Filmbildung I — physikalische Trocknung

Was dabei geschieht

Die Verfestigung ist der Übergang des aufgetragenen Beschichtungsstoffs vom flüssigen in den festen Zustand. Die dabei entstehende zusammenhängende Schicht heißt in der Lacktechnik Film oder Lackfilm; auf dem Untergrund ist sie die Beschichtung (siehe L-01). Bei einer Bindemittellösung entweicht das Lösemittel; die Polymerketten rücken zusammen, verschlaufen sich und bilden einen zusammenhängenden Film.

Bei einer Dispersion müssen sich die Polymerteilchen beim Trocknen zunächst annähern. Ist die Temperatur ausreichend hoch, sind die Teilchen weich genug, dass sie sich verformen und miteinander verschmelzen können (Koaleszenz). Bei zu niedriger Temperatur bleibt die Koaleszenz unvollständig; der Film kann dann rissig, rau oder weißlich erscheinen. Entscheidend ist die Mindestfilmbildetemperatur des Systems (siehe L-76).

Typische physikalisch trocknende Bindemittel

• Cellulosenitrat (siehe L-21)
• Chlorkautschuk und Vinylcopolymere (siehe L-22)
• thermoplastische Acrylate (siehe L-22)
• Acrylat- und Styrolacrylat-Dispersionen (siehe L-76)
• thermoplastische Pulverlacke

Wieder anlösbar

Da keine Vernetzung stattfindet, lässt sich ein physikalisch getrockneter Film mit einem geeigneten Lösemittel wieder anlösen. Das hat zwei Seiten: Beim Überlackieren löst der Lösemittelanteil des neuen Lacks die alte Schicht an, und beide verbinden sich fest miteinander – ein Vorteil bei Reparatur und Mehrschichtaufbau. Wird die alte Schicht dabei aber zu stark angelöst, etwa durch langes Nachstreichen mit dem Pinsel oder eine zu dicke Nassschicht, kann sie aufquellen, runzeln oder sich aufziehen. Chemisch gehärtete Filme (siehe L-03) sind dagegen nicht wieder anlösbar: Bei langer Einwirkzeit kann ein Lösemittel sie allenfalls anquellen, das Netzwerk löst sich aber nicht auf.

Verdunsten ist kein Sieden

Verdunsten passiert bei jeder Temperatur: An der Oberfläche entweichen ständig die schnellsten Moleküle in die Luft. Wie viele das sind, bestimmt der Dampfdruck, und der steigt mit der Temperatur. Sieden ist nur der Sonderfall, bei dem der Dampfdruck den Luftdruck erreicht und sich Dampfblasen im Inneren bilden. Ein Lack trocknet deshalb auch weit unterhalb des Siedepunkts seiner Lösemittel – nur von der Oberfläche her und umso schneller, je wärmer es ist und je weniger Dampf schon über dem Film steht: bei Wasserlacken also je trockener die Luft, bei Lösemittellacken je besser die Dämpfe abgeführt werden.

Der Siedepunkt sagt wenig darüber, wie schnell ein Lösemittel bei Raumtemperatur verdunstet. Dafür dient die Verdunstungszahl (DIN 53170, Diethylether = 1): Xylol (Siedepunkt 140 °C) verdunstet mit Verdunstungszahl 17 rund fünfmal schneller als Wasser (100 °C, Verdunstungszahl 80), weil Wassermoleküle über Wasserstoffbrücken aneinander hängen. Butylglykol (171 °C, Verdunstungszahl 160) ist ein typischer Langsamverdunster.

Solvatation und Verdunstung aus dem Film

In einem lösemittelhaltigen Lack liegt das Lösemittel in zwei Zuständen vor: Ein Teil ist freies Lösemittel, das sich ungehindert bewegen kann. Der andere Teil umgibt die gelösten Polymermoleküle als Solvathülle – dieses solvatisierende Lösemittel steht in engem Kontakt mit den Polymerketten und ist deshalb fester gebunden. Beim Trocknen verdunstet zuerst das freie Lösemittel; das solvatisierende wird zurückgehalten und verlässt den Film nur langsam.

Wie schnell ein Lösemittel aus dem Film verdunstet, hängt deshalb nicht nur von seinem Siedepunkt ab. Mit steigender Polymerkonzentration nimmt außerdem die Viskosität zu, sodass die verbleibenden Lösemittelmoleküle immer langsamer aus dem Filminneren an die Oberfläche gelangen. So fällt die Verdunstungsgeschwindigkeit gegen Ende der Trocknung stark ab, obwohl noch Lösemittel im Film ist: Die Oberfläche wirkt bereits trocken, während im Inneren noch Lösemittelreste sitzen.

Der Ablauf in Stufen

• Das Lösemittel bzw. Wasser verdunstet an der Oberfläche; aus dem Filminneren muss es erst dorthin gelangen.
• Die Polymerkonzentration steigt; die Ketten nähern sich einander.
• Bei Lösungen verschlaufen sich die Ketten und halten sich gegenseitig fest; bei Dispersionen verformen und verbinden sich die Polymerteilchen.
• Der Film wird zunehmend viskos bzw. fest; Restlösemittel kann länger im Film verbleiben.

Retention

Verbleibende geringe Mengen flüchtiger Bestandteile im Film werden als Retention bezeichnet. Sie können Geruch, Härte, Blockfestigkeit und weitere Filmeigenschaften beeinflussen.

Retention erkennt man in der Praxis häufig daran, dass ein Lackfilm zwar an der Oberfläche trocken wirkt, beim Stapeln lackierter Prüfbleche aber noch klebt oder Abdrücke entstehen. Auch ein Film, der sich mit dem Fingernagel noch deutlich eindrücken lässt oder nach längerer Zeit noch stark nach Lösemittel riecht, kann noch erhebliche Restlösemittel enthalten.

Retention ist in der Regel unerwünscht. Klein halten lässt sie sich vor allem über die Rezeptur und die Trocknungsführung: ein Lösemittelgemisch ohne zu langsame Verdunster und ohne Lösemittel, die das Polymer besonders fest bindet; keine zu dicken Nassschichten – lieber zwei Lagen mit Ablüftzeit dazwischen; vor dem Forcieren oder Einbrennen ausreichend ablüften lassen, damit sich keine Haut bildet, die das Lösemittel einschließt; und Wärme und Luftbewegung bei der Trocknung, die den Abtransport aus dem Filminneren beschleunigen.

Schichtdicke nach dem Trocknen

Für die vereinfachte Schichtdickenrechnung gilt:
TSD = NSD · Volumenfestkörper / 100 %
Beispiel: 120 µm · 42 / 100 = 50,4 µm

Dabei wird angenommen, dass nur das Volumen der nichtflüchtigen Bestandteile als Trockenschicht zurückbleibt. Der Schichtdickenschwund bezieht sich auf die Nassschichtdicke.

Luftführung in der Lackierkabine

In der Lackierkabine sorgt die Absaugung für den nötigen Abtransport der Lösemitteldämpfe; sie dient zugleich dem Arbeits- und Explosionsschutz. Die Luftführung darf den Verlauf jedoch nicht durch zu schnelle Oberflächenverdunstung stören und beeinflusst den Sprühnebel (Overspray).

Sonderfälle: Organosole, Plastisole, thermoplastische Pulverlacke

• Organosole — nichtwässrige Dispersionen von Polymerteilchen in einer organischen Flüssigkeit. In der Lackpraxis sind das meist PVC-Teilchen in Weichmacher und einem zusätzlichen flüchtigen Verdünner; eine echte Lösung liegt nicht vor. Beim Trocknen verdunstet der Verdünner; die Filmbildung gelingt aber erst beim Erwärmen, wenn der Weichmacher in die Teilchen eindringt und sie gelieren und verschmelzen (siehe L-120). Anwendungsbeispiele: Dosendeckel und Verschlüsse (siehe L-106). Auch PVDF-Dispersionen für Coil-Coating-Lacke sind Organosole.
• Plastisole — Polymerteilchen in flüssigem Weichmacher, praktisch ohne flüchtigen Anteil; in der Regel PVC, daneben PVC-freie Acrylat-Plastisole. Beim Erwärmen dringt der Weichmacher in die Teilchen ein; sie gelieren und verschmelzen zu einem zusammenhängenden Material – chemisch vernetzt wird dabei nichts. Klassische Anwendung: PVC-Unterbodenschutz im Automobilbau (siehe L-120).
• Thermoplastische Pulverlacke — aufgeschmolzen bilden sie beim Abkühlen einen festen Film. Eine chemische Vernetzung ist für die Filmbildung nicht erforderlich.

Warum die Rezeptur zählt

Das Lösemittelgemisch muss so gewählt werden, dass der Filmbildner während der kritischen Trocknungsphase ausreichend solvatisiert bleibt und der Film gleichmäßig verlaufen kann. Verdunstet ein für die Löslichkeit wichtiger Bestandteil zu früh, kann es zu Trübung, Ausfällung, Orangenhaut oder anderen Oberflächenstörungen kommen. Zu langsame Verdunstung kann dagegen Retention und lange Durchtrocknung fördern.

Merksatz