Verkappte Polyisocyanate — Prinzip und Anwendung

Das Problem und die Idee

Freies Isocyanat reagiert schon bei Raumtemperatur mit OH-Gruppen (siehe L-25) — für einen lagerstabilen Einkomponentenlack ist das zu reaktiv. Bei einem verkappten Polyisocyanat wird die NCO-Gruppe deshalb zeitweise blockiert („verkappt“), sodass sie bei Raumtemperatur unreaktiv ist. Die Isocyanatfunktion wird dabei nicht dauerhaft verändert, sondern durch eine reversible chemische Blockierung maskiert.

Verkappen und Entkappen

Ein Verkappungsmittel wird an die NCO-Gruppe gebunden; so bleibt der Härter bei Raumtemperatur lagerstabil. Beim Einbrennen spaltet das Verkappungsmittel in der Hitze wieder ab (Entkappung); das nun freie Isocyanat reagiert mit den OH-Gruppen des Bindemittels zu Urethan (siehe L-27). Bei klassisch abspaltenden Blockern wird das freigesetzte Verkappungsmittel dabei häufig aus dem Film freigesetzt und kann emittieren (siehe L-34) — bei Malonester-Typen, die anders reagieren (siehe L-34), liegt der Fall anders.

Ein 1K-Einbrennlack

Dadurch lassen sich Isocyanat-Härter und OH-Bindemittel in einem Gebinde lagern — bei geeigneter Formulierung lagerstabil und praktisch ohne Topfzeit — und erst im Ofen vernetzen (siehe L-30). Das ist der Unterschied zum 2K-PUR (siehe L-25), bei dem beide erst kurz vor der Verarbeitung gemischt werden. So verbindet das System die Beständigkeit von Polyurethan mit der einfachen Handhabung eines Einkomponentenlacks. Lösemittelbasierte 1K-PUR-Einbrennlacke werden meist in Xylol, Butylacetat oder aromatenreichen Lösemittelgemischen (Solvesso) verarbeitet; die kathodische Elektrotauchlackierung dagegen ist, wie im Abschnitt Anwendung beschrieben, ein wässriges System.

Die potenzielle NCO-Zahl

Der Härter wird über seinen potenziellen NCO-Gehalt charakterisiert — den Anteil, der beim Entkappen frei wird. Daraus berechnet man das Mischungsverhältnis mit dem OH-Bindemittel genauso wie beim freien Isocyanat (siehe L-26, L-27) — wie vollständig und schnell die Vernetzung tatsächlich abläuft, hängt aber zusätzlich von Kinetik, Katalyse und möglichen Nebenreaktionen ab, nicht allein von der rechnerischen NCO-Menge.

Anwendung

Verkappte Polyisocyanate ergeben 1K-PUR-Einbrennlacke: Coil-Coating, Drahtlacke, Can-Coating, kathodische Tauchlackierung (Elektrotauchlack) und Automobil — alles reale, breit eingesetzte Serienlackierungs-Verfahren, kein theoretischer Sonderfall. Wichtig ist dabei, zwei Dinge auseinanderzuhalten: „Elektrotauchlack“ bezeichnet nur das Auftragsverfahren (die elektrophoretische Abscheidung aus einem wässrigen Tauchbad unter Gleichspannung), nicht eine bestimmte Chemie. Bei der kathodischen Elektrotauchlackierung wird dafür meist ein Epoxid-Amin-Harz eingesetzt: Es wird mit Säure protoniert und dadurch wasserlöslich bzw. -dispergierbar gemacht, damit es sich im wässrigen Bad an der Kathode (dem Werkstück) abscheidet; als Härter dient dabei je nach System und Hersteller häufig, aber nicht zwingend immer, ein verkapptes Polyisocyanat. Verkappte Polyisocyanate finden sich generell überall dort, wo eingebrannt werden kann und die Beständigkeit von Polyurethan gefragt ist. Der Ofen begrenzt die Anwendung auf hitzebeständige Werkstücke.

Reaktion, Temperatur und Sicherheit

Nach dem Entkappen läuft dieselbe Additionsreaktion wie beim 2K-PUR ab (NCO plus OH). Die nötige Temperatur hängt vom Verkappungsmittel, der NCO-Struktur, dem Katalysator und der Objekttemperatur ab (Entkappungstemperatur, siehe L-34); als grobe Größenordnung liegt sie oft im Einbrennbereich um 140–180 °C, ist aber keine feste Kenngröße. Beim Entkappen werden das Blockierungsmittel (etwa Caprolactam) und die reaktiven Isocyanatgruppen frei — die Ofenabluft ist abzusaugen.

Reaktionsgleichung: Verkappung

Additionsreaktion, NCO-Gruppe wird blockiert:
  R–N=C=O + H–X ⇌ R–NH–C(=O)–X   (X-H = Verkappungsmittel)

Die NCO-Funktion wird dabei chemisch maskiert; die genaue Struktur der Bindung hängt vom Blocker ab. Vereinfachtes Gleichgewichtsschema — ob und bei welcher Temperatur sich die Lage nach links (Entkappung) verschiebt, hängt vom konkreten Blocker, Isocyanattyp, Katalysator und Medium ab, nicht von einem einfachen Temperatur-Umschalter (siehe L-34).

Potenzielle NCO-Zahl (analog zum freien NCO-Gehalt, siehe L-26):
  gibt an, wie viel Prozent NCO beim Entkappen frei werden — Grundlage der Mischungsrechnung mit dem OH-Bindemittel.

Merksatz