Emissionsminderung und Umweltschutz

Ausgangslage

Lacke haben in der öffentlichen Meinung häufig ein negatives Image, weil schützende und dekorative Beschichtungen in der Vergangenheit meist lösemittelhaltig appliziert wurden. Für Anlagen oberhalb bestimmter Lösemittel-Verbrauchsschwellen ist eine Minderung der Lösemittelemissionen vorgeschrieben — nach der 31. BImSchV unabhängig davon, ob die Anlage genehmigungsbedürftig ist, für genehmigungsbedürftige Anlagen gilt daneben die TA Luft, im VOC-Bereich geht die 31. BImSchV ihr aber vor (siehe L-111); darüber hinaus ist sie ein aktiver Beitrag zum Umweltschutz.

Drei Wege bei der Formulierung

• High-Solid-Lacke — hoher nichtflüchtiger Anteil und damit geringer Lösemittelanteil, z. B. der unten beschriebene High-Solid-2K-PU-Klarlack mit rund 65 Masse-%. Für den Begriff gibt es keine genormte Definition: Die Richtlinie VdL-RL 08 regelt nur, wie Festkörper (Masseanteil nach DIN EN ISO 3251) und Festkörpervolumen (Volumenanteil nach DIN EN ISO 3233) zu ermitteln sind, nicht ab welchem Wert ein Lack High Solid heißt. Als Faustwert gilt im Industrie- und Korrosionsschutzlack ein nichtflüchtiger Anteil ab etwa 70 Masse-% (Ultra-High-Solid ab etwa 78 %); in der Automobil-Serienlackierung wird die Schwelle schon bei etwa 55 % nfA gezogen, in der Fahrzeug-Reparaturlackierung bei 45 bis 50 % der spritzfertigen Mischung. Beim Vergleich zweier Angaben immer drei Dinge mitprüfen: Masse-% oder Volumen-%, Lieferzustand oder spritzfertig verdünnt, und aus welchem Marktsegment die Zahl stammt.
• Ersatz organischer Lösemittel durch Wasser — Wasserlacke und Dispersionsfarben.
• Lösemittelfreie Lacke — lösemittelfreie 2K-Systeme, strahlungshärtende Beschichtungen, Pulverlacke.

Zusätzlich bei der Applikation

Über die Formulierung hinaus lässt sich die Emission durch Verfahren mit höherem Auftragswirkungsgrad senken, etwa durch elektrostatische Lackapplikation, oder durch nachgeschaltete Lösemitteladsorption. Für den Materialbedarf gilt: Theoretische Ergiebigkeit A = 10 · VFK / TSD (A in m²/l, VFK = Volumenfestkörper in %, TSD = Trockenschichtdicke in µm); praktischer Bedarf = theoretischer Bedarf / Auftragswirkungsgrad — Verluste durch Overspray erhöhen den Bedarf.

Gesetzliche VOC-Grenzwerte

Zwei Regelungsebenen greifen ineinander. Anlagenseitig begrenzen die 31. BImSchV und die TA Luft die Lösemittelemission größerer Verarbeitungsbetriebe. Produktseitig deckelt die ChemVOCFarbV — die deutsche Umsetzung der EU-Decopaint-Richtlinie 2004/42/EG — den VOC-Gehalt dekorativer Bau-, Holz- und Metallbeschichtungen sowie von Fahrzeugreparaturlacken schon beim Inverkehrbringen. Zwölf Produktkategorien werden getrennt nach Wasserbasis (Wb) und Lösemittelbasis (Lb) geführt; die verschärfte Stufe II gilt seit 2010, angegeben in Gramm VOC je Liter gebrauchsfertiges Produkt. Beispiele: eine matte Innenwandfarbe auf Wasserbasis höchstens 30 g/l, ein lösemittelbasierter Holz- und Metalllack 300 g/l, ein Zweikomponenten-Speziallack bis 500 g/l. Für die jeweils erfassten Produkte gelten die Kennzeichnungs- und Informationspflichten der einschlägigen Vorschriften; konkrete Angaben richten sich nach Produktkategorie und Rechtslage.

Korrosionsschutz als Umweltschutzmaßnahme

Die zweite umweltschützende Wirkung von Beschichtungen ist auf den ersten Blick nicht sichtbar. Die atmosphärische Korrosion von Eisen kehrt im Grunde seine Herstellung um: Beim Hochofenprozess werden Eisenerz und Koks verbraucht und Kohlendioxid emittiert. Korrosionsschutz verlängert die Nutzungsdauer korrosionsanfälliger Werkstoffe, schont damit Rohstoff- und Energieressourcen und entlastet die Umwelt.

Eindrucksvoll wird das am Verhältnis: Der Lackverbrauch eines Fahrzeugs hängt von Aufbau, Schichtdicken, Applikationsverfahren und Verlusten ab; als Größenordnung gilt: Bei einem rund 1000 kg schweren Auto liegt er oft bei etwa 15 bis 25 kg. Eine so vergleichsweise geringe Materialmenge kann dabei eine deutliche Erhöhung der Nutzungsdauer bewirken.

Ganzheitliche Betrachtung

Für die ökologische Bewertung eines Lacksystems müssen alle Fertigungsschritte einbezogen werden: Ressourcenaufbereitung wie die Erdölgewinnung, Herstellung chemischer Grundstoffe und Zwischenprodukte, Herstellung der Lackrohstoffe, Lackherstellung, Applikation und Filmbildung, Nutzung sowie schließlich Entsorgung beziehungsweise Recycling der beschichteten Objekte. Ein Lack, der bei der Herstellung mehr Ressourcen kostet, kann sich über eine sehr lange Schutzdauer trotzdem lohnen.

Rohstoffbeispiel: ein flüchtiges Lösemittel ersetzen

In einem lösemittelhaltigen Alkydlack soll ein Teil des schnell verdunstenden Lösemittels — etwa ein leichtflüchtiger Ester — durch ein langsameres, höhersiedendes Lösemittel ersetzt werden, um den VOC-Beitrag je Liter zu senken. Der Austausch verändert aber nicht nur die Zahl im Datenblatt. Die Verdunstungskurve verschiebt sich, der Nassfilm bleibt länger offen, Ablüft- und Trocknungszeit steigen, und mit ihnen ändern sich Verlauf, Läuferneigung und die Zwischenhaftung beim Überlackieren. Ein Lacklaborant bewertet einen solchen Austausch deshalb immer an drei Punkten gleichzeitig: Verdunstungsverhalten (Ablüftzeit, Klebfreizeit, Staubtrockenzeit), Filmbildung (Verlauf, Läufer, Trübung, Blasen) und fertige Oberfläche (Glanz, Haftung, Härteentwicklung). Erst wenn diese drei stimmen, ist die VOC-Minderung praktisch nutzbar.

Fertiglack-Beispiel: VOC-Minderung an einem 2K-PU-Klarlack

Ein konventioneller 2K-PU-Klarlack (Acrylatpolyol plus HDI-Polyisocyanat, Spritzapplikation, Trockenschichtdicke typisch 40 bis 60 µm) soll auf eine High-Solid-Variante umgestellt werden. Der Festkörper steigt von rund 45 auf etwa 65 Masse-%, der VOC-Gehalt sinkt entsprechend. Damit ist die Aufgabe jedoch nicht gelöst, denn mit dem Festkörper steigt die Viskosität: Die Spritzviskosität muss weiterhin im üblichen Fenster liegen — für dieses System etwa 18 bis 25 s, gemessen im DIN-4-Becher nach der zurückgezogenen DIN 53211 bei 20 °C —, sonst zerstäubt der Lack nicht sauber. Der Wert gilt nur für diesen Becher bei dieser Temperatur; DIN-4- und ISO-4-Zeiten lassen sich nicht ineinander umrechnen (siehe L-146, L-178). Erreicht wird das über niedrigviskose Polyole mit engerer Molmassenverteilung, nicht über mehr Lösemittel — sonst wäre der Effekt sofort wieder aufgezehrt. Zu prüfen sind danach Spritzbild und Zerstäubung, Verlauf und Läuferneigung bei gleicher Schichtdicke, Ablüft- und Trocknungsverhalten, die Topfzeit sowie Endhärte und Chemikalienbeständigkeit des Films. Eine VOC-Minderung ist erst dann eine echte Verbesserung, wenn das gesamte Eigenschaftsprofil erhalten bleibt.

Merksatz