Gesättigte Polyester — Aufbau und Eigenschaften

Was ihn vom Alkyd unterscheidet

Ein gesättigter, in der Lackpraxis meist ölfreier Polyester ist wie das Alkyd ein Polyester aus mehrwertigem Alkohol und mehrbasiger Säure — aber ohne Fettsäuren. Ihm fehlen also die trocknenden Doppelbindungen, die das Alkyd oxidativ härten lassen (siehe L-16). Er trocknet nicht von selbst und muss chemisch vernetzt werden (siehe L-20).

Fachlich wichtig: „Gesättigt“ bedeutet hier nicht, dass das gesamte Molekül keinerlei Doppelbindungen besitzt. Aromatische Bausteine wie Phthalsäure tragen weiterhin die π-Bindungen ihres Benzolrings. Gemeint ist ausschließlich die fehlende oxidativ reaktive Ungesättigtheit, wie sie Fettsäurereste hätten — Aromaten reagieren unter normalen Lackbedingungen nicht mit Luftsauerstoff.

Die Bausteine

• Diole — Ethylenglykol, 1,2-Propylenglykol, Neopentylglykol, 1,6-Hexandiol.
• Höherwertige Alkohole für Verzweigung — Trimethylolpropan (dreiwertig) und Pentaerythrit (vierwertig).
• Säuren — Phthalsäureanhydrid, Isophthalsäure, Adipinsäure, Hexahydrophthalsäureanhydrid. Ein Anhydrid reagiert mit einer Hydroxylgruppe zunächst unter Ringöffnung zum Halbester — das ist chemisch nicht dasselbe wie die direkte Veresterung einer Dicarbonsäure unter Wasserabspaltung (siehe L-16), auch wenn beide Wege am Ende zum Polyestergerüst führen.

Hart oder weich

Die Bausteinwahl stellt das Eigenschaftsprofil ein: Aromatische Säuren (Phthalsäure, Isophthalsäure) und cycloaliphatische Säuren (Hexahydrophthalsäureanhydrid) sowie kurzkettige Diole (Ethylenglykol, Neopentylglykol) und verzweigende höherwertige Alkohole (Trimethylolpropan, Pentaerythrit) machen hart und beständig. Längerkettige aliphatische Säuren wie Adipinsäure und längerkettige Diole machen weich und flexibel. Über die Mischung dieser Bausteine lässt sich das Harz stufenlos zwischen hart und flexibel einstellen.

Linear oder verzweigt, Molmasse

Aus Diolen und Disäuren entstehen fadenförmige, lineare Typen; höherwertige Alkohole (Triole und höher) bringen Verzweigung. Niedermolekulare Typen (etwa 1 000 bis 7 000 g/mol) brauchen viel Vernetzer; höhermolekulare Typen — bei linearen Coil-Coating-Polyestern bis etwa 30 000 g/mol — haben einen größeren physikalisch trocknenden Anteil und brauchen entsprechend weniger. Wird eine der beiden Reaktivgruppen — OH oder COOH — im Überschuss eingesetzt, begrenzt das die erreichbare Molmasse, weil die Kettenenden abgesättigt werden.

Hydroxy- oder carboxyfunktionell

Je nachdem, welche Gruppe im Überschuss ist, endet der Polyester hydroxyfunktionell (OH-terminiert) oder carboxyfunktionell (sauer, COOH-terminiert). Diese Endgruppen sind die Reaktionsstellen der späteren Vernetzung und entscheiden über den passenden Vernetzungspartner und damit auch über das typische Lösemittel (siehe L-20).

OH-Zahl und OH-Äquivalentmasse

Die OH-Zahl gibt an, wie viele Milligramm Kaliumhydroxid (KOH) rechnerisch der Menge an OH-Gruppen in 1 g Harz entsprechen — eine Kennzahl für den Gehalt an reaktiven Hydroxylgruppen. Die OH-Äquivalentmasse ist die dazu passende Harzmasse, die genau 1 Äquivalent (1 mol) OH-Gruppen enthält:

OH-Äquivalentmasse = 56 100 / OH-Zahl

Die 56 100 ergibt sich aus der molaren Masse von KOH (56,1 g/mol), umgerechnet von g auf mg und bezogen auf 1 g Harz.

Beispiel: OH-Zahl = 150 mg KOH/g → OH-Äquivalentmasse = 56 100 / 150 = 374 g/Äq. Das heißt: 374 g dieses Harzes enthalten rechnerisch 1 mol reaktive OH-Gruppen. Je höher die OH-Zahl, desto kleiner die Äquivalentmasse — bei 300 mg KOH/g wären es nur noch 187 g/Äq. Die OH-Äquivalentmasse wird gebraucht, um die Menge eines OH-reaktiven Vernetzers stöchiometrisch zu berechnen (siehe L-27) — sie verbindet die Kennzahl direkt mit der Rezeptur.

Reaktionsgleichung: Aufbau (Polykondensation)

Diol + Dicarbonsäure → Polyester + Wasser:
  n HO–R–OH + n HOOC–R′–COOH →
  [–O–R–O–CO–R′–CO–]ₙ + 2n H₂O

Die Endgruppen steuern die spätere Vernetzung:
  OH-Überschuss → hydroxyfunktioneller Polyester
  COOH-Überschuss → carboxyfunktioneller Polyester

Wo er eingesetzt wird

Weil er nicht von selbst trocknet, wird der gesättigte Polyester häufig als reaktiver Filmbildner eingesetzt, der über geeignete Vernetzer chemisch gehärtet wird — und weil er ohne Fettsäuren auskommt, vergilbt und verseift er weit weniger als das Alkyd:

• Coil Coating — mit Melaminharz eingebrannt. Der Film muss das Nachverformen des beschichteten Bands aushalten, und genau diese Kombination aus Härte und Dehnbarkeit lässt sich über die Bausteine einstellen (siehe L-102, L-32).
• Pulverlacke — gesättigte Polyester gehören zu den wichtigsten Bindemittelklassen für Pulverlacke: carboxyfunktionell mit Hydroxyalkylamid (Primid) für außen — das früher übliche TGIC ist als erbgutverändernd eingestuft und in Europa weitgehend ersetzt worden (siehe L-95); zusammen mit Epoxidharz als Hybrid für innen (siehe L-94).
• Industrie- und Geräteeinbrennlacke — Haushaltsgeräte, Möbelbeschläge, Metallmöbel.
• 2K-PUR — der hydroxyfunktionelle Typ mit Polyisocyanat: chemikalienbeständig und gut wetterbeständig, üblich bei Nutzfahrzeug- und Industrielackierung; für höchste Bewitterungsansprüche werden reine Acrylatharze bevorzugt (siehe L-27).
• Verpackungs- und Emballagenlacke — geschmacks- und geruchsneutral, weil keine Fettsäuren vorhanden sind, die ranzig werden können (siehe L-110).

Merksatz