66 Teil I Grundsätzliches Abbildung I-3.7: Barrierewirkung von plättchenförmigen Pigmenten (keine maßstabs gerechte Darstellung) Abbildung I-3.8: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Eisenglimmer [3] Abbildung I-3.9: Rezepturentwicklung Einbrenndecklack weiß (alle Angaben bezogen auf nfa) 3.3 Rezepturentwicklung Die formale Vorgehensweise bei der Entwicklung einer einfachen Lackrezeptur ist Inhalt dieses Abschnitts. Das folgende Beispiel soll modellhaft eine Rezepturentwicklung verdeutlichen. Vorgegeben ist eine Aufgabenstellung; das Ziel ist die Erstellung eines Kalkulationsrezepts. Aufgabe: Einbrenndecklack weiß P/B = 0,6 : 1 (Pigmentierungshöhe) AK : MF = 7 : 3 (nfa/nfa) nfa bei Lieferviskosität (ca. 80 sec DIN 4): 60 bis 65 % Den ersten Schritt zur Lösung dieser Aufgabe zeigt Abbildung I-3.9; zu Beginn dieser Rezepturentwicklung werden die nichtflüchtigen Anteile mit 63 % festgelegt (dies ist eine willkürliche Abschätzung; etwa Mittelwert der Vorgabe). Der nächste Schritt besteht im Auswählen der Bindemittel-Typen, wobei die Verträglichkeit geprüft sein muss. Alkydharz: kurzöliges, nicht trocknendes, gilbungsbeständiges AK, z.b. Worléekyd C 628 (70 % in Xylol) Melaminharz: reaktives Melaminharz, z.b. Maprenal MF 580 (55 % in Alkoholen) Daraus ergibt sich: AK (nfa) 27,6 Gew.-Teile 39,4 Gew.- Teile (70 %ig) MF (nfa) 11,8 Gew.-Teile 21,5 Gew.- Teile (55 %ig) Als Lösemittel werden Aromaten, Methoxypropanol und etwas Butylglykolacetat (Hochsieder, Verlaufmittel) gewählt; auf weitere Additive und Abtönpigmente wird in diesem ersten Beispiel der Einfachheit halber verzichtet. Damit kann das Kalkulationsrezept erstellt werden (Tabelle I-3.5).
Lackrezepturformulierung 67 Gew.-Teile Rohstoff nfa flüchtig 39,4 Worléekyd C 628 (70 %) 27,6 11,8 21,5 Maprenal MF 580 (55 %) 11,8 9,7 23,6 Titandioxid Rutil 23,6 5,0 Xylol 5,0 6,5 Solvesso 100 6,5 3,0 Methoxypropanol 3,0 1,0 Butylglykolacetat 1,0 100 Summe 63,0 37,0 Tabelle I-3.5: Kalkulationsrezept Einbrenndecklack weiß; stark vereinfachtes Modell-Rezept (ohne Rheologieadditiv bzw. Abtönpigmente) Die PVK kann aus dem Kalkulationsrezept berechnet werden (Näherungsrechnung). 23,6/4,1 PVK = 23,6/4,1 + 27,6/1,2 + 11,8/1,5 100 % = 15,7 % Das Fertigungsrezept für 600 g Lack ist in Tabelle I-3.6 aufgeführt (Zahlen gerundet). Der Einfachheit halber wird das gesamte Alkydharz ins Mahlgut genommen; im Betrieb würde die Menge an Gew.-Teile Rohstoff bzw. Halbfabrikat 237 Worléekyd C 628 (70 %) 6 Butylglykolacetat 18 Methoxypropanol 12 Solvesso 100 142 Titandioxid Rutil 1. Dissolver, 2. Perlmühle bis 5 bis 10 µm Kornfeinheit 3. Auflacken 129 Maprenal MF 580 (55 %) 27 Solvesso 100 30 Xylol (bis 80 sec DIN 4) 600 Summe Aufbau des Beschichtungsstoffes % 39,4 Bindemittel (nfa) 23,6 Pigmente und Füllstoffe (nfa) 37,0 Lösemittel (gesamt) Additive (nfa) Tabelle I-3.6: Fertigungsrezept für 600 g Einbrenndecklack weiß Alkydharz durch Versuche minimiert werden, um die Maschinenlauf zeit zu verkürzen (Energieersparnis). Darüber hinaus werden die Hochsieder ins Mahlgut genommen, um Verdunstungsverluste während des Dispergierens zu minimieren. Alle Lösemittelmengen können bei der ersten Rezepterstellung nur abgeschätzt werden; d.h. Lösemittel sind beim Laboransatz portionsweise zuzugeben, um ein Überverdünnen vermeiden. Ggf. müssen die Lösemittelzugabemengen nach unten oder oben hin korrigiert werden; d.h. die
68 Teil I Grundsätzliches nichtflüchtigen Anteile können sich leicht verändern. Bei den auf den ersten Ansatz folgenden Optimierungsschritten kann die Lösemittelzugabe im Rezept dann genauer angegeben werden. 3.4 Anstrichaufbau Die von einem Anstrich insgesamt geforderten Eigenschaften können in der Regel nicht von einer Anstrichschicht allein erfüllt werden; d.h. mehrere aufeinander abgestimmte Anstrichschichten werden notwendig (Anstrichaufbau). Die verschiedenen Anstrichschichten können wie folgt bezeichnet werden. 1. Grundanstrichstoff (Grundlack, Grundierung); seine Funktionen sind: Fundament des Anstrichaufbaus Haftung (Verbund) Substrat-Anstrich Schutz des Substrats (Untergrunds) vor Umwelteinflüssen (z.b. Korrosion) Schutz nachfolgender Anstrichschichten vor Einwirkungen des Substrats (z.b. vor der Alkalität von Beton oder vor der Weichmacherwanderung aus Kunststoffen): Sperrschicht 2. Zwischenanstrichstoff (Vorlack, Füller, Funktionsschicht) Verstärkung der Sperrwirkung des Grundanstrichs Schaffen eines optimalen Untergrunds für den Deckanstrich: Abdecken, Egalisieren von Unebenheiten des Untergrunds Schleifbarkeit sollte gegeben sein Schicht für die Aufnahme mechanischer Belastungen (Steinschlag) 3. Deckanstrichstoff (Decklack) Schutz des Anstrichaufbaus vor Einwirkungen von außen : Wetterbeständigkeit (z.b. UV-Licht, Regen bzw. Luftfeuchtigkeit) Chemikalienbeständigkeit (z.b. Akkumulator-Schwefelsäure, Vogelkot) Lösemittelbeständigkeit (z.b. Treibstoff) optische Eigenschaften: Farbgebung Glanz Eine Abstimmung der einzelnen Schichten aufeinander ist erforderlich. Es gilt die Faustregel von mager nach fett. Die Pigmentierungshöhe im Grundlack übertrifft also die des Decklacks (Tabelle I-3.7), damit die Flexibilität im Grundlack niedriger ist als im Decklack (siehe auch Abbildung I-3.2 oben). Umgekehrt würde man auf einem flexibleren Grundlack mit einem spröden Decklack einen Reißlack erzeugen. Pigmentierungshöhe (P/B) Grundanstrichstoff (2 bis 4) : 1 Zwischenanstrichstoff (1,5 bis 2,5) : 1 Deckanstrichstoff (0,1 bis 1) : 1 Tabelle I-3.7: Grobe Richtwerte für Pigmentierungs höhen von oxidativ härtenden Lacken Die Gesamtschichtdicken von Anstrichaufbauten gehen beim schweren Korrosionsschutz bis 1000 µm (1 mm); im Stahlwasserbau und bei der Behälterinnenbeschichtung u.u. noch höher. Anstrichaufbauten von Autolackierungen sind in Abbildung I-3.10 dargestellt. Abbildung I-3.11 zeigt einen Querschnitt durch einen Metallicaufbau. Alle Lackschichten bei der Autolackierung sind meist hochvernetzte Einbrennlacke. Die hauptsächlichen Funktionen der einzelnen, optimal aufeinander abgestimmten Autolackschichten (Abbildung I-3.10) sind:
Lackrezepturformulierung 69 Abbildung I-3.10: Anstrichaufbau von Autolackierungen Basislacke: Metallic 10 bis 15 µm, Uni bis 30 µm 1. Phosphatierung (Konversionsschicht, Metallvorbehandlung) Haftvermittlung und Korrosionsschutz 2. Kathodische Elektrotauchlackierung (KTL) Korrosionsschutz 3. Füller Abdecken des Untergrunds Steinschlagschutz 4. Bei den Decklacken gibt es zwei Varianten, den einschichtigen Uni-Decklack und die Zweischicht- Metalliclackierung (Abbildung I-3.10). a) Einschichtdecklack Farbgebung, Glanz Schutz vor Bewitterung, Chemikalien und Lösemitteln Abbildung I-3.11: Lichtmikroskopische Aufnahme (500x) eines Querschliffs durch eine Autolackierung (silbermetallic) Abbildung I-3.12: Rasterlektronenmikroskopische Aufnahme einer stark bewitterten Beschichtungsoberfläche
70 b) Zweischicht-Metalliclackierung Metallicbasislack Farb- und Effektgebung Klarlack Glanz, Schutz vor Bewitterung, Chemikalien, Lösemitteln und mechanischen Belastungen (Kratzbeständigkeit). Das Beispiel Autolackierung zeigt, wie kompliziert ein Anstrichaufbau sein kann. Darüber hinaus gibt es neuerdings weitere, von denen in Abbildung I-3.10 abweichende Anstrichaufbauten für Autos, beispielsweise den Zweischichtaufbau für den Smart. Hier geht man aus von ca. 20 µm KTL und 70 bis 80 µm Pulverdecklack; im Steinschlagbereich der Karosserie wird partiell noch ein Pulverfüller aufgetragen. Die einzelnen Autolacke werden in den jeweiligen Kapiteln des Buches noch genauer beschrieben werden. Im Zusammenhang mit Decklacken war in diesem Abschnitt immer wieder von Bewitterungsbeständigkeit die Rede. Zur Illustration zeigt Abbildung I-3.12 als Schadensbild die rasterlektronenmikroskopische Aufnahme einer stark im Freien bewitterten Beschichtungsoberfläche [3]. Man kann deutlich erkennen, dass das Bindemittel durch Fotooxidation abgebaut wurde und Pigment- und Füllstoffpartikel auf der Oberfläche freigelegt wurden [4]. Literatur [1] B. Müller, Farbe & Lack, 106, Nr. 3 (2000) S. 62 ff [2] H. Saechtling, Kunststofftaschenbuch, 23. Ausg., S. 527, Hanser Verlag, 1986 [3] M. Kremser, Projektarbeit, Hochschule Esslingen 2008 [4] Auf Bewitterung, Fotooxidation und Maßnahmen zur Verbesserung der Bewitterungsbeständigkeit wird ausführlich in B. Müller, Additive kompakt, Vincentz Network, 2009 eingegangen