Der IOM-Nanolack 4 besitzt von den bisher untersuchten Lacksystemen den höchsten Reißdehnungskoeffizienten von 50%. Obwohl dieser Lack nicht kratzfest ist, kann er bei Außenanwendungen für die Beschichtung von vertikalen Fassadenpaneelen empfohlen werden. 10

11 Hydrophobierungsversuche IOM-Nanolack 3 wurde als Model für die Hydrophobierungsversuche ausgewählt. Experimentell bestimmte Werte des Kontaktwinkels auf ausgehärteten Oberflächen (siehe Tabelle 2) wurden als Hauptkriterium für den Hydrophobierungseffekt genommen. Der Kontaktwinkel für IOM-Nanolack 3 ohne Zusatz von Oberflächenadditiv liegt bei 80 Grad, in Gegenwart von 1,5% Polysiloxanharz steigt dieser Parameter um 5 Grad. Einen deutlich besseren Hydrophobierungseffekt zeigt die Zugabe von 1,5% Silikonpolyacrylat (ca. 95%) und schließlich wird die höchste Wirkung für die Silikonacrylatenmischung gefunden. Eine weitere Steigerung des Kontaktwinkels auf Grad ist bei Einsatz von fluorierten Acrylaten möglich. Die Beschichtungen mit diesen Additiven sind aber bei der Außenbewitterung unstabil. Deshalb wurden für weiteren Versuche witterungsbeständige silikonhaltige Acrylate ausgewählt. Es ist zu klären, welches Oberflächenadditiv die beste Haltbarkeit bei Außenbewitterung aufweist. Tab. 3: Bestimmung von Kontaktwinkel für IOM-Nanolack 3 Lacksystem Kontaktwinkel IOM-Nanolack 3 ohne Oberflächenadditiv 80,3 ± 1,5 IOM-Nanolack 3 + 1,5% Polysiloxanharz 85,2 ± 0,9 IOM-Nanolack 3 + 1,5% Silikonpolyacrylat 94,6 ± 0,3 IOM-Nanolack 3 + 1,5% Silikonacrylatenmischung 99,6 ± 0,5 Untersuchungen zu Härtungsbedingungen Für die Außenbewitterung sind mehrere Parameter wichtig, auch die Universalhärte kann als Maß für die Durchhärtung der Lacksysteme angesehen werden. Durch den Einsatz von nanoskaligem ZnO zur UV-Absorption wird die Durchhärtung behindert. Wie in Tabelle 4 zu sehen ist, steigt die Universalhärte von 65 auf 109 N/mm² mit der Steigerung der absorbierter UV-Dosis von 390 auf 4450 mj/cm 2. Der oberste Wert für die Universalhärte ist vergleichbar mit dem Wert gemessen für Elektronstrahlhärtung (122 N/mm²). Demnach kann eine Dosis von 4450 mj/cm 2 bei dem UV- und 110 KGy bei der Elektronstrahlhärtung als empfohlener Werte angesehen werden. Eine geringe Universalhärte (28 N/mm 2 ) wurde für den Lack 5 mit dem Zusatz von ZnO- Nanopartikel beobachtet. Eine zusätzliche Nachhärtung (4450 mj/cm 2 ) erhöht diesen Wert auf 62 N/mm², welcher aber immer noch zweimal niedriger als beim Maximalwert von 122 N/mm² ist. Die Universalhärte, ermittelt an der mittels Elektronstrahlung gehärteten Probe (mit Zugabe von 10% ZnO), liegt mit 95 N/mm² genau dazwischen. Dies zeigt den allgemeinen Inhibierungseffekt von ZnO auf die Polymerisation, nicht nur wegen der Lichtabsorption (was nicht der Fall ist bei der Elektronstrahlhärtung), sondern auch wegen der Auswirkung auf den Verlauf von radikalischen Reaktionen. Keine Verbesserung der Universalhärte wurde beobachtet, wenn der Lack 5 mit nano- und mikroskaligen anorganischen Füllern wie SiO 2 - und Korundpartikel gefüllt wurde. Der Anteil an Restdoppelbindungen ändert sich von 14,3 auf 8,2% mit der Steigerung von absorbierter Dosis von 390 auf 4450 mj/cm 2. Überraschend niedrig ist der geringe Anteil an 11

12 Restdoppelbindungen (5.5 %) bei Lack 5 mit Zugabe von ZnO. Bei einer niedrigen Universalhärte von 62 N/mm 2 kann es bedeuten, dass ZnO beim Kettenbruch sehr effektiv ist und dies zu niedermolekularen Oligomeren führt. Ähnliche Ergebnisse wurden auch für die Elektronstrahlhärtung beobachtet. Tab. 4: Charakterisierung der Aushärtung von IOM Lack 5 a Härtungsbedingungen mj/cm 2 härte, N/mm² bindung, % winkel, Dosis, Universal- Restdoppell- Kontakt- Grad Restliche Photoinitiator, % 15 m/min b ,3 82,7 ± 1,2 1,37 10 m/min b ,0 n.b. h 1,13 5 m/min b ,6 n.b. 0, m/min b ,2 84,2 ± 2,9 0,32 5 m/min c ,2 ± 2,3 1, m/min b, c, d ,5 83,6 ± 2,7 n.b. 5 m/min b, e ,4 ± 0,7 n.b. ESH f 55 KGy 71 16,4 n.b. - ESH f 110 KGy ,9 n.b. - ESH g 110 KGy 95 7,9 n.b. - 5 m/min b Nanolack 5 i n.b. n.b. n.b. 5 m/min b Decklack 5 k n.b. n.b. n.b. a - Bindemittelgehalt Lack 5: Flexibilisator/monofunktionelles Acrylat = 45/55 gew. %. Die Beschichtung wurde auf Glas mit dem 50 µ Rakel aufgetragen. Photoinitiator: 2 gew. % Irgacure 184; b UV-Härtung unter voller Leistung von 120 W/cm mit konventioneller Quecksilberlampe bei gegebenen Bandgeschwindigkeiten; c - Zugabe von 10 % von ZnO-Dispersion des Anbieters 1 und 1% von Irgacure 819 zur der Lack 5; d - Zusätzliche Nachhärtung bei 1.2 m/min; e - Zugabe von 1,5 gew. % von Siliconacrylatenmischung; f - Härtung unter Elektronstrahl, der Lack wurde ohne Photoinitiator verwendet; g - Lack 5 mit dem Zugabe von 10 % ZnO-Dispersion des Anbieters 1 h - nicht bestimmt; i - Nanolack 5 = Lack 5 + nanoskalige SiO 2 -Partikel (18 gew. %); k - Decklack 5 = Nanolack 5 + mikroskaliges Korund (15 gew. %). Die Kontaktwinkel steigen systematisch mit der Steigerung der absorbierten Dosis und erreichen ein Plateau bei ca. 85 Grad bei 4450 mj/cm 2. Die Zugabe einer Siliconacrylatmischung führt zur weiteren Verbesserung der Hydrophobie (Kontaktwinkel = 102 Grad). Eine große Bedeutung für die Außenbewitterung hat auch die Konzentration an restlichem Photoinitiator. Dies wurde in einem separaten Experiment nach der Extraktion von PhI aus 12

13 der ausgehärteten Beschichtung und anschließender HPLC-Analyse bestimmt. Eine ganz geringe Restkonzentration (0,3%) des Photoinitiators wurde nach der absorbierten Dosis von 4450 mj/cm 2 gefunden. Bei Dosen bis zu 1140 mj/cm 2 sind die Photoinitiator-Rest- Konzentrationen relativ groß: von 0,85 bis 1,3 % oder bis zu 65 % der Ausgangskonzentration. Sehr viel restlicher Photoinitiator bleibt in dem System mit dem ZnO-Nanopartikel, nämlich 1,64 %. In diesem Fall ist auf den großen Vorteil der EST-Härtung hinzuweisen, da kein Photoinitiator benötigt wird und deswegen Probleme (z.b. bezüglich unerwünschter Radikalbildung während der Außenbewitterung) mit dem restlichen Photoinitiator nicht auftreten können Optimierung der Lichtschutzfunktion (IHD/IOM) Das nanoskalige ZnO des Anbieters 1 lag bereits als Dispersion vor. Bei den pulverförmigen ZnO-Partikeln der Anbieter 2 und 3 waren zunächst Versuche zur Dispergierung durchzuführen. Dazu wurden ZnO-Partikel (17 gew.%) in Isobornylacrylat in Labordissolver bei hoher Scherkraft (ca Umdrehungen/Minute) dispergiert. Die resultierenden Dispersionen wurden nach Zugabe von Photoiniator auf Glasplatten mit dem 12- oder 100 µm-rakel aufgetragen und UV-ausgehärtet. Die ZnO-Proben des Anbieters 2 waren sehr homogen und die Filtration durch 30 µm-filter ergab keine Veränderung der optischen Qualität der ausgehärteten Beschichtungen. Die ZnO-Muster des Anbieters 3 waren bei dem dickeren Auftrag (100 µm) nicht homogen und weisen einen deutlichen Gehalt von größeren Agglomeraten auf. Bei der Nutzung von 12 µm-rakel ist die Beschichtung deutlich besser. Das ist ein Hinweis, dass die ZnO- Agglomerate deutlich größer als 12 µ sind. Dies bestätigt auch die sehr intensive und schnelle Absetzung von ZnO-Agglomeraten im Reagenzglas. Die Absetzung ist sehr rasch und effektiv, wenn man die Ultrazentrifugierung benutzt. Die Absetzung ist auch bei den ZnO- Proben des Anbieters 2 zu sehen, allerdings deutlich langsamer. Filtrierte (30 µm) ZnO- Muster des Anbieters 3 verhalten sich ähnlich wie die des Anbieters 2. Zusätzliche Oberflächenmodifizierung von ZnO-Partikel des Anbieters 3 mit Silan ergaben kaum Verbesserungen der optischen Eigenschaften. Die Ultraschall- sowie auch Ultraturrax-Behandlung von diesen dispergierten Partikeln zeigten ebenfalls keine ausreichende Verbesserung. Lichtdurchlässigkeitsversuche wurden für die Beschichtungen von ZnO-Dispersionen des Anbieters 1 in einen aliphatischen Triacrylat auf Glas durchgeführt. Die Blindprobe (ohne ZnO-Partikel) zeigt ca. 1% Haze (Trübung) und die Proben mit ZnO (2 gew. % Feststoff) zwischen 3,5-4 %. Die ZnO-Dispersion ist in diesem Fall ausreichend transparent, was auch mit dem experimentell bestimmten vollen Umsatz von CN 435 (Restdoppelbindungsgehalt ist nahe Null) bestätigt wurde. Folgende Versuchsvarianten wurden oder sollen auf Fichtenholz realisiert werden, um Erkenntnisse zur optimalen Lichtschutzfunktion zu gewinnen (Tabelle 5). Es ist anzunehmen, dass diese Ergebnisse später auf WPC übertragbar sind. 13

14 Tab. 5: Übersicht über Versuchsvarianten der 1. Versuchsreihe zur Lichtschutzoptimierung Variante Acrylatlack Zn0(1) Zn0(2) Zn0(3) HALS Suncare Ligostab Referenz (2 Schichten) von Ciba 1 X x 2 X X 3 X X 4 X X X 5 X X X 6 X X X 7 X X X 8 X X X 9 X X X 10 X X X 11 X X X 12 X X X 13 X X 14 X X 15 X 16 (Holz) 17 X X Die notwendigen Bewitterungen werden im IHD nach DIN EN durchgeführt. 4 Verwendung der Zuwendung und Gegenüberstellung der erreichten Ergebnisse zur Zielstellung Der Arbeitsstand des Projektes ist planmäßig entsprechend der im Antrag geplanten Arbeitspakete. Die bisher vorgesehenen Zielstellungen in den Arbeitspaketen wurden erreicht. So wurden technologische Lösungen erarbeitet, um eine ausreichende Haftung auf den schwierig zu beschichtenden WPC- Materialien zu ermöglichen oder nach Reißdehnungsversuchen geeignete elastische Lackmaterialien ausgewählt. Die Zuwendungen wurden für Personalkosten für Wissenschaftler und Techniker/Laboranten verwendet, um die Analysen zur Auswahl der benötigten Substrat-, ZnO-; Si0 2, Referenzlichtschutz- und Lackmaterialien bzw. o.a. Reihenuntersuchungen z.b. zur Haftfestigkeit, Dispergierbarkeit, Materialparametern, Härtebedingungen oder zur Lichtschutzfunktion durchzuführen. Es wird zum jetzigen Zeitpunkt eingeschätzt, dass die Gesamtzielstellung des Projektes erreicht werden kann. 5 Möglicher Beitrag zur Steigerung der Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit der kmu Hersteller von WPC s und Holzpaneelen für den Außenbereich sind oft kleine und mittelständische Unternehmen. Eine signifikante Erhöhung der Witterungsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit sowie die Realisierung weiterer Eigenschaften wie Easy to Clean oder Antigraffiti erhöht die Wettbewerbsfähigkeit dieser Produkte auf Basis des natürlichen, nachwachsen- 14

15 den Rohstoffes Holz gegenüber Kunststofffassaden oder Kunststoff- oder keramischen Außenbodenbelägen erheblich und kann somit die Umsätze dieser Holz- oder WPC-Produkte steigern. Werden die Beschichtungen, wie vorgesehen, mit umweltfreundlichen Beschichtungen auf Basis strahlenhärtender Lacksysteme realisiert, werden die betrieblichen Aufwendungen zur Absaugung, Aufbereitung und Entsorgung von Lackresten und Lösemitteln geringer. Es ist damit zu rechnen, dass ein Teil der gewonnenen Erkenntnisse zur Flüssiglackierung und zum Lichtschutz auch auf Produkte des Innenbereichs (eingefärbte WPC, Innenwandpanelle aus Holz) übertragen werden können. 6 Beabsichtigter Transfer der angestrebten Forschungsergebnisse Der Transfer der Ergebnisse erfolgt durch Publikationen und Fachvorträge sowie durch deren Darstellung auf branchenspezifischen Messen, auf denen der Projektpartner IHD auf Grund seines Leistungsprofils stetig mit einem eigenen Stand vertreten ist. Weiterhin ist vorgesehen, die gewonnenen Erkenntnisse durch Vorträge auf Kongressen und Symposien und den regelmäßig stattfindenden Werkstoff- und Oberflächenkolloquien am IHD, einem breiten Interessentenkreis vorzustellen. Außerdem werden die Ergebnisse über die Dozententätigkeit der beteiligten Bearbeiter in die studentische Ausbildung an der TU Dresden, FH Eberswalde sowie in praxisorientierte Weiterbildungsveranstaltungen, z.b. bei EIPOS, einfließen. Durch die Mitarbeit potentieller Nutzer im projektbegleitenden Ausschuss (WPC-, Holzfassaden und Lackhersteller) sind deren frühzeitige Information über die erzielten Ergebnisse gewährleistet und günstige Bedingungen für eine schnelle Praxisüberführung gegeben, andererseits werden diese Nutzer eine kritische Begleitung des Projektes bezüglich Umsetzbarkeit der Projektergebnisse unter den Kriterien der praktischen Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit gewährleisten. 7 Durchführende Forschungsstellen Forschungsstelle 1: Anschrift: Geschäftsführer: Projektleiter: Institut für Holztechnologie Dresden gemeinnützige GmbH Zellescher Weg 24, Dresden Dr. rer. nat Steffen Tobisch Dr.-Ing. Rico Emmler Forschungsstelle 2: Anschrift: Vorstand Projektleiter Institut für Oberflächenmodifizierung e.v. Permoserstr. 15, Leipzig Prof. Rauschenbach Dr. Roman Flyunt 15

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