Nanokomposite als Basis einer neuen Generation von lösemittelfreien Industrielacken Reiner Mehnert, Cetelon Nanotechnik GmbH, Leipzig Was sind Nanokomposit-Lacke? rganische Lacke mit nanoskaligen Füllstoffen Innovation als Chance für nachhaltiges Wirtschaften Was bewirkt der Füllstoff? 80 14 70 12 60 10 Abrieb (mg) 50 40 Haze (%) 8 6 30 4 20 2 10 0 10 20 30 40 50 60 Füllstoffgehalt (Ma%) 0 0 10 20 30 40 50 60 Füllstoffgehalt ( Ma%) Mechanische Eigenschaften der Beschichtung wie Kratz- und Abriebfestigkeit werden signifikant verbessert
Anforderungen an den Füllstoff Durchmesser der anorganischen Teilchen < 100 nm Brechnungsindex Füllstoff nahe Brechungsindex organische Matrix Hohe Härte ( > 6 auf Mohs-Skala) Kompatibilität der Füllstoff-berfläche mit der organischen Matrix ( rganophilierung) Transparenz des Lackes gute mechanische Eigenschaften hoher Füllstoffgehalt möglich Problem: Füllstoffe wie Quarz oder Korund liegen mikroskalig vor und haben eine stark polare berfläche Unser Lösungsansatz für UV-härtende, lösemittelfreie Lacke auf Acrylatbasis 2 -Nanopartikel in der Lackmatrix Mikroskalige 2 -Pulver ( z.b. pyrolytisch hergestellt Kieselsäuren) werden in der flüssigen Lackmatrix mit rganosilanen oberflächenmodifiziert. Ergebnis: die polare berfläche der 2 -Partikel wird abgeschirmt durch eine organische Hülle, die Agglomerate des mikroskaligen 2 -Pulvers zerfallen in Nanopartikel
Unser Lösungsansatz für UV-härtende, lösemittelfreie Lacke auf Acrylatbasis Polyacrylat CH 3 H CH 3 (CH 2 ) 3 C C CH 2 C CH 2 CH 2 C CH 2 C C HC C R H H H 2 C R ( CH 2 ) 3 2 HC C H H R H H R H 2 HC C H CH 2 H 2 C C (CH 2 ) 3 C lica Nanopartikel mechanische viskoelastische Eigenschaften Polysiloxan-Hülle UV-härtbar Löslichkeit in Acrylaten (bis 30% lica) Unser Basispatent: EP 1 153 090/ US 4 624 971 Struktur der blauen Hülle der 2 -Nanopartikel R H R -102.7 29 -NMR-Spektroskopie -109.1-66.8 +MEM SIMA -58.8-91.2-100.7-111.3 SIMA 2 2-60 -80-100 -120-140 δ /ppm H H H
Struktur der blauen Hülle der 2 -Nanopartikel 2.1 nm C H 0.31 nm H H H H Hülle der 2 -Nanopartikel besteht aus Polysiloxan Nanokomposite als Basis einer neuen Generation von lösemittelfreien Industrielacken? Diamant 3,0 250 2,5 240 Eindringtiefe [µm] 2,0 1,5 1,0 Mikrohärte [N/mm²] 230 220 210 200 190 CARAT 215 modifiziert unmodifiziert 0,5 180 0,0 0 10 20 30 40 50 Kraft [mn]) 170 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 Eindringtiefe [µm] Die Mikrohärte der Beschichtung ( Modul ) ist über den 2 -Füllgrad einstellbar, die gefüllten Lacke bleiben niedrigviskos und transparent
Beispiel: Vergleich von Automobil-Decklacken mit Nanokompositen 300 Martenshärte [N/mm²] 280 260 240 220 200 180 160 Pulverlack 2K-Lack Nanokomposit 1 Nanokomposit 2 Nanokomposit 3 Taber Abraser Test 140 120 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Eindringtiefe [µm] Standard Nano I Produktion von UV-härtenden Nanokomposit-Lacken Pilotproduktion in Leipzig ( 50 jato) Ab III/2007 Produktion in Eilenburg/Sa. ( 600 jato)
Produktion von Nanokompositen: Verfahrenstechnik Flüssigdosierung Feststoffdosierung Perlmühle Dispergierung Es entstehen mittelfristig 30 bis 50 Industriearbeitsplätze Industrielle Anwendung von Nanokomposit-Lacken Walzlacke für Finishfolien, Kunststofffolien, Al-Folien, Papier Parkett und Fußbodenbeläge, Holz, Holzwerkstoffe Metall, Kunststoffplatten Spritzlacke für Felgen, automotive Anwendungen Kunststoffteile, Holz,dekorative Anwendungen Flut- und Gießlacke für Polycarbonat- und PMMA-Formkörper Spezialanwendungen Lacke für Brillengläser tribologische Schichten
Beispiel: Nanokomposit/Korund-Lack für Parkett und Finishfolie Nanokomposit Nanokomposit/Korund, 1-4 Schichten UV-Grund Substrat Lackvariante Auftrag (g/m 2 ) Abrieb nach EN 13696/ S42 (Umdrehungen Abrieb nach EN 13696/Fall. Sand (Umdrehungen Mikrohärte (N/mm 2 ) UV- Nanokomposit 1 (flexibel) 55 1175 4750 250 UV- Nanokomposit 2 (hart) 66 2100 4675 290 UV-Standard 106 2150 122 Beispiel: Abriebfeste Beschichtung Nanofin für Anwendungen im Fußbodenbereich von der Fa. WKP Unterensingen Finishfolien mit sehr guten Abriebeigenschaften, verfügbar bis AC3, Problem: nicht optimale Einbindung des Korunds in die Matrix Lösungsansatz durch wasserbasierende Nanokomposite
Beispiel: Ergebnisse aus laufendem BMBF-Projekt Wässrige Nanokomposit-Dispersionen.. Nanofin Referenz Nanofin mit wässriger Nanokomposit-Dispersion Abriebfestigkeit Taber S 42 : 2200 2700-3000 Beispiel: Produktion von Finishfolie für Fußböden mit Nanokompositen Elektronenstrahler Beschichtungswerk Produktionsanlage der WKP, auf der Nanofin hergestellt wird
Beispiel: Nanokomposit-Spritzlacke 100 Glanz bei 60 80 60 40 20 0 Toplack auf Felgen 0 500 1000 1500 2000 2500 Zeit im Xenontest /h/ Lösemittelfreie, UV-härtende Nankomposit-Lacke für die Beschichtung von Formkörpern verfügbar Beispiel: Nanokomposit-Spritzlacke für dekorative Anwendungen UV-härtende Beschichtungen für automatisierte Produktion ( 10.000 Stück pro Stunde)
Beispiel: Verformbarer UV-Nanokomposit-Lack auf Aluminium - 0 T-Test (Biegetest) (Hammer) - Freie Dehnung > 35 % - Haftung Gt 0 auf Grundfarbe - Kratzfestigkeit > 5 N mit Erichsen 318 bzw. 10 N mit Erichsen 435 - Chemikalienbeständigkeit wie für Automobilzierteile in Außenanwendung üblich (Aceton) - Lichtechtheit 240 h Xenon und 240 h QUV - Klimawechseltest 60 Zyklen PV 2005 (-40 bis +90 C) - Dauertemperaturbeständigkeit 24 h, 130 C - 240 h Salzsprühtest - 240 h KK-Test - Dampfstrahltest vor und nach KK-Test Gute Bedruckbarkeit Beispiel: Nanokomposit-Flutlack für die PKW-Verscheibung Nanokomposit+ UV-Absorber PMMA + UV-Absorber Laminierfolie mit Heizung etc. Nanokomposit + UV-Absorber Aufbau einer Heckscheibe aus Laminat PMMA/PC Spezifikation Nanokomposit-Beschichtung Haze nach 1000 Umdrehungen CS 10F: < 3% Bewitterungsstabilität: > 6000 kj/m2
Zusammenfassung Agglomerate von 2 -Mikropartikeln können durch lylierung in inerten Lösemitteln ( z.b. Acrylaten) deagglomeriert werden. Auf der berfläche der 2 -Teilchen wird eine Polysiloxan-Hülle erzeugt, die die Deagglomeration auslöst und die berfläche organophiliert. rganische Matrix und Nanopartikel bilden ein Komposit. Mit diesem Verfahren können transparente, niedrigviskose Nanokomposit-Lacke erzeugt werden, die kratz- und abriebfeste Beschichtungen ergeben. Bereits industriell verfügbar sind Walzlacke für Finishfolien,Kunststofffolien, Al-Folien, Papier, Parkett und Fußbodenbeläge, Holz, Holzwerkstoffe und Kunststoffplatten Spritzlacke für Felgen, automotive Anwendungen, Kunststoffteile, Holz Flutlacke für Polycarbonat- und PMMA-Formkörper 2007 wird die Cetelon Gruppe am Standort Eilenburg/Sa. eine Produktionsstätte für Nanokomposit-Lacke errichten. Es entsehen mittelfristig bis zu 50 Arbeitsplätze Danksagung Wesentliche Teile dieser Arbeiten wurden im Rahmen des BMBF-Programms Forschung für Nachhaltigkeit im Projekt Wässrige Dispersionen für kratzfeste Beschichtungen auf der Basis von Acrylat-Nanokompositen Förderkennzeichen 01 RI 05024 gefördert. Mein Dank gilt außerdem meinen ehemaligen Kollegen aus dem Leibniz- Institut für berflächenmodifizierung Leipzig, den Herren Dres. Hartmann, Gläsel, Rummel und Bauer, die wesentliche Grundlagen für die Entwicklung von Nanokompositen schufen.