Optimierung aus dem Baukasten

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1 Optimierung aus dem Baukasten UV-härtende Polyurethan-Dispersionen für die industrielle Möbellackierung. Christoph Irle und Martin Bayona, Barcelona, Spanien. Polyurethanlacke müssen als Beschichtung von Küchenund Büromöbeln hohe Qualitätsansprüche erfüllen. Doch auch sie müssen nach der VOC-Gesetzgebung emissionsärmer werden - ohne Leistungsverlust. Das ist mit neuen Lösungen aus dem Werkzeugkasten der wässrigen, strahlenhärtenden Polyurethanchemie möglich. Auch die Polyurethanlacke stehen unter dem Druck der VOC-Gesetzgebung. Durch ihr einzigartiges Leistungsprofil sind sie führend im Markt der industriellen Holz-Möbellackierung. Die Aufgabe lautet daher: Wie kann ein Polyurethanlack deutlich emissionsärmer werden, ohne dabei auf das gewohnt hohe Leistungsvermögen zu verzichten? Die Polyurethanchemie weist hier einen interessanten Weg, der unter vielen Aspekten vorteilhaft ist. In vielen Teilen Europas, vor allem in Zentraleuropa und den Mittelmeerländern sind Polyurethan(PUR)-Beschichtungen die bevorzugten Systeme in der Holz- und Möbellackierung. PUR-Lacke werden überall dort verwendet, wo hohe Qualitätsansprüche an die Lackierung und den Schutz einer Holzoberfläche gestellt werden. Dies gilt natürlich auch für viele andere wichtige Regionen, wie etwa Japan und vor allem China. Ein großer Teil der PUR-Beschichtungen wird als Klarlack in mehreren Schichten aufgetragen. Typische Beispiele für die Verwendung dieser Art von Lacken sind schnell trocknende und schleifbare Grundierungen sowie hochbeständige Decklacke. Weitere typische Einsatzgebiete von PUR-Lacken im Möbelbereich sind pigmentierte Lacke mit hoher Widerstandsfähigkeit gegen Chemikalien und mit guter Lichtbeständigkeit für Beschichtungen von Küchenoder Büromöbeln. Seit etwa 10 Jahren sind UV-härtende Wasserlacke eine enorm wachsende neue Technologie in diesem Markt. In der Vergangenheit war die treibende Kraft für das starke Wachstum eher der Vorteil einer besseren Produktivität: Wässrige UV-Lacke kombinieren die Eigenschaften des PUR-Lackes mit dem Vorteil der schnellen und wirtschaftlichen UV-Härtung. Heute kann insbesondere in Europa und Nordamerika ein ständig steigendes Interesse auch aufgrund des wachsenden Druckes seitens gesetzlicher Regelungen zur Reduzierung der VOC-Emissionen beobachtet werden. Anpassung von UV-härtenden PUR-Dispersionen Bei der Entwicklung emissionsarmer Nachfolgesysteme für im Markt erfolgreichen Lösungen sollten deren vorteilhafte Eigenschaften natürlich nicht geopfert werden. Dieser Forderung trägt die Verwendung UV-vernetzbarer PUR-Dispersionen als Lackrohstoff für UV-Wasserlacke Rechnung. Denn diese UV-härtenden PUR-Dispersionen sollen so weit wie möglich den lösungsmittelhaltigen PUR-Lacken angepasst werden. Das heißt: Ähnliche Eigenschaften, ähnliche Applikation, ähnliche (oder bessere) Verarbeitungszeiten. Beide Systeme - 2K PUR-Lacke wie auch UV-härtende PUR Dispersionen - sind aufgebaut aus Polyisocyanaten und Polyolen (Abb. 1). Das Endergebnis des Beschichtungsprozesses ist dasselbe: ein vernetztes Polyurethan auf dem Substrat. Für den Endanwender ist ganz wichtig, dass der Applikationsprozess der gleiche bleibt. Dadurch kann eine bestehende Lackieranlage aus Spritzapplikation und Trockner in vielen Fällen weiter verwendet werden. Sie muss lediglich um einen UV-Strahler erweitert werden. Jedoch ist der zeitbestimmende Schritt, also die chemische Reaktion des Polyisocyanats mit dem Polyol, bei Applikation des wässrigen UV-vernetzenden Lackes bereits abgeschlossen (siehe Abb. 1). Zur Vernetzung auf dem Substrat benötigen UV-härtende PUR-Dispersionen lediglich die kurze Reaktionszeit unter dem UV-Strahler. Das heißt, eine existierende Lackierstrasse wird in der Regel nach einem Wechsel von 2K PUR auf wässrige UV-Lacke schneller laufen als vorher. Selbstverständlich weisen diese Systeme niedrigste Emissionswerte auf. Optimierung durch passende Rohstoffe Die Rohstoffpalette, die für die Konzeption der UV-härtenden PUR-Dispersion zur Verfügung steht, erlaubt die Optimierung von vielen verschiedenen kritischen Eigenschaften. Durch Hochleistungspolyole wird beispielsweise eine hohe Flexibilität erreicht, während Gehalt und Struktur der Isocyanat-Komponente Härte und Resistenz beisteuern. Zur Einführung von Acrylat-Doppelbindungen sind mehrere Wege beschrieben worden. Am besten werden die Doppelbindungen entlang der Polyurethankette eingeführt - und nicht Acrylateinheiten nur am Ende der Kette angehängt oder etwa Polyurethane mit Acrylatmonomeren oder -oligomeren abgemischt. Um die Vorteile dieser Chemie in ökonomische und ökologische Vorteile für den Endabnehmer zu übersetzen, müssen massgeschneiderte Lösungen entwickelt werden. Genau wie bei konventionellen Lacksystemen liefert die große Variation von Isocyanat-und Polyolkomponenten ein breites Spektrum von möglichen Endeigenschaften. Acetonverfahren ist Methode der Wahl Wichtige Parameter in diesem Zusammenhang sind Trockungszeit, Härte, Reemulgierbarkeit (Recycling von Overspray) vor der Härtung sowie chemische Beständigkeit, Härte und Elastizität nach der Härtung. Das Acetonverfahren ist die Methode der Wahl für die Herstellung von UV-härtenden PUR-Dispersionen im industriellen Maßstab. Es liefert lösemittelfreie Produkte, ohne Kompromisse hinsichtlich der Qualität einzugehen. Das für die Herstellung der Dispersion verwendete Aceton wird nach der Synthese abdestilliert und wiedergewonnen. Wasserbasierende, strahlenhärtende Lacke werden hauptsächlich bei klaren Möbellacken genutzt. Diese Lacksysteme kombinieren das "look-and-feel" lösemittelhaltiger Systeme mit einer höheren Produktivität und niedrigsten Emissionen, wie bereits weiter oben erwähnt. Durch moderne Rohstoffe werden dieselben Endeigenschaften erreicht, wie vom lösemittelhaltigen Polyurethanlack bekannt. Die Widerstandsfähigkeit gegen Chemikalien erfüllt alle Ansprüche, beispielsweise bei Küchenmöbeloberflächen. Andere wichtige Aspekte wie Oberflächenhaptik und Anfeuerung können durch die Wahl des geeigneten Harzes und durch die Formulierung optimiert werden. Die besten Resultate hinsichtlich Anfeuerung ergeben sich durch eine Kombination von zwei Harzen: ein strahlenhärtender Emulsionstyp ohne physikalische Trocknung für die Grundierung (sehr gute Haftung und Holzanfeuerung) und eine physikalisch trocknende, strahlenhärtende PUR-Dispersion für den Decklack (kurzer Arbeitsprozess, hervorragende Endeigenschaften). Häufig werden beste Resultate erreicht durch Applikation von

2 Grundierung und Decklack basierend auf der gleichen physisch trocknenden PUR-Dispersion oder - schneller - durch Applikation einer strahlenhärtenden PUR-Dispersion über einer gewalzten 100 prozentigen UV-Grundierung (Tab. 1). Kurze Trockungszeiten möglich Eine zu schnelle Wasserabdunstung hat besonders bei Klarlacken mitunter einen negativen Effekt: Noch in der Lackschicht eingeschlossenes Wasser kann nach der UV-Härtung Trübungen im Klarlack verursachen. In verstärktem Ausmaß wird dieser Effekt vor allem in tiefen Poren bei gewissen Holzarten beobachtet, etwa bei Eichenholz und bestimmten Tropenhölzern. Im Falle strahlenhärtender Rein-PUR-Systeme kann das Trocknungsverhalten einfach angepasst werden durch Kombination der UV-Dispersionen mit physikalisch trocknenden Dispersionen. Neben bestimmten Acrylatdispersionen zeigen insbesondere fettsäuremodifizierte PUR-Dispersionen einen deutlichen Effekt auf die Wasserabgabe des Films. In Tab. 2 ist die maximal mögliche Trocknungsgeschwindigkeit ohne Oberflächendefekte für eine Serie untersuchter Kombinationen dargestellt. Für bestimmte Kombinationen ist, wie zu erkennen, eine Trocknungszeit von 3 Minuten ausreichend. Diese kurzen Trocknungszeiten ermöglichen höchste Produktivität: - Optimale Resultate in Bezug auf Trocknungszeit werden durch Abmischen mit fettsäuremodifizierten PUD's erreicht. Die Endeigenschaften werden nicht beeinträchtigt - chemische und mechanische Beständigkeit bleiben auf einem hohen Niveau, solange das Mischungsverhältnis 30 Prozent der physikalisch trocknenden Dispersion nicht überschreitet. Die Endhärte wird dadurch in einigen Fällen sogar höher. - Manche PAC-Dispersionen ermöglichen ebenfalls eine schnellere Trocknung, besonders selbstvernetzende Typen. - Die PAC-Dispersion mit hoher T g neigt eher zu negativen Einflüssen. - Zusätzliche Synergieeffekte können durch Beigabe kleinerer Mengen von Lösemittel erreicht werden, beispielsweise 5% Ethanol oder Isopropanol. Optimierung der pigmentierten Lacke Pigmentierte strahlenhärtende Lacke stellten schon immer eine gewisse Herausforderung dar - vor allem bei hohen Schichtdicken und hoher Pigmentkonzentration. Bei pigmentierten, strahlenhärtenden Wasserlacken bietet der Baukasten der wässrigen Polyurethandispersionen interessante Lösungen. - Entsprechend optimierte strahlenhärtende PUR-basierte Dispersionen weisen eine schnelle physikalische Trocknung auf. Eine hohe Glas-Übergangstemperatur, Härte und mechanische Beständigkeit wird schon vor der UV-Härtung erreicht. - Durch eine Optimierung der chemischen Struktur des Polyurethans können kritische Parameter wie z.b. chemische Beständigkeit verbessert werden. - Eine weitere Optimierung der chemischen und mechanischen Widerstandsfähigkeit wird durch zusätzliche Vernetzung mit einem wasserdispergierbaren Polyisocyanat-Vernetzer erreicht. Abb. 2 zeigt die Chemikalienbeständigkeit eines weißpigmentierten Lackes, basierend auf einer strahlenhärtenden PUR-Dispersion vor und nach der UV-Vernetzung. Hohes Niveau bereits vor UV-Härtung Unter ungünstigen Härtungsbedingungen (hoher Pigmentgehalt, dicke Filmstärke, Schattenbereiche) kann eine physikalische Trocknung auf effiziente Weise die Entwicklung guter Endeigenschaften bei UV-Härtung unterstützen. Die in Abb. 2 abgebildeten Resultate zeigen, dass die Grundeigenschaften bereits vor der UV-Härtung ein ziemlich hohes Niveau erreichen. Wasser- und Fleckenbeständigkeit (Rotwein) werden in großem Maße beeinflusst durch die Polymer-Struktur der PUR-Dispersion. Lösemittelbeständigkeit, etwa gegen Ethanol, und auch die mechanische Beständigkeit, wird erst durch die Strahlenhärtung des PUR-Systems auf das erforderliche Niveau gebracht. Um eine noch bessere chemische Beständigkeit auch bei pigmentierten Lacken, vor allem gegen färbende Flüssigkeiten zu erhalten, vor allem um internationale Qualitätsstandards - beispielsweise für Küchenmöbeloberflächen - zu erfüllen, bietet die Polyurethan-toolbox eine Vielfalt von Möglichkeiten (Abb. 3). Zunächst ist eine sorgfältige Auswahl der Rohmaterialen wichtig. Es sollten möglichst hochwertige Isocyanat- und Polyol-Komponenten gewählt werden, wie Polyester- oder Polycarbonat-Diole. Ein weiterer entscheidender Aspekt ist das Anpassen der Vernetzungsdichte. Normalerweise führt eine höhere Vernetzungsdichte zu einer Erhöhung der chemischen Beständigkeit. Der Elastizitätsverlust kann durch entsprechend maßgeschneiderte PUR-Dispersionen ausgeglichen werden. Verbesserung durch zusätzliche Vernetzung Eine weitere Verbesserung der Endeigenschaften ist möglich durch zusätzliche Verwendung von wasserdispergierbaren Polyisocyanaten - das heißt, durch Einführung eines weiteren Vernetzungsmechanismus. Dafür sind insbesondere Typen aus der Gruppe der leicht dispergierbaren Allophanat-modifizierten hydrophilen Polyisocyanate oder besser noch anionisch-hydrophilierte Härter geeignet. Neben einer deutlich verbesserten Haftung wird so vor allem die Chemikalienbeständigkeit nochmals merklich erhöht. Strahlenhärtende wässrige Lacke sind eine stark wachsende Technologie, insbesondere im Bereich industrieller Holz-Möbellackierungen. Eine Schlüsseltechnologie zur Formulierung besonders leistungsfähiger Möbellacke stellen die UV-vernetzbaren Polyurethan-Dispersionen dar. Dies erklärt sich vor allem durch deren hervorragende Endeigenschaften und ihre im Vergleich zu konventionellen Systemen deutlich höhere Produktivität. Neue Wege durch Polyurethanchemie Schlüssel zum weiteren erfolgreichen Wachstum dieser Lackrohstoffe ist die Polyurethanchemie. Sie eröffnet vielfältige Wege, heute noch bestehende Probleme bald zu lösen. Hier konnte gezeigt werden, wie durch gezielten Einsatz der Hilfsmittel aus dem Werkzeugkasten der Polyurethanchemie kritische Eigenschaften optimiert werden konnten: - Die Struktur der Polyurethane hat sowohl bei klaren als auch bei pigmentierten Lacken einen wichtigen Anteil an der mechanischen und chemischen Widerstandsfähigkeit des UV-vernetzten Wasserlacks. - Eine weitere Optimierung der Trocknungseigenschaften bei Klarlacken ist auf einfache Weise möglich. Hierzu wird eine Abmischung mit physikalisch trocknenden, fettsäuremodifizierten PUR-Dispersionen empfohlen. - Ein optimierter Aufbau der UV-härtenden Polyurethan-Dispersion macht höchste chemische Beständigkeit auch in pigmentierten Lacken möglich. - Die besten Resultate bei pigmentierten Lacken ergeben

3 sich durch Kombination von UV-härtenden Polyurethan-Dispersionen mit wasserdispergierbaren Polyisocyanaten (dual cure Prinzip). Die lösemittelhaltigen 2K-PUR-Lacke sind durch über Jahrzehnte wachsende Rohstoffbasis und Erfahrung zum universell nutzbaren Vorreiter im Bereich der Möbellacke gereift. Der Weg für eine vergleichbare Erfolgsstory der UV-vernetzbaren Polyurethan-Dispersionen ist heute bereits vorgezeichnet. Ergebnisse auf einen Blick - UV-vernetzbare PUR-Dispersionen werden als Lackrohstoff für UV-Wasserlacke verwendet. Das Ergebnis ist das gleiche wie bei lösemittelhaltigen PUR-Lacken. Eine bestehende Lackieranlage muss lediglich um einen UV-Strahler erweitert werden - und läuft sogar schneller. - Das Acetonverfahren ist die beste Methode für die Herstellung von UV-härtenden PUR-Dispersionen im industriellen Maßstab. - Bei Klarlacken wird die Trocknung durch Abmischen mit fettsäuremodifizierten PUD's optimiert. - Die chemische und mechanische Widerstandfähigkeit bei pigmentierten Lacken wird durch eine zusätzliche Vernetzung mit einem wasserdispergierbaren Polyisocyanat-Vernetzer gesteigert. Dr. Christof Irle, Bayer Polímeros S.L., wurde 1964 in Weidenau geborenund studierte Chemie an der Universität Siegen, wo er 1995 in Makromolekularer Chemie promovierte. Im selben Jahr trat er in die Bayer AG in Uerdingen ein, wo er als Laborleiter in der Forschung Lackrohstoffe, wässrige Systeme tätig war wurde er Leiter Marketing und Entwicklung Holzlacke in Leverkusen, und 2002 wechselte er als Leiter Business Development Holzlacke zur Bayer Polímeros S.L nach Barcelona. Martin G. de la Bayona, Bayer Polímeros S.L., wurde 1951 in Madrid geboren und studierte Chemieingenieurwesen an der Königlichen Universität Stockholm, wo er 1981 mit dem Master of Science abschloss. Nach Positionen als Labormanager bei Becker Färg (DIY-Anstriche, wässrige PAC und PVA-Dispersionen) sowie KIintens Färg und Becker Acroma (industrielle Holzlacke) trat er 2001 in die Bayer Polímeros S.L in Barcelona ein, wo er als Labormanager den Bereich wässrige Bindemittel für industrielle Holzlacke betreut.

4 Abb. 1: Reaktionsweg zu einem komplett vernetzten PUR-Lack.

5 Abb. 2: Chemikalienbeständigkeit eines weißpigmentierten Lacks - auf PUR-Dispersion basierend - mit und ohne UV-Härtung.

6 Abb. 3: Chemikalienbeständigkeit und Härte von weißpigmentierten Lacken nach UV-Härtung, basierend auf zwei verschiedenen PUR-Dispersionen.

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