Der Lacklaborant Lernwerk

Alle Tafeln › Kapitel 7 · Wasserlacke und Elektrotauchlackierung

L-71

Wasser als Lacklösemittel

Warum wässrige Lacke — und warum Wasser ein schwieriges Lösemittel ist

Prüfungsteil 2A 10 · B 12

KernaussageWasser ist billig und emissionsarm, aber ein besonderes Lösemittel: hohe Verdunstungsenthalpie und Oberflächenspannung erschweren Trocknung und Benetzung.

Warum wässrige Lacke

Der Antrieb ist zweifach: Ökologie und Ökonomie. Wässrige Lacke ersetzen organische Lösemittel weitgehend durch Wasser und senken so die Lösemittelemission (siehe L-168). Und Wasser ist billig und überall verfügbar. Deshalb verdrängen sie in vielen Bereichen die lösemittelhaltigen Systeme; gesetzliche Grenzwerte für Lösemittel treiben die Umstellung zusätzlich; das schont Umwelt und Arbeitsplatz.

Ein besonderes Lösemittel

Wasser verhält sich anders als organische Lösemittel. Die Verdunstungsenthalpie ist die Energie, die man zuführen muss, um eine bestimmte Menge Flüssigkeit bei gleicher Temperatur zu verdampfen — sie steckt im Aufbrechen der Anziehung zwischen den Molekülen. Bei Wasser ist diese Anziehung wegen der Wasserstoffbrücken besonders stark, deshalb ist die Verdunstungsenthalpie sehr hoch: rund 2258 kJ/kg, etwa sechsmal so viel wie bei einem organischen Lösemittel. Praktisch heißt das: Das Verdunsten braucht viel Energie, läuft langsam, kühlt den Film ab und hängt stark von Temperatur und Luftfeuchte ab — bei hoher Luftfeuchte trocknet der Lack kaum. Deshalb braucht das Einbrennen wässriger Lacke oft mehr Energie.

Hohe Oberflächenspannung

Wasser hat mit rund 72 mN/m eine viel höhere Oberflächenspannung als organische Lösemittel (etwa 25–30 mN/m). Dadurch benetzt es unpolare Untergründe schlecht — man braucht Netzmittel, damit der Lack gleichmäßig verläuft und nicht abperlt. Die Faustregel dahinter: Benetzung wird begünstigt, wenn die Oberflächenspannung des Lacks niedriger ist als die Oberflächenenergie des Untergrunds — unpolare Untergründe liegen weit unter den 72 mN/m des Wassers. Maßgeblich ist aber der Randwinkel, in den zusätzlich die Grenzflächenspannung zwischen Lack und Untergrund eingeht (Young-Gleichung, siehe L-12). Das gilt besonders für glatte, fettige oder unpolare Oberflächen.

Weitere Folgen

Die starken Wasserstoffbrücken bedingen diese Eigenschaften. Hinzu kommen die Korrosionsgefahr an Stahlanlagen und ein enges Verarbeitungsfenster, weil die Trocknung stark vom Raumklima abhängt. Auch Schaum und Konservierung sind bei wässrigen Systemen ein Thema.

Das Bindemittelproblem

Die meisten Lackbindemittel sind unpolar und hydrophob — in Wasser also nicht ohne Weiteres verträglich. Sie müssen erst gezielt wasserverdünnbar gemacht werden (siehe L-72). Genau darum dreht sich die Technik der wässrigen Lacke.

Merksatz

Wasser ist billig und emissionsarm, aber schwierig: hohe Verdunstungsenthalpie (langsame, klimaabhängige Trocknung) und hohe Oberflächenspannung (schlechte Benetzung). Bindemittel müssen erst wasserverträglich gemacht werden.

wässrige LackewasserverdünnbarWasserLösemittelVerdunstungsenthalpieOberflächenspannungBenetzungNetzmittelWasserstoffbrückenEmissionÖkologiehydrophobTrocknung
Quellen
  • Müller/Poth, Lackformulierung und Lackrezeptur
  • Brock/Groteklaes/Mischke, Lehrbuch der Lacktechnologie

Übungsblatt Ü-71

Prüfen, ob es sitzt.

Verständnis8 Punkte

1. Was treibt die Entwicklung wässriger Lacke, und welche zwei Eigenschaften machen Wasser als Lösemittel schwierig?

Musterlösung anzeigen
AntriebÖkologie (weniger Lösemittelemission, siehe L-168) und Ökonomie (Wasser ist billig und überall verfügbar).
Schwierigkeit 1Sehr hohe Verdunstungsenthalpie (~2258 kJ/kg): Wasser verdunstet langsam und energieintensiv; die Trocknung hängt stark von Temperatur und Luftfeuchte ab.
Schwierigkeit 2Hohe Oberflächenspannung (~72 mN/m): schlechte Benetzung unpolarer Untergründe.
ZusatzAußerdem: Korrosionsgefahr an Stahlanlagen und ein enges Verarbeitungsfenster.
Warum das eine Eins verdientDer doppelte Antrieb (Ökologie und Ökonomie) und die zwei physikalischen Schwierigkeiten (Verdunstungsenthalpie, Oberflächenspannung) werden mit ihren Folgen genannt.
Berechnung8 Punkte

2. Wasser hat eine Verdunstungsenthalpie von 2258 kJ/kg, Xylol etwa 344 kJ/kg. Um welchen Faktor mehr Energie braucht das Verdunsten von Wasser, und was folgt daraus für die Trocknung?

Musterlösung anzeigen
AnsatzFaktor = Verdunstungsenthalpie Wasser / Xylol
Rechnung2258 / 344 = 6,6
AntwortsatzDas Verdunsten von Wasser braucht rund 6,6-mal so viel Energie.
FolgeDeshalb trocknet der wässrige Film langsamer und stark abhängig von Temperatur und Luftfeuchte — bei feuchtem, kühlem Wetter kann die Trocknung problematisch werden.
Warum das eine Eins verdientDer Faktor wird korrekt gebildet und praktisch gedeutet: die hohe Verdunstungsenthalpie erklärt die langsame, klimaabhängige Trocknung wässriger Lacke.
Anwendung7 Punkte

3. Ein wässriger Lack perlt auf einem unpolaren Untergrund ab und verläuft ungleichmäßig. Erklären Sie die Ursache und die Gegenmaßnahme.

Musterlösung anzeigen
UrsacheDie hohe Oberflächenspannung des Wassers (~72 mN/m) ist deutlich höher als die des Untergrunds; der Lack benetzt ihn deshalb schlecht und zieht sich zusammen.
GegenmaßnahmeNetzmittel (oberflächenaktive Substanzen) senken die Oberflächenspannung des Lacks, sodass er den Untergrund benetzt und gleichmäßig verläuft.
ErgänzungAuch eine Reinigung/Vorbehandlung des Untergrunds kann die Benetzung verbessern.
KernpunktAls Faustregel wird Benetzung begünstigt, wenn die Oberflächenspannung des Lacks unter der Oberflächenenergie des Untergrunds liegt; maßgeblich ist aber der Randwinkel nach Young (siehe L-12).
Warum das eine Eins verdientDas Abperlen wird auf die hohe Oberflächenspannung zurückgeführt und das Netzmittel als Gegenmaßnahme erklärt — mit dem richtigen Prinzip (Lack-Oberflächenspannung senken).

↪ Diese Tafel im interaktiven Lernwerk öffnen