Alle Tafeln › Kapitel 2 · Bindemittel und Lacktypen
L-25
2K-Polyurethanlacke — Die Isocyanatreaktion
NCO trifft OH — und die Nebenreaktion mit Wasser
Prüfungsteil 1A 8.3 · B 12
Die Grundreaktion
Ein Zweikomponenten-Polyurethanlack besteht aus einem OH-haltigen Bindemittel (Stammlack) und einem Isocyanat-Härter. Beim Mischen reagiert die Isocyanatgruppe (–N=C=O) mit der OH-Gruppe zu einer Urethanbindung. Es verknüpfen sich viele Ketten zu einem Netzwerk — daraus kommen Härte, Beständigkeit und Haftung (siehe L-03, L-20). Wie viele OH-Gruppen das Bindemittel trägt, sagt seine OH-Zahl (mg KOH je g Bindemittel, siehe L-27): n(OH) = OH-Zahl · Masse / 56 100 — daraus folgt der stöchiometrische Härterbedarf.
Reaktionsgeschwindigkeit
Wie schnell die Reaktion läuft, hängt von Temperatur und Isocyanattyp ab: Aromatische Isocyanate reagieren deutlich schneller als (cyclo)aliphatische. Beschleunigen lässt sich die Härtung mit Katalysatoren — Zinnverbindungen wie Dibutylzinndilaurat (DBTL) oder tertiäre Amine wie DABCO. Organozinn-Verbindungen wie DBTL sind allerdings REACH-beschränkt; zunehmend werden zinnfreie Katalysatoren (z. B. auf Bismut- oder Zinkbasis) eingesetzt. Den Geschwindigkeitsunterschied nutzt man gezielt bei der Wahl des Härters (siehe L-26).
Die Nebenreaktion mit Wasser
Isocyanat reagiert auch mit Wasser: Es entsteht zunächst eine instabile Carbamidsäure, die zu einem Amin und Kohlendioxid zerfällt; das Amin reagiert mit weiterem Isocyanat zu Harnstoff. Im 2K-Lack ist das ein Verlust — das freigesetzte CO₂ kann außerdem Blasen verursachen. Deshalb müssen Rohstoffe und Anlage trocken sein. Dieselbe Reaktion nutzt man umgekehrt gezielt bei einkomponentigen, feuchtigkeitshärtenden PUR-Lacken, die mit der Luftfeuchte aushärten.
Topfzeit beachten
Nach dem Zusammengeben der beiden Komponenten läuft die Vernetzung sofort an; die Viskosität steigt. Die Zeit, in der sich der Lack noch verarbeiten lässt, ist die Topfzeit. Es darf nur so viel angemischt werden, wie sich in dieser Zeit verarbeiten lässt.
Warum 2K-PUR so beliebt ist
2K-Polyurethanlacke härten schon bei Raumtemperatur zu sehr widerstandsfähigen Filmen: hart und zugleich elastisch, gut haftend, chemikalien- und abriebbeständig; wetter- und vergilbungsbeständig sind sie allerdings nur mit aliphatischen oder cycloaliphatischen Härtern (siehe L-26). Sie sind deshalb Standard für hochwertige Industrie-, Holz- und Reparaturlacke. Verarbeitet werden sie meist in Butylacetat, Xylol oder Methoxypropylacetat — diese Lösemittel tragen selbst keine OH- oder NH-Gruppen und reagieren deshalb nicht mit dem Isocyanat-Härter.
Reaktionsgleichung: Urethanbildung (Polyaddition)
R–N=C=O + HO–R′ → R–NH–CO–O–R′ Isocyanat + Alkohol → Urethan (kein Abspaltprodukt) Nebenreaktion mit Wasser (Blasenbildung): R–N=C=O + H₂O → R–NH₂ + CO₂↑; das Amin reagiert mit weiterem Isocyanat zum Harnstoff.
Merksatz
NCO + OH ergibt Urethan; NCO + Wasser ergibt Harnstoff und CO₂. Die erste Reaktion ist erwünscht, die zweite ein Verlust — und nach dem Mischen tickt die Topfzeit.
- Müller/Poth, Lackformulierung und Lackrezeptur
- Brock/Groteklaes/Mischke, Lehrbuch der Lacktechnologie
Übungsblatt Ü-25
Prüfen, ob es sitzt.
1. Beschreiben Sie die erwünschte Reaktion in einem 2K-PUR-Lack und die Nebenreaktion mit Wasser. Welche Folgen hat die Nebenreaktion?
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2. 100 g eines OH-Bindemittels mit der OH-Zahl 150 mg KOH/g sollen stöchiometrisch (NCO : OH = 1 : 1) mit einem Härter von 21 % NCO-Gehalt vernetzt werden. Wie viel Härter wird benötigt? (M(NCO) = 42,02 g/mol; M(KOH) = 56,1 g/mol)
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3. Ein Lackierer mischt eine große Menge 2K-PUR-Lack an, verarbeitet aber nur die Hälfte. Nach einer Stunde ist der Rest zäh und lässt sich nicht mehr spritzen. Erklären Sie und geben Sie zwei Konsequenzen für die Praxis.