Der Lacklaborant Lernwerk

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L-03

Filmbildung II — chemische Härtung

Vernetzung, Reaktionslacke und ihre Steuerung

Prüfungsteil 1A 8.3 · A 10

KernaussageChemische Härtung heißt: Nach dem Auftragen reagieren die Bestandteile miteinander und bauen ein dreidimensionales Netzwerk auf. Der Film entsteht nicht nur durch Verdunsten, sondern durch Reaktion – und ist danach weder anlösbar noch schmelzbar.

Was dabei geschieht

Enthält ein chemisch härtender Lack Lösemittel oder Wasser, trocknet er zunächst physikalisch: Das Lösemittel bzw. Wasser verdunstet, die Bestandteile rücken zusammen (siehe L-02). Zusätzlich – gleichzeitig oder im Anschluss – reagieren die Bestandteile miteinander: Die Molmasse steigt, und es entsteht ein dreidimensionales Netzwerk. Diese Reaktion läuft weiter, wenn kein Lösemittel mehr entweicht, und sie bestimmt die endgültigen Filmeigenschaften. Bei lösemittelfreien Systemen (100-%-Systeme, Pulverlacke) entfällt der erste Schritt; hier ist die Reaktion der einzige Weg zum Film.

Mit zunehmender Vernetzung werden die Ketten unbeweglicher, und die Reaktionspartner finden sich immer schwerer; die Reaktion wird langsamer, hört aber nicht schlagartig auf. Deshalb kann ein Film nach dem Trocknen oder Einbrennen noch nachhärten: Härte, Lösemittel- und Chemikalienbeständigkeit erreichen ihre Endwerte oft erst nach Tagen (Nachhärtung).

Was die Reaktion auslöst

  • Luftsauerstoff — oxidativ härtende Öle und Alkydharze (1K); Sikkative beschleunigen (siehe L-14, L-16)
  • Wärme — Einbrennlacke (1K): z. B. Polyester oder Acrylat mit Aminoharz, blockierte Isocyanate, Pulverlacke (siehe L-31, L-36)
  • Zweite Komponente — 2K-Lacke: Epoxid/Amin, Polyol/Polyisocyanat (2K-PUR); nach dem Mischen läuft die Topfzeit (siehe L-25, L-28)
  • Luftfeuchtigkeit — feuchtigkeitshärtende 1K-PUR-Lacke (siehe L-25)
  • Strahlung — UV- und Elektronenstrahlhärtung (siehe L-24)
  • Säure — säurehärtende Lacke (SH-Lacke), z. B. Möbellacke (siehe L-122)

Härtungsreaktionen

  • Polymerisation — ungesättigte Monomere und Harze reagieren über ihre Doppelbindungen zu Ketten oder Netzwerken; ein Starter (meist ein Radikal) bricht die erste Doppelbindung auf, danach wächst die Kette von selbst weiter. Beispiele: Acrylate, ungesättigte Polyester mit Styrol; kein Abspaltprodukt.
  • Polykondensation — funktionelle Gruppen reagieren unter Abspaltung kleiner Moleküle, z. B. Esterbildung unter Wasserabspaltung oder Aminoharz-Vernetzung unter Alkoholabspaltung.
  • Polyaddition — funktionelle Gruppen reagieren ohne Abspaltung kleiner Moleküle, z. B. Polyisocyanat + Polyol zum Polyurethan (Urethan-Bindung) oder Epoxidharz + Amin (der Epoxidring öffnet sich; es entstehen eine C–N-Bindung und eine OH-Gruppe). Die Produkte heißen Polyaddukte (siehe L-04).

Beispiele für Reaktionsgleichungen

Polymerisation (z. B. Acrylat):
n CH₂=CH–R → [–CH₂–CH(R)–]ₙ  (kein Abspaltprodukt)

Polyaddition PUR:
R–NCO + R′–OH → R–NH–CO–O–R′

Polyaddition Epoxid/Amin:
Epoxidring + R′–NH₂ → R′–NH–CH₂–CH(OH)–  (Ringöffnung, kein Abspaltprodukt)
Eine primäre Aminogruppe (–NH₂) kann nacheinander zwei Epoxidgruppen
umsetzen, eine sekundäre (–NH–) noch eine (siehe L-29).

Polykondensation Esterbildung:
R–COOH + R′–OH ⇌ R–COO–R′ + H₂O
So vernetzen selbstvernetzende Polyester-Einbrennlacke (siehe L-36)
und ein Teil der Polyester-Pulverlacke (siehe L-95); das Reaktionswasser
muss aus dem Film entweichen können.

Zwei Wege zum vernetzten Film

  • Ein fertiges Polymer wird nachträglich vernetzt — die Ketten sind lang (linear oder verzweigt) und tragen die Filmeigenschaften schon mit; wenige Verknüpfungen genügen, die Dosierung ist unkritisch, aber der Festkörper ist niedrig. Beispiele: linearer OH-Polyester mit Aminoharz (Coil Coating, siehe L-19, L-20); oxidativ härtendes Alkydharz – im Lackbereich „oxidative Trocknung“ genannt, fachlich eine chemische Reaktion mit Sauerstoff (siehe L-14, L-16).
  • Das Netzwerk entsteht erst bei der Härtung — aus niedermolekularen oder oligomeren Bausteinen; hoher Festkörper möglich, aber alle Eigenschaften hängen an der Reaktion: Die Stöchiometrie muss stimmen, die Vernetzungsdichte wird hoch, der Film hart und beständig, eher spröde. Beispiele: 2K-Epoxid/Amin, 2K-PUR mit niedermolekularem Polyol, UP-Harz/Styrol (siehe L-23, L-25, L-28).

Einteilungskriterium ist, wie weit das Bindemittel vor der Härtung schon aufgebaut ist – nicht der Reaktionstyp und nicht der Härter.

Lagerstabil und trotzdem reaktiv

Ein Beschichtungsstoff soll bei der Lagerung stabil, nach der Applikation aber reaktiv sein. Das gelingt, indem Lagerung und Reaktion zeitlich getrennt werden – auf zwei Arten: Beim 2K-Lack bleiben die Reaktionspartner bis zum Mischen getrennt. Beim 1K-Lack sind alle Partner zusammen, die Reaktion springt aber erst unter der Härtungsbedingung an. Beim Einbrennlack genügt dafür meist die Temperaturabhängigkeit der Reaktion: bei Raumtemperatur praktisch kein Umsatz, bei Einbrenntemperatur – je nach System z. B. 120 bis 180 °C – vollständige Vernetzung innerhalb von Minuten. Nur Partner, die sonst schon bei Raumtemperatur reagieren würden, werden zusätzlich gesichert – durch blockierte Reaktivgruppen (blockierte Isocyanate, siehe L-25) oder einen „latenten“, also ruhenden Katalysator, der erst bei Einbrenntemperatur frei wird (z. B. aminblockierte Säurekatalysatoren, siehe L-31). Beim UV-Lack ist der Photoinitiator der ruhende Starter, der erst durch Licht Radikale bildet (siehe L-24).

Im Labor sieht man das am 2K-Lack: Nach dem Mischen beginnt die Reaktion, die Viskosität steigt, bis der Lack nicht mehr verarbeitbar ist. Die Zeit vom Mischen bis dahin heißt Topfzeit (Verarbeitungszeit); sie steht im technischen Merkblatt und hängt vor allem von Temperatur, Ansatzmenge und Reaktivität ab (siehe L-25). Deshalb setzt man nur so viel an, wie innerhalb der Topfzeit verarbeitet werden kann. Ein Einbrennlack dagegen ist bei Raumtemperatur monatelang lagerfähig; seine Härtungsreaktion wird erst durch die erhöhte Temperatur im Ofen ausgelöst bzw. stark beschleunigt.

Rechenweg Härterzusatz

Grundlage sind zwei Kennwerte aus dem technischen Merkblatt:
• OH-Äquivalent = 17 · 100 / %OH — Gramm Harz, die ein Mol OH-Gruppen enthalten (17 g/mol: molare Masse der OH-Gruppe). Ist statt des OH-Gehalts die OH-Zahl in mg KOH/g angegeben: %OH = OH-Zahl / 33 (siehe L-08).
• NCO-Äquivalent = 42 · 100 / %NCO — Gramm Härter, die ein Mol NCO-Gruppen enthalten (42 g/mol: molare Masse der NCO-Gruppe).

Für jedes OH-Äquivalent Harz braucht man ein NCO-Äquivalent Härter. Bezogen auf 100 g Harz ergibt das den Isocyanat-Grundwert:
Isocyanat-Grundwert (g Härter je 100 g Harz) = 42 · 100 · %OH / (17 · %NCO)

Soll das NCO/OH-Verhältnis nicht 1,0 sein, wird der Grundwert mit dem gewünschten Verhältnis multipliziert:
Härter je 100 g Harz = Isocyanat-Grundwert · NCO/OH-Verhältnis

Beispiel: Polyol mit 3,0 % OH, Härter mit 20 % NCO.
OH-Äquivalent = 1 700 / 3,0 = 567 g · NCO-Äquivalent = 4 200 / 20 = 210 g
Isocyanat-Grundwert = 42 · 100 · 3,0 / (17 · 20) = 37,1 g Härter je 100 g Harz
Bei NCO/OH = 1,0: für 200 g Polyol 2 · 37,1 = 74 g Härter.
Bei NCO/OH = 1,1: 37,1 · 1,1 = 40,8 g je 100 g, für 200 g Polyol 82 g Härter.

Ein Verhältnis über 1,0 (NCO-Überschuss) wird in der Praxis oft gewählt, weil ein Teil der Isocyanatgruppen mit Luftfeuchte reagiert und so für die Vernetzung verloren geht (siehe L-25, L-27). Weitere Beispiele in L-27 und L-58; selbst rechnen: Frage 4 in Ü-03.

Kenngrößen des vernetzten Films

  • Vernetzungsdichte — die Dichte wirksamer Netzwerkverknüpfungen. Mit zunehmender Vernetzung steigen Härte und Chemikalienbeständigkeit; Flexibilität und Quellbarkeit nehmen ab. Beispiel: Eine hochvernetzte 2K-Epoxid-Bodenbeschichtung ist chemikalienfest, aber spröde; ein weitmaschig vernetztes PUR-Elastomer bleibt flexibel, quillt aber stärker in Lösemitteln.
  • Gelanteil — der nach einer Extraktionsprüfung unlösliche Anteil des Films. Ein Gelanteil von 95 % heißt: 95 % der Filmmasse bleiben als unlösliches Netzwerk zurück, 5 % werden extrahiert.
  • Lösemittel-Reibtest — ein mit Lösemittel (meist Methylethylketon) getränktes Tuch wird über den Film gerieben. Ein ausreichend vernetzter Film wird kaum angegriffen; ein unzureichend vernetzter wird weich, klebrig oder gibt Material an das Tuch ab. Schnell und praxisnah, die Aussagekraft hängt aber von Lösemittel, Methode und Lacktyp ab.

Merksatz

Chemische Härtung: Nach dem Auftragen reagieren die Bestandteile zu einem dreidimensionalen Netzwerk; der Film ist danach weder anlösbar noch schmelzbar.
Was die Reaktion auslöst, kennzeichnet den Lacktyp: Luftsauerstoff, Wärme, zweite Komponente, Luftfeuchtigkeit, Strahlung oder Säure.
Polykondensation spaltet ein kleines Molekül ab, Polyaddition nicht; Polymerisation läuft über Doppelbindungen.
Lagerstabil und trotzdem reaktiv: Reaktionspartner getrennt halten (2K) oder die Reaktion erst durch Wärme auslösen (Einbrennlack). Nach dem Mischen eines 2K-Lacks läuft die Topfzeit.
Ob ein Film durchgehärtet ist, zeigt nicht die trockene Oberfläche, sondern die Prüfung: Lösemittel-Reibtest, Gelanteil oder Härtemessung.

chemische HärtungVernetzungReaktionslackEinbrennlack2KZweikomponentenlacksäurehärtendVernetzungsdichteVernetzungsgradGelanteiloxidative HärtungTopfzeitNachhärtungLösemittel-Reibtest
Quellen
  • Müller/Poth, Lackformulierung und Lackrezeptur
  • Brock/Groteklaes/Mischke, Lehrbuch der Lacktechnologie

Übungsblatt Ü-03

Prüfen, ob es sitzt.

Verständnis8 Punkte

1. Unterscheiden Sie Polymerisation, Polykondensation und Polyaddition nach Reaktionsablauf und Abspaltprodukt und nennen Sie zu jeder Reaktion ein Beispiel aus der Lackhärtung.

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PolymerisationEin Starter – meist ein Radikal aus einem Peroxid oder Photoinitiator – bricht die Doppelbindung eines Monomers auf. Das Kettenende bleibt dadurch selbst reaktiv und greift das nächste Monomer an; so wächst die Kette Monomer für Monomer. Ein kleines Molekül wird nicht abgespalten. Beispiel: UP-Harz, dessen Doppelbindungen radikalisch mit Styrol reagieren (siehe L-23); UV-Lacke (siehe L-24).
PolykondensationFunktionelle Gruppen reagieren miteinander; dabei wird ein kleines Molekül abgespalten. Beispiel: Ein OH-Bindemittel vernetzt beim Einbrennen mit einem Aminoharz; das abgespaltene Reaktionsprodukt, z. B. Alkohol oder Wasser, muss aus dem Film entweichen (siehe L-31).
PolyadditionFunktionelle Gruppen reagieren miteinander, aber ohne Abspaltung eines kleinen Moleküls. Beispiel: Im 2K-PUR-Lack reagiert die Isocyanatgruppe mit der OH-Gruppe zum Urethan (siehe L-25).
Worauf es ankommtPolykondensation und Polyaddition laufen bei den hier betrachteten Lackreaktionen über funktionelle Gruppen und unterscheiden sich hinsichtlich des Abspaltprodukts. Die Polymerisation läuft dagegen über Doppelbindungen: Ein Starter öffnet die erste, danach gibt die Kette die Reaktivität von Monomer zu Monomer weiter.
Warum das eine Eins verdientZu jeder Reaktion gehören der Ablauf, die Aussage zum Abspaltprodukt und ein Beispiel aus der Lackhärtung. Der Kern ist die Unterscheidung von Polykondensation und Polyaddition über das Abspaltprodukt.
Verständnis9 Punkte

2. Erläutern Sie die zwei Wege, auf denen ein vernetzter Lackfilm entstehen kann, je mit einem Stoffbeispiel, und nennen Sie je eine Folge für Festkörper und Dosierung.

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Erster Weg — fertiges Polymer wird nachträglich vernetztLange Ketten (linear oder verzweigt) tragen die Filmeigenschaften schon mit; wenige Verknüpfungen genügen. Beispiel: linearer OH-Polyester mit Aminoharz (Coil Coating, siehe L-19, L-20) oder oxidativ härtendes Alkydharz (siehe L-14, L-16).
Folgen beim ersten WegNiedriger Festkörper, weil lange Ketten den Lack viskos machen; die Dosierung des Vernetzers ist unkritisch.
Zweiter Weg — Netzwerk entsteht erst bei der HärtungNiedermolekulare oder oligomere Bausteine reagieren erst beim Härten zum Netzwerk. Beispiel: 2K-Epoxid aus Epoxidharz und Aminhärter (siehe L-28, L-29) oder 2K-PUR mit niedermolekularem Polyol (siehe L-25, L-27).
Folgen beim zweiten WegHoher Festkörper möglich; die Stöchiometrie muss stimmen, sonst bleibt der Film unvollständig vernetzt oder enthält unreagierte Gruppen.
EinteilungskriteriumWie weit das Bindemittel vor der Härtung schon aufgebaut ist – nicht der Reaktionstyp und nicht der Härter.
Warum das eine Eins verdientZu jedem Weg werden Prinzip, ein Stoffbeispiel und die Folge für Festkörper und Dosierung genannt. Die Zuordnung folgt dem Aufbau des Bindemittels vor der Härtung, nicht dem Reaktionstyp.
Verständnis10 Punkte

3. Ein 2K-PUR-Lack ist vor dem Mischen lagerstabil, nach dem Mischen aber nur begrenzt verarbeitbar. Erklären Sie den Unterschied und nennen Sie zwei Faktoren, die die Topfzeit beeinflussen. Bewerten Sie außerdem kurz, warum eine höhere Reaktionstemperatur die Topfzeit verändert.

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Vor dem MischenDie reaktiven Komponenten sind getrennt; die Reaktion zwischen Polyol und Polyisocyanat kann daher nicht ablaufen.
Nach dem MischenDie Reaktionspartner stehen gemeinsam zur Verfügung, sodass die Vernetzung beginnt und die Viskosität mit der Zeit ansteigen kann.
Einflussfaktoren auf die TopfzeitTemperatur, Katalysierung, Konzentration und Reaktivität der Komponenten, das NCO/OH-Verhältnis – und Feuchtigkeit im Ansatz, etwa aus Lösemitteln, Pigmenten oder Füllstoffen, weil Wasser mit Isocyanatgruppen reagiert.
Wirkung höherer TemperaturHöhere Temperatur beschleunigt die Reaktion typischerweise und verkürzt dadurch die Topfzeit.
Warum das eine Eins verdientDie Antwort erklärt den Unterschied über die Trennung der Reaktionspartner, nennt zwei Einflussfaktoren auf die Topfzeit und begründet die Temperaturwirkung über die beschleunigte Reaktion.
Berechnung9 Punkte

4. Ein 2K-PUR-System besteht aus 500 g Polyol mit 4,5 % OH und einem Härter mit 22 % NCO. Berechnen Sie die Härtermasse a) für ein NCO/OH-Verhältnis von 1,0 und b) für ein NCO/OH-Verhältnis von 1,1.

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Gegebenm(Polyol) = 500 g; 4,5 % OH; 22 % NCO
ÄquivalenteOH-Äquivalent = 1 700 / 4,5 = 378 g Polyol je mol OH; NCO-Äquivalent = 4 200 / 22 = 191 g Härter je mol NCO
Isocyanat-Grundwert42 · 100 · 4,5 / (17 · 22) = 50,5 g Härter je 100 g Polyol
a) NCO/OH = 1,0m(Härter) = 5 · 50,5 g = 253 g
b) NCO/OH = 1,1m(Härter) = 253 g · 1,1 = 278 g
AntwortsatzFür das stöchiometrische Verhältnis werden 253 g Härter benötigt, bei 10 % NCO-Überschuss 278 g.
Warum das eine Eins verdientDer Rechenweg führt über die beiden Äquivalente bzw. den Isocyanat-Grundwert; das NCO/OH-Verhältnis geht als Faktor ein. Teil b zeigt, dass ein Überschuss gezielt gewählt wird – eine pauschale Aussage „mehr NCO sorgt immer für vollständige Härtung“ wäre nicht korrekt.

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