Konzentration ist gefragt

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1 Seite/Page: 1 Konzentration ist gefragt Ab dieser Ausgabe wird diese Rubrik vom Schweizerischen Verband der Farben- und Lackindustrie (VSLF) gestaltet. Diesmal geht es um eine klassische Verständnisschwierigkeit dem Unterschied zwischen Lack und Dispersionsfarben. Lack und Dispersionsfarbe sind unterschiedliche Beschichtungen Jens Lindenau Vergleicht man die Rezeptur einer Dispersionsfarbe mit der eines klassischen Lacks, so lassen sich die Bestandteile Pigment, Bindemittel, Füllstoffe, Lösungsmittel und Additive im Lack als auch in der Dispersionsfarbe finden. Es bedarf also einer genaueren Betrachtung, um die Unterschiede aufzeigen zu können. Das entscheidende Kriterium ist das Bindemittel Das Bindemittel einer Dispersionsfarbe ist nicht im Lösemittel (Wasser) löslich. Es liegt als fein verteilte, disperse Phase im Wasser vor. Das Dispersionsmittel Wasser stellt die kontinuierliche Phase dar und die fein verteilten Lackpartikel die diskontinuierliche oder innere Phase. Um die Sedimentation und Koagulation der feinen Partikel zu verhindern, muss die Dispersion stabilisiert werden. Die Stabilisierung erfolgt durch den Einbau von hydrophilen Gruppen (ionisch oder nichtionisch) ins Bindemittel bzw. mit Hilfe von Emulgatoren. Bei dem klassischen Lack hingegen ist das Bindemittel vollständig gelöst. Die Polymere befinden sich in Lösung und müssen nicht stabilisiert werden. Allerdings sind auch in Lacken Stabilisatoren im Einsatz. Diese verhindern die Koagulation von Pigmenten im Bindemittel. Der Filmbildungsmechanismus von Dispersionsfarben Das zweite wichtige Unterscheidungsmerkmal sind die Filmbildungsmechanismen. Bei den Dispersionsfarben sind ausschließlich die physikalisch trocknenden Systeme relevant. Die Filmbildung bei einer Dispersionsfarbe läuft gemäß Abbildung 1 ab. Zu Beginn liegen die einzelnen Teilchen frei im Medium vor. Beim Verdunsten von Wasser rücken diese Teilchen immer enger zusammen. Dies machen sie aber nicht freiwillig, da durch die Stabilisierung die Abstoßungskräfte entgegen wirken. Durch das Verdunsten des Wassers haben sie keine andere Möglichkeit als sich zu einer Kugelpackung anzuordnen. Über Kapillarkräfte verdunstet nun das restliche Wasser und aus der Kugelpackung entstehen sogenannte "Honeycomb Panels." Über die Teilchengrenze hinweg kann es nun zur Interdiffusion kommen. Dies bedeutet, dass die Polymere über ihre Grenzflächen hinaus in andere Zellen diffundieren. Diesen Vorgang wird als Koaleszenz bezeichnet. Ist kein Wasser mehr im System vorhanden, hat der Film seine mechanischen Eigenschaften erhalten. Die Wasseraufnahme ist abhängig von der PVK Die Eigenschaften des Films sind Abhängig von der Pigment-Volumen-Konzentration (PVK) und der Mindestfilmbildungstemperatur (MFT). Die PVK gibt das Volumenverhältnis der ausgehärteten Beschichtung von Pigment und Füllstoffen zum Bindemittel an [2]. Für diese Berechnung sind die Dichten der eingesetzten Materialien notwendig. Über Gleichung (a) können die jeweiligen Volumina für Pigmente, Füllstoffe und Bindemittel berechnet werden und durch das Einsetzen in Gleichung (b) ergibt sich die PVK für den getrockneten Film. (a) V= m/?(b) PVK= (VP + VF )/(VP + VF +VB) V=Volumen VP=Volumen der Pigmente m=masse VF =Volumen der Füllstoffe?=Dichte VB =Volumen des Bindemittels (Trockenfilmdichte) Von Bedeutung für die Eigenschaften des ausgehärteten Filmes ist die Kritische-Pigment-Volumen Konzentration (KPVK). Diese gibt an bei welcher Menge eingesetztem Bindemittel gerade noch die Pigmente und Füllstoffe benetzt werden. Abbildung 2 veranschaulicht, wie sich die Teilchen im Film verhalten, wenn die PVK größer oder kleiner als die KPVK ist. Ist die PVK < KPVK liegen die Teilchen einzeln im Medium vor und sind vollständig mit Bindemittel benetzt. Mit steigender Konzentration von Pigment und/oder Füllstoffen wird die KPVK erreicht (PVK = KPVK). Die Teilchen nähern sich an und das Bindemittel reicht gerade noch aus um alle Teilchen zu benetzten. Bei weiterer Erhöhung entstehen Hohlräume im Film. Einige Teilchen sind nicht mehr vollständig mit Bindemittel benetzt und es ergibt sich ein poröser Film. Zusammenhang zwischen PVK und KPVK Die Auswirkungen von PVK und KPVK sind in den Eigenschaften des getrockneten Filmes zu erkennen. Die mechanischen und chemischen Eigenschaften werden beeinflusst sowie der Glanz und das Deckvermögen. Für Dispersionsfarben gilt allgemein: Ist die PVK größer als die KPVK, führt dies zu einer porenhaltigen Beschichtung mit hoher Wasserdampfdiffusion und einer hohen kapillaren Wasseraufnahme. Im anderen Falle, wenn die PVK kleiner als die KPVK ist, führt dies zu einer nahezu porenfreien Beschichtung mit niedriger Wasserdampfdiffusion und einer niedrigen kapillaren Wasseraufnahme [1]. Die MFT hat Einfluss auf die mechanischen Filmeigenschaften Dispersionsfarben mit einer niedrigen MFT bewirken einen weichen Film, was zu einem elastischeren aber mechanisch

2 Seite/Page: 2 weniger widerstandsfähigen Film führt. Dispersionsfarben mit einer hohen MFT bewirken einen harten Film, welcher folglich geringer elastisch, aber dafür resistenter gegen mechanische Einwirkungen ist.um diesen Filmen die gewünschte Härte und Elastizität zu verleihen, werden oftmals Filmbildehilfsmittel eingesetzt. Dies können u.a. schwerflüchtige organische Lösemittel sein, die die Filmbildung unterstützen und dann nach einiger Zeit aus dem Film entweichen, wobei sie zu keiner andauernden Weichmachung führen. Lacke bilden Filme auf verschiedene Arten Beim "klassischen Lack" sind unterschiedliche Härtungsmechanismen von Bedeutung: Auch die physikalisch trocknenden Systeme kommen zum Einsatz. Hierbei werden hochmolekulare Polymere eingesetzt, um die erforderlichen Filmeigenschaften gewährleisten zu können. Dazu sind jedoch große Mengen an Lösemittel von Nöten, um die Viskosität des Lackes verarbeitungsfähig einstellen zu können. Diese Systeme zeichnen sich durch eine sehr gute Lagerstabilität und eine einfache Handhabung aus [1]. Weitere Filmbildungsmechanismen, die je nach eingesetztem System stattfinden können, sind die Polykondensation, Polyaddition und Polymerisation. Unterschiedliche Vernetzungsreaktionen Bei lösemittelhaltigen Systemen gehen diese drei chemischen Härtungsmechanismen immer mit einer physikalischen Trocknung einher. Bei der Polykondensation verläuft die Vernetzungsreaktion unter Abspaltung eines niedermolekularen Spaltproduktes, das sich mit dem Lösemittel verflüchtigt. Dieser Mechanismus lässt sich bei Einbrennlacken beobachten. Die Polyaddition erfolgt bei Raumtemperatur, kann jedoch durch Zuführung von Wärme beschleunigt werden. Hierbei reagieren zwei reaktive Gruppen miteinander, ohne dass Abspaltungsprodukte entstehen. Beispiel hierfür wäre die abschließende Schicht bei der Automobillackierung der Klarlack. Hier wird der Stammlack (Polyol) mit einem Härter (Isocyanat) gemischt und nach der Applikation bei 140 C eingebrannt. Bei der Polymerisation liegen die Monomere einzeln vor. Die Vernetzung wird durch einen Energieeintrag gestartet und bildet über eine Kettenreaktion langkettige Polymere aus. Diesen Reaktionsmechanismus trifft man z.b. bei der Härtung von UV-Lacken an. Zusammenfassung Die wesentlichen Unterschiede zwischen dem Lack und der Dispersionsfarbe liegen in der Konsistenz des Bindemittels, den Filmbildungsmechanismen und in den Einsatzgebieten. Während Lacke u.a. bei der Lackierung von Metall, Kunststoff und Holz Verwendung finden, werden Dispersionsfarben hauptsächlich für Innenräume (PVK > KPVK) und Fassadenanstriche (PVK < KPVK) verwendet [1]. Literaturverzeichnis [1] Lackformulierung und Lackrezeptur: Das Lehrbuch für Ausbildung und Praxis Bodo Müller / Ulrich Poth 2005 [2] BASF Handbuch der Lackiertechnik Goldschmidt / Streitberger

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4 Seite/Page: 4 Abbildung 1: Filmbildung von Primärdispersionen (Dispersionsfarbe)

5 Seite/Page: 5 Abbildung 2: Teilchen im Trockenfilm in Abhängigkeit von der PVK