Silizium + Stickstoff

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1 Seite/Page: 1 Silizium + Stickstoff Polysilazane, bisher als Rohstoff für Hochleistungskeramiken bekannt, erobern Neuland in Form von Beschichtungsstoffen. Dank ihrer außergewöhnlichen Reinigungseigenschaften und der ausgezeichneten Haftung auf Oberflächen sind sie als Bindemittel für Antigraffiti-Schutzlacke und Antibremsstaubbeschichtungen für Alufelgen einsetzbar. Schützende Beschichtungssysteme auf Basis von Polysilazan-Polymeren Markus Mahn, Frank Osterod*, Stefan Brand, Frankfurt am Main Moderne Lacksysteme müssen vielfältigen Anforderungen gerecht werden. Standen vor wenigen Jahren noch Eigenschaften wie Korrosionsschutz und Bewitterungsstabilität im Vordergrund, finden sich heute vielfach weitere Eigenschaften wie Easy-to-Clean und Selbstheilung auf dem Wunschzettel der Anwender. Für die Hersteller ist die richtige Rohstoffauswahl oftmals ein Drahtseilakt zwischen Kostenkontrolle und industrieller Anwendbarkeit. Neuartige Lackformulierungen auf Basis von Polysilazanen bieten interessante Lösungsansätze. Polysilazane sind bereits seit vielen Jahren im Einsatz, allerdings bisher ausschließlich als Rohstoffe für Hochleistungskeramiken. Inzwischen wurde ihr großes Potenzial als Beschichtungsmaterialien erkannt. Polysilazane sind Polymere aus Silizium, Stickstoff, Wasserstoff und, im Fall der Organopolysilazane, zusätzlich aus Kohlenstoff und werden industriell aus Ammoniak und den entsprechenden Chlorsilanen hergestellt. Abb. 1 zeigt exemplarisch einige Polymerbausteine, die aber auch als Copolymer eingesetzt werden können. Über die Reaktionsführung lassen sich die Molmasse und der Vernetzungsgrad der entstehenden Polymere einstellen. Polysilazane als Beschichtung Auf Basis von Organopolysilazanen lassen sich verschiedenste Arten von Beschichtungen formulieren. So sind sowohl Klarlacke in diversen Schichtdicken als auch pigmentierte Systeme und Hybridsysteme realisierbar. Ihre Vielseitigkeit ist aber nicht der einzige Vorteil von Polysilazanen. Zu ihren herausragenden Charakteristika zählen sehr hohe Härte und Kratzbeständigkeit, hohe Chemikalienbeständigkeit, Korrosionsschutz, Temperaturstabilität, Easy-to-Clean- Eigenschaften und Barrierewirkung. Zudem haften Beschichtungen auf der Basis von Organopolysilazanen sehr gut auf polaren Substraten wie Glas, Polycarbonat, PMMA, PET, Aluminium und Stahl. Die Siliziumatome der Polysilazanschicht binden chemisch an die polaren Gruppen des Substrates (Abb. 2), so dass in vielen Fällen auf eine kostenintensive Vorbehandlung des Substrats verzichtet werden kann. Wirksamer Schutz gegen Graffiti Eine wichtige Anwendung für polysilazanhaltige Beschichtungen sind Antigraffitibeschichtungen oder versiegelungen. Graffiti an Gebäuden oder öffentlichen Verkehrsmitteln zu entfernen, ist schwierig und teuer. Enorme Summen werden jährlich ausgegeben, um betroffene Flächen sauber zu halten. Die von den Sprayern verwendeten Graffitifarben und -tinten enthalten meist aggressive Lösungsmittel und Hilfsstoffe, die den Untergrund benetzen sollen und die Farbe gut haften lassen. Beschädigte Oberflächen lassen sich oftmals nach einer Reinigung nicht mehr in den Originalzustand versetzen, vielfach ist eine Neulackierung notwendig. Aggressive Reinigungsmittel schaden manchmal mehr als sie nützen, da sie nicht nur die Graffitis entfernen, sondern auch die zu reinigende Oberfläche beschädigen. Mit Polysilazanen lassen sich Systeme formulieren, die lackierte Teile mit einer Schichtdicke von etwa 5 µm effektiv vor aggressiven Tinten und Lacksprays schützen und die Reinigungsarbeiten wesentlich erleichtern. Diese niedrigviskosen Systeme lassen sich sowohl aufsprühen als auch aufwischen. Nach einer Stunde bei Raumtemperatur sind sie dry-to-touch und nach wenigen Tagen vollständig durchgehärtet. Diese günstigen Eigenschaften werden durch eine hohe Vernetzungsdichte in Kombination mit niedriger Oberflächenenergie erreicht. Durch eine gezielte Ausrichtung der Si-R-Gruppen von Polysilazanen lässt sich eine niedrige Oberflächenenergie (UH20 = 105 mn/m) einstellen. Zudem erzeugt die hohe Vernetzungsdichte eine Barrierewirkung, so dass die aufgebrachten Tinten und Farben nicht in die Schicht eindringen und diese anlösen können. Beide auf molekularer Ebene wirkenden Effekte sind die Grundlage für leicht zu reinigende Versiegelungen auf der Basis von Polysilazanen (Abb. 3). Zusätzlich erhöht die Beschichtung die Wetterbeständigkeit von lackierten Oberflächen. Sowohl intensive Laborbewitterungstests (3000 h, DIN 11341; Abb. 4) als auch Praxistests absolvierten die Polysilazanlacke ohne Beschädigungen und schützten dabei die beschichtete Lackoberfläche deutlich. Bereits verwitterte und kreidende Lacke lassen sich sogar mit einer polysilazanhaltigen Lackierung wieder aufarbeiten. Derartige Systeme werden zurzeit im europäischen Schienentransportwesen eingesetzt*. Polysilazanhaltige Formulierungen schützen nicht nur lackierte Oberflächen vor Graffiti, auch mineralische Untergründe lassen sich so konservieren. Durch Vandalismus verschmutzte Wände können dann einfach mit einem Hochdruckreiniger gesäubert werden. Für saubere Felgen Polysilazanhaltige Beschichtungen, vor allem als Hybridsystem formuliert, haben ein interessantes Potenzial als Antibremsstaubbeschichtungen mit Easy-to-Clean Eigenschaften für Aluminiumfelgen. Standardklarlacke für Aluminiumfelgen verschmutzen bereits nach kurzer Zeit stark mit Bremsstaub und

2 Seite/Page: 2 anderen Verunreinigungen, die im Straßenverkehr anfallen. Bremsen können sich bis auf mehr als 500 C aufheizen und entsprechend heißen Bremsstaub erzeugen, der sich regelrecht in die Oberfläche der Felgen einbrennt und zu einer VErgilbung des Lackes führt. Eine solche Verfärbung lässt sich nicht mehr entfernen. Um zu klären, ob polysilazanhaltige Lacke eine derartige Anschmutzung minimieren, wurden Versuche am Prüfstand (Abb. 5) sowie Praxistests (Abb. 6) durchgeführt. Für die Versuche im Prüfstand wurden weiß grundierte Bleche mit unterschiedlichen Polysilazanklarlacken beschichtet. Der Farbort der Proben wurde vor und nach der Belastung vermessen, um den DL-Wert zu bestimmen. Der DL- Wert gibt an, um wie viel sich die Beschichtung im Test verdunkelt hat er ist repräsentativ für das Ausmaß der Verschmutzung. Je niedriger DL ist, desto weniger Bremsstaub hat sich auf den Beschichtungen abgelagert und desto besser ist die Antibremsstaubwirkung. Tests auf dem Schwungmassenprüfstand ergaben eine wesentlich geringere Anschwärzung der Polysilazanbasierten Lacksysteme (Tab. 1). Im Vergleich schneiden die konventionellen Referenzprodukte deutlich schlechter ab. Auf dem Schwungmassenprüfstand wurde ein Fahrzeug mit einer Masse von 2300 kg bei mäßiger Verzögerung aus hoher Geschwindigkeit simuliert, um eine deutliche Bildung von Bremsstaub zu gewährleisten. Im parallel laufenden Praxistest wurde ein Fahrzeug gleichen Typs mit entsprechenden, halbseitig präparierten Alufelgen eingesetzt. Beide Tests zeigen, dass eine Beschichtung mit Polysilazanklarlacken die Anschmutzung der Felge deutlich reduziert. *Korrespondierender Autor. Kontakt:Dr. Frank OsterodClariant Advanced Materials GmbHStroofstr Frankfurt am MainTel , Fax frank.osterod@clariant.com - Markus Mahn, Clariant Advanced Materials GmbH, Jahrgang 1979, studierte Chemieingenieurwesen mit der Fachrichtung Farbe, Lack und Umwelt an der Fachhochschule Esslingen FHTE. Seit 2006 ist er bei Clariant im Bereich der Anwendungstechnik und Entwicklung für polysilazanhaltige Beschichtungssysteme tätig. - Dr. Frank Osterod, Clariant Advanced Materials GmbH, Jahrgang 1969, studierte und promovierte an der Universität Düsseldorf und arbeitet seit 1999 bei Clariant. Nach verschiedenen Aufgaben im Bereich der Pigment- und Additivforschung arbeitet er seit 2005 mit Polysilazanen. Seine Tätigkeit umfasst die Betreuung von Marketing- und Entwicklungsprojekten. - Dr. Stefan Brand, Clariant Advanced Materials GmbH, Jahrgang 1967, promovierte in organischer Chemie an der Universität Heidelberg und arbeitet seit 1997 bei Clariant. Er ist als Leiter der Anwendungstechnik von Clariant für die Entwicklung innovativer Beschichtungssysteme auf Basis von Polysilazanen verantwortlich. Hochhitzebeständige Lacke Neben Easy-to-Clean-Beschichtungen lassen sich Polysilazan-basierte Lacksysteme formulieren, die für Hochtemperaturanwendungen (> 600 C) geeignet sind. Diese Thematik ist Bestandteil aktueller Forschungsarbeiten.s t Literatur KiON Corporation: t Ergebnisse auf einen Blick - Polysilazane sind Polymere aus Silizium, Stickstoff und Wasserstoff, Organopolysilazane enthalten zusätzlich Kohlenstoff. Sie werden in den letzten Jahren vermehrt als Beschichtungsstoffe eingesetzt. - Organopolysilazan-basierte Lackformulierungen eignen sich als Klarlacke, pigmentierte Systeme sowie Hybridsysteme. - Polysilazane zeichnen sich durch sehr hohe Härte, Kratzbeständigkeit, hohe Chemikalienbeständigkeit, Korrosionsschutz, gute Haftung, Temperaturstabilität, Easy-to-Clean Eigenschaften und eine Barrierewirkung aus. - Die gute Haftung der Polysilazane lässt sich durch die kovalente Bindung der Siliziumatome an die polaren Gruppen des Substrates erklären. - Mit Polysilazanklarlacken lassen sich sowohl metallische und lackierte Substrate als auch mineralische Untergründe wie Hausfassaden und Betonwände vor Graffitis schützen. - Polysilazan-Hybridsysteme sind als Antibremsstaubbeschichtungen konventionellen Felgenklarlacken deutlich überlegen.

3 Seite/Page: 3 Abb. 5: Eingespannte Felge mit Probeblechen im Schwungmassenprüfstand

4 Seite/Page: 4 Abb. 6: Polysilazane im Praxistest: Die rechte Seite der Felge, die mit einem Polysilazan-basierten Klarlack beschichtet ist, zeigt eine deutlich reduzierte Bremsstaubanhaftung

5 Seite/Page: 5 Abb. 1: Polymerbausteine für Polysilazane

6 Seite/Page: 6 Bild zu Silizium + Stickstoff

7 Seite/Page: 7 Abb. 2: Kovalente Haftungsreaktion zwischen Siliziumatomen und polaren Gruppen des Substrates

8 Seite/Page: 8 Abb. 3: Aggressive Graffititinten lassen sich problemlos von Substraten, die mit Polysilazan-basierten Lacken beschichtet sind, entfernen

9 Seite/Page: 9 Abb. 4: Vergleich beschichteter und unbeschichteter Proben nach Laborbewitterungstests (3000 h nach DIN 11341)