Gesättigte Polyester — Vernetzung und Anwendung

Warum vernetzt werden muss

Weil der gesättigte Polyester keine trocknenden Doppelbindungen trägt, entsteht der feste Film nicht von selbst, sondern erst durch Reaktion seiner Endgruppen mit einem Vernetzer (chemische Härtung, siehe L-03). Ob hydroxy- oder carboxyfunktionell, entscheidet, welcher Vernetzer passt. Der Vernetzer ist dabei mehrfunktionell und verknüpft viele Polyesterketten zu einem Netzwerk — daraus kommen Härte, Haftung und Chemikalienbeständigkeit des Films.

Hydroxyfunktionelle Polyester

Sie vernetzen mit Aminoharzen (Melamin- oder Benzoguanaminharz) oder mit Polyisocyanaten. Beim Einbrennen reagieren die OH-Gruppen des Polyesters mit den reaktiven Gruppen des Aminoharzes, meist säurekatalysiert. Bei der Transetherifizierung werden dabei vor allem niedermolekulare Alkohole abgespalten; gehärtet wird durch Einbrennen (siehe L-30) oder mit Säurekatalyse bei Raumtemperatur forciert (siehe L-122). Mit Isocyanaten reagieren die OH-Gruppen zu Urethanbindungen — mit geblockten Isocyanaten einkomponentig und erst in der Hitze härtend, mit freien Isocyanaten als Zweikomponentenlack (siehe L-03).

Carboxyfunktionelle (saure) Polyester

Sie vernetzen mit Epoxidharzen oder mit Triglycidylisocyanurat (TGIC); die Carboxylgruppen öffnen dabei die Epoxidringe des Vernetzers. Diese Kombination ist vor allem für Pulverlacke wichtig, wo fester saurer Polyester und fester Epoxid-Vernetzer in der Schmelze gemischt und dann eingebrannt werden. TGIC ist als mutagen (erbgutverändernd) eingestuft; beim Arbeiten mit TGIC-haltigen Materialien sind Staubexposition und Haut-/Augenkontakt zu vermeiden — Sicherheitsdatenblatt, aktuelle betriebliche Gefahrstoffvorgaben und persönliche Schutzausrüstung sind maßgeblich. Zunehmend werden deshalb TGIC-freie Härter eingesetzt: β-Hydroxyalkylamide (Primid-Typen).

β-Hydroxyalkylamide (Primid-Typen)

Ein tetrafunktionelles β-Hydroxyalkylamid wie N,N,N′,N′-Tetrakis(2-hydroxyethyl)adipamid trägt vier reaktive Hydroxylgruppen und kann dadurch mehrere Polyesterketten gleichzeitig verknüpfen:

(HO–CH₂–CH₂)₂N–CO–(CH₂)₄–CO–N(CH₂–CH₂–OH)₂

Mit dem carboxyfunktionellen Polyester reagiert es unter Esterbildung:
Polyester–COOH + HO–R–N(…) → Polyester–COO–R–N(…) + H₂O

Anders als bei der Epoxid/TGIC-Vernetzung entsteht hier Wasser als Kondensationsprodukt.

Was beim β-Hydroxyalkylamid mit dem Wasser passiert

Das bei der Kondensationsreaktion freigesetzte Wasser muss während der Einbrennhärtung als Wasserdampf aus dem noch nicht vollständig erstarrten Film entweichen. Reaktionsgeschwindigkeit, Einbrenntemperatur, Schichtdicke und Formulierung müssen dafür zusammenpassen. Kann das Wasser nicht ausreichend entweichen, drohen Blasen, Poren oder andere Filmstörungen — besonders bei höheren Schichtdicken oder ungünstiger Härtungsführung ist die Entgasung deshalb ein wichtiger praktischer Punkt bei diesem Vernetzertyp.

Wasserverdünnbare Typen

Carboxyfunktionelle Polyester lassen sich — wie die sauren Alkyde (siehe L-17) — mit Amin oder Ammoniak neutralisieren und werden dadurch wasserverdünnbar. So entstehen emissionsarme Wasserlacke (siehe L-70, L-168).

Chemie kompakt

Herstellung:
  Diol + Dicarbonsäure → Polyester + H₂O

OH-Polyester + Aminoharz:
  Polyester–OH + Aminoharz–OR → Polyester–O–Aminoharz + ROH

OH-Polyester + Isocyanat:
  R–OH + R′–NCO → R–O–CO–NH–R′   (Urethanbindung)

COOH-Polyester + Epoxid:
  R–COOH + Epoxid → R–COO–CH₂–CH(OH)–R′   (β-Hydroxyester, Ringöffnung wie in L-18)

Anwendung nach Typ

• Lineare hochmolekulare Typen mit Aminoharz — Coil- und Can-Coating, Verpackungen, Druckfarben. Typische Lösemittel: Xylol, Butanol, Butylglykol.
• Niedermolekulare Typen mit Aminoharz oder Isocyanat — Automobil- und Industrielacke. Typische Lösemittel: Xylol, Butylacetat, teils Methoxypropylacetat.
• Verzweigte saure Typen mit Epoxid/TGIC — Pulverlacke. Hier kein Lösemittel: Pulverlacke sind ein 100%-System, Harz und Vernetzer werden in der Schmelze gemischt (siehe L-94).

(Zuordnung als Richtwert.)

Merksatz