Der Lacklaborant Lernwerk

Alle Tafeln › Kapitel 9 · Anwendungen: Objektlackierung

L-122

Säurehärtende Lacke (SH-Lacke)

Der Klassiker der Holz- und Möbelfinishlackierung — säurekatalysiert bei Raumtemperatur

WahlqualifikationB 5 · B 1

KernaussageSH-Lacke vernetzen einen hydroxylhaltigen Filmbildner mit einem Aminoharz — bei Raumtemperatur säurekatalysiert, unter Abspaltung von Methanol und/oder Wasser. Säurehärtende Lacke sind ein wichtiges und seit Jahrzehnten etabliertes System für Möbel-, Türen- und Treppenlackierungen; ihr Kernthema ist die Formaldehydemission.

Etabliertes System im Holzfinish

Klassische säurehärtende Lacke werden als Stammlack mit saurer Härterkomponente formuliert; konkrete Systeme und Handelsformen variieren je Hersteller. Sie überzeugen durch sehr gute Chemikalien- und mechanische Beständigkeit und erfüllen die Anforderungen an Möbeloberflächen (siehe L-123). Anders als Melamin-Einbrennlacke (siehe L-32), die dieselbe Chemie erst bei hoher Temperatur nutzen, härten sie bei Raumtemperatur — das macht sie zur bevorzugten Wahl überall dort, wo keine Öfen möglich sind.

Aufbau und Vernetzung

Filmbildner sind hydroxylgruppenhaltige Polyester, Polyether oder wässrige Acrylatdispersionen; ihr Reaktionspartner ist ein Aminoharz — klassisch ein Harnstoffharz, häufig auch ein Melaminharz. Beim Härten vernetzen die Hydroxylgruppen des Filmbildners mit den Methylol- beziehungsweise Methoxymethylgruppen des Aminoharzes in einer säurekatalysierten Polykondensation. Veretherte Methylolgruppen reagieren dabei typischerweise unter Abspaltung von Methanol; freie Methylolgruppen können stattdessen unter Wasserabspaltung kondensieren — welcher Weg überwiegt, hängt vom Aminoharz und der Formulierung ab. Das jeweilige Abspaltprodukt muss aus dem Film entweichen können.

Der saure Härter

Als Katalysator dient eine starke Säure, meist para-Toluolsulfonsäure (p-TSA). Der Mechanismus: Die p-TSA protoniert die Methylolgruppen (–CH₂–OH) bzw. Methoxymethylgruppen (–CH₂–OCH₃) des Aminoharzes. Dadurch entsteht eine aktivierte Abgangsgruppe (–OH₂⁺ bzw. –OCH₃H⁺), die leicht abgespalten wird — das Kohlenstoffatom wird elektrophil und reagiert mit einer OH-Gruppe des Filmbildners. Ohne Säure ist das Aminoharz bei Raumtemperatur stabil; erst die Protonenquelle senkt die Aktivierungsenergie so weit, dass die Kondensation bei RT abläuft. Deshalb hat der angesetzte Lack eine begrenzte Topfzeit — nach dem Mischen läuft die Vernetzung unaufhaltsam ab. Das Mischungsverhältnis Stammlack zu Härter wird vom konkreten Bindemittel-/Aminoharzsystem und der Säurekonzentration vorgegeben; typische Produkte besitzen definierte Herstellerangaben.

Formaldehyd — das Kernthema

Bei der Kondensation kann Formaldehyd frei werden — ein Stoff, der nach CLP als akut giftig auch beim Einatmen (H331), hautätzend (H314), hautsensibilisierend (H317), vermutlich keimzellmutagen (Kat. 2, H341) und krebserzeugend (Kat. 1B, H350) eingestuft ist; der Arbeitsplatzgrenzwert nach TRGS 900 beträgt 0,3 ml/m³ (0,37 mg/m³) mit Überschreitungsfaktor 2. Deshalb sind Exposition am Arbeitsplatz und Abgabe aus dem fertigen Bauteil streng geregelt. Um die Emission zu senken, setzt man Fänger zu — Verbindungen mit freien Aminogruppen (–NH₂): Harnstoff und Melamin durch ihre Amino-Substituenten, Kasein (ein Milchprotein) über Lysin-Seitenketten. Diese –NH₂-Gruppen reagieren mit freiem Formaldehyd (HCHO) in einer Additionsreaktion: R–NH₂ + HCHO → R–NH–CH₂OH (N-Methylolverbindung, chemisch ein Halbaminal). Die Methylolverbindung kann weiter zur Methylenbrücke kondensieren. Das Formaldehyd ist damit chemisch gebunden; die Gleichgewichtslage liegt unter Normalbedingungen weit auf der Produktseite. Die Bindung ist jedoch reversibel: Wärme, Feuchte und der im Film verbleibende saure Katalysator können Formaldehyd über Monate wieder freisetzen — Fänger senken die Emission, sie beenden sie nicht. Harnstoff ist am günstigsten und weit verbreitet; Melamin reagiert vollständiger; Kasein (teuer) wird in sensiblen Anwendungen wie Kinderspielzeug und Innenräumen eingesetzt. Die zulässige Formaldehydabgabe von Holzwerkstoffen ist in Deutschland über die Chemikalien-Verbotsverordnung geregelt: Seit dem 1. Januar 2020 gilt als Referenzverfahren die Prüfkammermessung nach DIN EN 16516 mit einem Grenzwert von 0,1 ppm (124 µg/m³). Das ältere Gasanalyse-Verfahren nach DIN EN ISO 12460-3 (vormals EN 717-2, Richtwert rund 3,5 mg je Stunde und Quadratmeter) ist ein abgeleitetes Verfahren und dient nur noch der werkseigenen Produktionskontrolle. Das Formaldehyd-Management ist der kritische Punkt jeder SH-Rezeptur.

Wässrige SH-Lacke und Einordnung

Seit den 1970er-Jahren gibt es wässrige SH-Lacke; wässrige SH-Systeme sind in Europa etabliert und können den Lösemittelanteil deutlich reduzieren; Marktanteile sind abhängig von Anwendung und Region. Insgesamt bieten SH-Lacke ein sehr hohes Beständigkeitsniveau bei niedrigen Kosten; ihre Nachteile sind die Formaldehydthematik und — bei lösemittelhaltigen Typen — der VOC-Gehalt (siehe L-168).

Applikation und Schichtdicken

Verarbeitungstemperatur 18–23 °C, Luftfeuchte über etwa 40 % r. F. — beides sind systemspezifische Praxiswerte. Maßgeblich sind Bindemittelsystem, Katalysator, Rezeptur und die Herstellerangaben; sehr trockene Raumluft kann die Härtung und die Filmbildung ungünstig beeinflussen. Lösemittelhaltig: Druckluftspritzung DIN 4, Auslaufzeit 20–30 s; 60–80 µm Nassfilm je Lage; 2–3 Lagen; Gesamttrockenschichtdicke etwa 50–90 µm bei 30–40 % Festkörper; Topfzeit je nach System 4–8 h. Wässrige Systeme: HVLP- oder Druckluftpistole, ähnliche Nassfilmdicken, aber längere Ablüftzeiten zwischen den Lagen (Wasser muss entweichen). Schliff: Zwischenschliff zwischen den Lagen P220–P280, Feinschliff der letzten Lage P320–P400. Soll auf Hochglanz poliert werden, wird die ausgehärtete Oberfläche vorher stufenweise nass bis P1000–P3000 geschliffen und erst dann poliert.

Merksatz

SH-Lack = hydroxylhaltiger Filmbildner plus Aminoharz (Harnstoff-/Melaminharz), bei Raumtemperatur mit Säure vernetzt (Kondensation; je nach Aminoharz werden Methanol und/oder Wasser frei). Seit Jahrzehnten etabliert im Holzfinish — mit dem Formaldehyd-Management als Kernaufgabe.

SH-LacksäurehärtendHolzlackMöbellackMelaminharzAminoharzPolykondensationpara-ToluolsulfonsäureFormaldehydChemikalien-VerbotsverordnungDIN EN 16516DIN EN ISO 12460-3TopfzeitStammlack
Quellen
  • Brock/Groteklaes/Mischke, Lehrbuch der Lacktechnologie
  • Müller/Poth, Lackformulierung und Lackrezeptur
  • DIN EN ISO 12460-3
  • DIN EN 16516

Übungsblatt Ü-122

Prüfen, ob es sitzt.

Verständnis8 Punkte

1. Beschreiben Sie Aufbau und Vernetzung eines säurehärtenden Lacks und erklären Sie, warum der angesetzte Lack nur eine begrenzte Topfzeit hat.

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AufbauEin Stammlack aus hydroxylgruppenhaltigem Filmbildner (Polyester, Polyether oder wässrige Acrylatdispersion) und einem Aminoharz — klassisch ein Harnstoffharz, häufig auch ein Melaminharz —, dazu eine saure Härterkomponente.
VernetzungDie Hydroxylgruppen des Filmbildners vernetzen mit den Methylol-/Methoxymethylgruppen des Aminoharzes in einer säurekatalysierten Polykondensation; dabei werden je nach Aminoharz Methanol und/oder Wasser abgespalten.
TopfzeitErst die Zugabe der Säure (meist para-Toluolsulfonsäure) startet die Reaktion. Da die Vernetzung ab dann fortlaufend abläuft, steigt die Viskosität an und der Lack ist nur begrenzt verarbeitbar.
AbgrenzungDie Härtung geschieht bei Raumtemperatur — im Unterschied zu Melamin-Einbrennlacken, die dieselbe Chemie erst bei hoher Temperatur nutzen.
Warum das eine Eins verdientDie Antwort nennt die drei Bestandteile (hydroxylhaltiger Filmbildner, Aminoharz, saurer Härter), beschreibt die säurekatalysierte Polykondensation mit dem Abspaltprodukt, begründet die Topfzeit ursächlich über den Start durch den sauren Härter und grenzt die Raumtemperatur-Härtung gegen den Melamin-Einbrennlack ab.
Berechnung8 Punkte

2. Ein SH-Stammlack wird mit 8 % Härter, bezogen auf die Stammlackmenge, angesetzt. Berechnen Sie die Härtermenge und die Gesamtmasse für 2,5 kg Stammlack.

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GegebenStammlack 2,5 kg; Härterzugabe 8 % (bezogen auf Stammlack)
Härtermengem(Härter) = 2,5 kg · 0,08 = 0,20 kg = 200 g
Gesamtmassem(gesamt) = 2,5 kg + 0,20 kg = 2,70 kg
AntwortsatzZu 2,5 kg Stammlack werden 200 g Härter gegeben; der Ansatz wiegt 2,70 kg und muss innerhalb der Topfzeit verarbeitet werden.
Warum das eine Eins verdientProzentbezug auf die richtige Größe (Stammlack) und sauberer Antwortsatz mit Hinweis auf die Topfzeit.
Anwendung7 Punkte

3. Eine Möbelwerkstatt klagt bei einem lösemittelhaltigen SH-Lack über die Formaldehydemission der fertigen Oberflächen. Erklären Sie die Ursache und nennen Sie zwei Ansätze zur Abhilfe.

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UrsacheBei der säurekatalysierten Kondensation des Melaminharzes kann Formaldehyd frei werden und aus dem Film ausgasen.
Abhilfe 1Formaldehydfänger wie Harnstoff, Melamin oder Kasein in die Rezeptur aufnehmen.
Abhilfe 2Auf einen formaldehydarm eingestellten oder wässrigen SH-Lack umstellen und die Emission kontrollieren — als Referenz die Prüfkammermessung nach DIN EN 16516 (Grenzwert 0,1 ppm), für die laufende Produktionskontrolle die Gasanalyse nach DIN EN ISO 12460-3.
Warum das eine Eins verdientDie Antwort führt die Emission auf die Kondensationsreaktion zurück und nennt sowohl einen rezepturseitigen (Fänger) als auch einen systemseitigen Lösungsweg.

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