2K-PUR — OH-Bindemittel und Stöchiometrie

Die OH-Träger für 2K-PUR

Die OH-Gruppen liefert das Bindemittel (der Stammlack). Für 2K-PUR kommen vor allem hydroxyfunktionelle Acrylatharze, gesättigte Polyester und Polyether infrage, außerdem Alkyde und Epoxidester. Die Wahl bestimmt Härte, Elastizität und Wetterbeständigkeit des Films. Gelöst werden diese OH-Bindemittel in NCO-unreaktiven Lösemitteln — Butylacetat, Xylol, Methoxypropylacetat (siehe L-25). Alkohole und Wasser scheiden aus, weil ihre OH-Gruppen selbst mit dem Isocyanat reagieren und den Härter verbrauchen. Aufpassen bei der Verwechslung von Methoxypropylacetat (geeignet) mit Methoxypropanol (ein Alkohol, ungeeignet); Gebinde und Verdünnung müssen trocken sein.

Acrylatharze

Hydroxyfunktionelle Acrylatharze sind hart und besonders wetter- und vergilbungsbeständig — das gilt aber nicht für jeden Typ gleich gut: Reine (styrolfreie) Acrylatharze sind am wetterbeständigsten. Styrolhaltige Acrylat-Mischpolymerisate sind günstiger und härter, aber wegen des aromatischen Styrol-Bausteins UV-empfindlicher und neigen eher zu Kreidung. Für hochwertige, dauerhaft bewitterte Decklacke — Automobil- und Automobilreparaturlacke, hochwertige Industrielacke — wählt man deshalb reine, styrolfreie Typen. Typische OH-Zahlen liegen je nach Typ etwa zwischen 50 und 140 mg KOH/g; für festkörperreiche Decklacke werden die höheren Werte (etwa 120 bis 140 mg KOH/g) bevorzugt. Sie werden meist mit aliphatischen Härtern kombiniert, um die Wetterbeständigkeit voll auszuschöpfen (siehe L-26).

Polyester und Polyether

Gesättigte Polyester (siehe L-19) decken über die Bausteinwahl eine breite Härte-Spanne ab, von flexibel bis hart. Polyether sind flexibel und preiswert, aber weniger wetterbeständig: Die C–H-Bindungen direkt neben dem Ethersauerstoff sind photochemisch leicht angreifbar — UV-Licht und Luftsauerstoff bilden dort Hydroperoxide, die zu Kettenspaltung, Vergilbung und Versprödung führen. Polyester sind dafür UV-stabiler, aber anfälliger für Hydrolyse. Polyether werden deshalb dort eingesetzt, wo Elastizität wichtiger ist als die Bewitterung.

Die Kennzahl OH-Zahl

Die OH-Zahl (mg KOH je g Harz) ist historisch aus der Titration abgeleitet: Die OH-Gruppen werden mit Essigsäureanhydrid acetyliert, der Überschuss wird zu Essigsäure hydrolysiert, und diese freie Essigsäure titriert man mit KOH — gegen einen Blindversuch ohne Probe. Die Differenz zwischen Blindwert und Probe sagt, wie viel Anhydrid die OH-Gruppen verbraucht haben. Die Kennzahl steckt damit direkt eine Stoffmenge in sich: Weil jede OH-Gruppe genau eine Acetylgruppe bindet und dieser Verbrauch 1 mg KOH je 1/56,1 mmol entspricht, liefert OH-Zahl / 56,1 unmittelbar die Stoffmenge OH je Gramm Harz in mmol, bzw. OH-Zahl / 56 100 in mol je Gramm (Faktor 1000 wegen mg → g). Je höher die OH-Zahl, desto mehr Mol reaktiver OH-Gruppen stecken in derselben Harzmasse — und desto mehr Härter wird gebraucht. Aus dieser Stoffmenge folgt die OH-Äquivalentmasse (56 100 / OH-Zahl): die Harzmasse, die genau 1 Mol OH-Gruppen liefert. Zum Vergleich lässt sich die OH-Zahl auch in den OH-Gehalt in Massenprozent umrechnen: OH-% = OH-Zahl · 17 / 561 (die OH-Gruppe selbst wiegt 17 g/mol) — für die eigentliche Stöchiometrie-Rechnung braucht es diesen Umweg aber nicht, dort zählt direkt die Stoffmenge n(OH).

Was ein Äquivalent beim 2K-PUR bedeutet

Auch hier ist ein Äquivalent keine Masse, sondern eine Stoffmenge: Ein Äquivalent OH ist ein Mol reaktiver Hydroxylgruppen, ein Äquivalent NCO ein Mol reaktiver Isocyanatgruppen. Anders als beim Aminhärter (siehe L-29) braucht es dafür keine Zählregel je Molekül — jede OH-Gruppe zählt als ein Äquivalent, jede NCO-Gruppe ebenso.

Deshalb lautet die eigentliche Frage nie „Wie viele Gramm Härter?“, sondern „Wie viele Mol reaktive NCO-Gruppen bringt diese Härtermenge mit?“ Genau diese molare NCO-Menge muss zur molaren OH-Menge des Bindemittels passen. 500 g Bindemittel plus 500 g Härter ergeben deshalb nicht automatisch ein stöchiometrisch richtiges Verhältnis — siehe das Rechenbeispiel weiter unten; ein zweites, vollständig durchgerechnetes Beispiel steht in L-58.

Stöchiometrie mit dem Härter

Als stöchiometrischer Ausgangspunkt wird das Verhältnis NCO : OH meist auf etwa 1 : 1 eingestellt; die tatsächlich erreichbare Vernetzung hängt zusätzlich von Funktionalität, Nebenreaktionen und den Härtungsbedingungen ab. Ein deutlicher NCO-Überschuss reagiert mit Luftfeuchte: Über die instabile Carbaminsäure entstehen ein Amin und CO₂ — bei dicken Schichten sichtbar als Blasen; der Film wird harnstoffreicher und kann verspröden. Ein NCO-Unterschuss lässt OH-Gruppen unvernetzt zurück, der Film bleibt weicher, klebriger und weniger chemikalienbeständig. Aus der OH-Zahl des Bindemittels und dem NCO-Gehalt des Härters — bzw. aus ihren Äquivalentmassen — ergibt sich das Mischungsverhältnis (siehe L-25, L-26). So passt die Härtermenge genau zur Zahl der OH-Gruppen. In der Praxis wählt man oft einen leichten NCO-Überschuss, um die Reaktion mit Restfeuchte auszugleichen.

Typische Fehler bei der Stöchiometrie

In Prüfung und Betrieb entstehen die meisten Fehler nicht bei der Chemie, sondern bei den Zahlen. Häufig wird die Einheit der OH-Zahl verwechselt und mit Massenprozent OH gerechnet, wo mg KOH/g gemeint ist (beide unterscheiden sich um den Faktor 33), die Kennzahl wird vergessen (meist 1,02 bis 1,10 für einen leichten NCO-Überschuss), oder der Festkörpergehalt von Härter und Bindemittel bleibt unberücksichtigt. Die sichere Reihenfolge lautet immer: zuerst die Stoffmenge der OH-Gruppen bestimmen, daraus die nötige NCO-Masse, dann über den NCO-Gehalt die Härtermenge. Dreisatz und konsequente Einheitenkontrolle verhindern die teuersten Fehler.

Kennzahlen und Stöchiometrie

OH-Gehalt aus der OH-Zahl:
  OH-% = OH-Zahl · 17 / 561

Stoffmenge OH (m = Bindemittel-Festkörper in g):
  n(OH) = m · OH-Zahl / 56100   [mol]

NCO-Äquivalentmasse des Härters:
  M(NCO-Äq) = 42,02 / (NCO-Gehalt/100)   [g/Äq.]

Härtermenge (Kennzahl k; k = 1,0 ist stöchiometrisch,
in der Praxis meist k = 1,02 bis 1,10 als leichter NCO-Überschuss):
  m(Härter) = n(OH) · M(NCO-Äq) · k

Rechenbeispiel: Härtermenge

Gegeben: 200 g Bindemittel-Festkörper mit OH-Zahl 130 mg KOH/g;
Härter mit NCO-Gehalt 21 %; Kennzahl k = 1,05 (leichter NCO-Überschuss).

Stoffmenge OH:       n(OH) = 200 · 130 / 56100 ≈ 0,463 mol
NCO-Äquivalentmasse: M(NCO-Äq) = 42,02 / (21/100) ≈ 200,1 g/Äq.
Härtermenge:         m(Härter) = n(OH) · M(NCO-Äq) · k
                     = 0,463 · 200,1 · 1,05 ≈ 97,3 g

Kontrolle: n(NCO) = m(Härter) · (NCO-Gehalt/100) / 42,02
           = 97,3 · 0,21 / 42,02 ≈ 0,486 mol
Erwartet:  n(OH) · k = 0,463 · 1,05 ≈ 0,486 mol ✓
→ 200 g Bindemittel-Festkörper + 97,3 g Härter-Festkörper: Das Bindemittel liefert 0,463 mol OH, der Härter 0,486 mol NCO — die Differenz ist genau der vorgesehene 5-prozentige NCO-Überschuss aus der Kennzahl k = 1,05. Achtung auf die Lieferform: Liegt der Härter als 75-prozentige Lösung vor, sind 97,3 / 0,75 = 129,7 g Lieferware einzuwiegen.

Merksatz