Chemische Kennzahlen der Lackrohstoffe

Wozu Lacklaboranten Kennzahlen brauchen

• Rohstoffvergleich und Wareneingangskontrolle: Liegt die Lieferung in der Spezifikation?
• Beurteilung von Bindemitteln und Härtern: Wie viele reaktive Gruppen stecken in einer bestimmten Masse?
• Berechnung von Neutralisationsmitteln (Säurezahl)
• Berechnung von 2K-PUR-Mischungsverhältnissen (NCO-Gehalt und OH-Zahl)
• Berechnung von 2K-EP-Härtermengen (Epoxidwert und AHEW)

Grundregel: drei Fragen an jede Kennzahl

Zahl + Einheit + Bezugsbasis gehören immer zusammen. Deshalb bei jeder Kennzahl fragen:

• Was wird gemessen? (welche Gruppe, welche Reaktion)
• In welcher Einheit? (mg KOH/g · g I₂/100 g · Masse-% · mol/100 g · g/Äq.)
• Bezogen auf welche Masse? (Festharz oder Lieferform — siehe Bezugsbasis unten)

Und dann die Rezepturfrage: Was bedeutet ein hoher, was ein niedriger Wert — und was ändert sich dadurch im Ansatz?

Alle Zahlen in diesem Blatt sind Beispielwerte zum Rechnen, keine typischen Stoffdaten.

Säurezahl SZ

Was wird gemessen? Die Masse an Kaliumhydroxid (KOH) in mg, die erforderlich ist, um die in 1 g der untersuchten Probe enthaltenen freien Säuren zu neutralisieren. Bei Lackbindemitteln sind das vor allem freie Carboxylgruppen –COOH. Einheit: mg KOH/g.

Vereinfachte Reaktion: R–COOH + KOH → R–COOK + H₂O

Einfach gesagt: Die Säurezahl zeigt, wie viel freie Säure in einem Rohstoff steckt.

Säurezahl bestimmen

Die Probe wird gelöst und mit KOH-Maßlösung bis zum Umschlag titriert. Aus Verbrauch, Konzentration und Einwaage folgt:
SZ = V · c · 56,1 / m
V = Nettoverbrauch KOH in mL (Probe minus Blindwert), c = Konzentration der Maßlösung in mol/L, m = Einwaage in g, 56,1 = molare Masse von KOH in g/mol.

Beispiel: 2,0 g Einwaage, 12,5 mL KOH-Maßlösung 0,1 mol/L
SZ = 12,5 · 0,1 · 56,1 / 2,0 = 35,1 mg KOH/g
(Den Weg über Stoffmenge und Masse übt Ü-08, Aufgabe 2; Fachrechner „Säurezahl aus Titration“.)

Was die Säurezahl bedeutet

• Niedrige Säurezahl → wenig freie Säuregruppen je Gramm: geringer Neutralisationsbedarf, geringer Einfluss auf Polarität und Verträglichkeit; für Reaktionen über Carboxylgruppen stehen weniger Gruppen zur Verfügung.
• Hohe Säurezahl → viele freie Säuregruppen je Gramm: höherer Neutralisationsbedarf, höhere Polarität und dadurch veränderte Verträglichkeit mit unpolaren Rohstoffen; mehr Carboxylgruppen für Reaktionen, die sie brauchen.

Eine hohe Säurezahl ist nicht grundsätzlich gut oder schlecht. Viele wasserverdünnbare Bindemittel werden erst durch freie Säuregruppen wasserlöslich, die mit Amin neutralisiert werden — hier ist die Säurezahl gewollt. Bei lösemittelhaltigen Alkyden dagegen ist eine niedrige Säurezahl das Ziel der Kondensation (siehe L-15).

Rechnen mit der Säurezahl: 100 g Festharz mit SZ = 20 mg KOH/g würden zur Neutralisation 20 mg/g · 100 g = 2 000 mg = 2,00 g KOH verbrauchen. Das entspricht 2,00 g / 56,1 g/mol = 0,0357 mol Säuregruppen. KOH ist dabei nur die Rechengröße — neutralisiert wird in der Praxis zum Beispiel mit einem Amin: m(Amin) = 0,0357 mol · M(Amin) (Ü-08, Aufgabe 2 c).

Verseifungszahl VZ

Was wird gemessen? Die Masse an KOH in mg, die unter festgelegten Analysenbedingungen von 1 g Probe verbraucht wird, um die freien Säuren zu neutralisieren und die Estergruppen zu verseifen. Einheit: mg KOH/g.

Bei der alkalischen Verseifung wird die Esterbindung gespalten. KOH wird dabei verbraucht — der KOH-Verbrauch erfasst also die freien Säuren und die verseifbaren Ester zusammen:
R–COOR′ + KOH → R–COOK + R′–OH

Bei Fetten und Ölen ist R–COOK die Seife — daher der Name. Dieselbe Reaktion ist der Grund, warum Ester-Bindemittel (Alkyde) auf alkalischen Oberflächen wie verzinktem Stahl oder frischem Beton verseifen und die Haftung verlieren können (siehe L-18).

Was bedeutet der Wert? Eine hohe Verseifungszahl zeigt viele freie Säuren und/oder viele verseifbare Estergruppen je Gramm, eine niedrige wenige. Aus der Verseifungszahl allein lässt sich der Estergehalt aber nicht ablesen, weil die freien Säuren mitgezählt werden — dafür braucht man zusätzlich die Säurezahl.

Verseifungszahl bestimmen

Die Probe wird mit überschüssiger KOH-Lösung unter Rückfluss gekocht; der nicht verbrauchte Rest wird mit Salzsäure zurücktitriert. Anders als bei der Säurezahl zählt hier Blindwert minus Probe:
VZ = (V₀ − V) · c · 56,1 / m
V₀ = Verbrauch Blindwert, V = Verbrauch Probe, jeweils in mL (Fachrechner „Verseifungszahl“).

Esterzahl EZ

EZ = VZ − SZ
Die Esterzahl ist der rechnerische Anteil des KOH-Verbrauchs, der auf die Estergruppen entfällt.

Beispiel: VZ = 180 mg KOH/g, SZ = 23,6 mg KOH/g
EZ = 180 − 23,6 = 156,4 mg KOH/g

Merksatz: SZ → freie Säuren. VZ → freie Säuren + Ester. EZ = VZ − SZ → nur die Ester.

Iodzahl IZ

Was wird gemessen? Die Iodzahl ist ein Maß für die Ungesättigtheit eines Öls oder ölhaltigen Bindemittels: die Masse an Halogen, berechnet als Iod, in g, die unter festgelegten Analysenbedingungen von 100 g Probe gebunden wird. Einheit: g I₂/100 g.

Warum Halogen gebunden wird: An eine C=C-Doppelbindung lagert sich ein Halogenmolekül an — die Doppelbindung öffnet sich und nimmt zwei Halogenatome auf (Addition), vereinfacht:
–CH=CH– + I₂ → –CHI–CHI–

Je mehr Doppelbindungen ein Öl trägt, desto mehr Halogen wird gebunden. In der Praxis arbeitet man mit einer Iodmonochlorid-Lösung im Überschuss (Verfahren nach Wijs), setzt den Rest mit Kaliumiodid zu Iod um und titriert mit Natriumthiosulfat zurück — das Ergebnis wird als Iod berechnet.

Was die Iodzahl bedeutet

• Niedrige Iodzahl → wenig Doppelbindungen: wenig reaktive Stellen für den Luftsauerstoff, meist geringe Eignung zur oxidativen Trocknung.
• Hohe Iodzahl → viele Doppelbindungen: mehr reaktive Stellen für die oxidative Vernetzung, meist gute Eignung als trocknendes Öl.

Faustregel für Öle: unter 100 meist nichttrocknend · etwa 100 bis 150 meist halbtrocknend · über 150 meist trocknend. Die Grenzen sind fließend und weichen je nach Quelle etwas ab; Tabelle und Grenzfälle in L-14.

Aber: Die Iodzahl allein bestimmt nicht die Trocknungsgeschwindigkeit. Lage und Art der Doppelbindungen (isoliert oder konjugiert), Ölstruktur, Sikkativierung, Temperatur, Sauerstoffzufuhr und Schichtdicke wirken mit (siehe L-14). Zwei Öle mit gleicher Iodzahl können deshalb verschieden schnell trocknen. Hohe Iodzahl ≠ automatisch schnelle Trocknung.

Theoretische Iodzahl — Vertiefung

NCO-Gehalt und OH-Zahl: die Kennzahlen des 2K-PUR-Lacks

Isocyanat-Härter und Polyol reagieren zur Urethanbindung:
R–NCO + R′–OH → R–NH–CO–O–R′

Damit die Reaktion aufgeht, müssen NCO-Gruppen und OH-Gruppen im richtigen Verhältnis zusammenkommen. Die beiden Kennzahlen sagen, wie viele davon je Masse Härter bzw. Polyol vorhanden sind.

NCO-Gehalt und NCO-Äquivalentgewicht

Was wird gemessen? Der Massenanteil an Isocyanatgruppen –NCO im Härter. Einheit: Masse-% NCO — meist auf die Lieferform bezogen.
Beispiel: 16 Masse-% NCO → 100 g Härter enthalten rechnerisch 16 g NCO-Gruppen.

NCO-Äquivalentgewicht (genauer: Äquivalentmasse): Wie viel Gramm Härter enthalten 1 Äquivalent, also 1 mol NCO-Gruppen? Eine NCO-Gruppe hat die molare Masse 42 g/mol. 100 g Härter enthalten %NCO Gramm NCO, also %NCO / 42 mol. Daraus folgt:
NCO-EW = 4 200 / %NCO
Beispiel: 4 200 / 16 = 262,5 g/Äq. → 262,5 g Härter enthalten 1 NCO-Äquivalent.

OH-Zahl und OH-Äquivalentgewicht

Was wird gemessen? Der Gehalt an Hydroxylgruppen eines Polyols, ausgedrückt als KOH-Äquivalent: die Masse an KOH in mg, die der OH-Menge in 1 g Probe entspricht. Einheit: mg KOH/g.
Wichtig: Die OH-Zahl bedeutet nicht, dass KOH im Polyol vorhanden ist. Sie ist eine analytische Äquivalentangabe: Die OH-Gruppen werden acetyliert, der Überschuss an Reagenz zurücktitriert; freie Säuregruppen stören und werden über die Säurezahl korrigiert (Fachrechner „OH-Zahl“).

OH-Äquivalentgewicht: Wie viel Gramm Polyol enthalten 1 Äquivalent OH-Gruppen? 1 g Polyol entspricht OH-Zahl mg KOH, also OH-Zahl / 56 100 mol OH (M(KOH) = 56,1 g/mol = 56 100 mg/mol). Daraus folgt:
OH-EW = 56 100 / OH-Zahl
Beispiel: OH-Zahl 150 mg KOH/g → OH-EW = 56 100 / 150 = 374 g/Äq. → 374 g Polyol enthalten 1 OH-Äquivalent.

Die eine Regel für alle Äquivalentgewichte

Ein Äquivalentgewicht (EW) sagt: So viel Gramm Stoff enthalten 1 Äquivalent reaktive Gruppen.

• Kennzahl hoch (hoher NCO-Gehalt, hohe OH-Zahl, hoher Epoxidwert) → viele reaktive Gruppen je Gramm → Äquivalentgewicht klein → weniger Masse für dieselbe Menge Gruppen.
• Kennzahl niedrig → wenige reaktive Gruppen je Gramm → Äquivalentgewicht groß → mehr Masse für dieselbe Menge Gruppen.

Ein hoher NCO-Gehalt macht den Härter nicht automatisch „besser“. Funktionalität, Struktur, Viskosität, Festkörper und Reaktivität entscheiden mit — die Kennzahl liefert nur die Masse je Äquivalent.

NCO:OH-Mischungsverhältnis

Für die theoretische Stöchiometrie 1 : 1 gilt: NCO-Äquivalente = OH-Äquivalente. Dann mischt man Polyol und Härter im Verhältnis ihrer Äquivalentgewichte:
Härter je 100 g Polyol = NCO-EW / OH-EW · 100

Beispiel: Polyol mit OH-Zahl 150 mg KOH/g, bezogen auf die Lieferform → OH-EW 374 g/Äq.; Härter mit 16 Masse-% NCO → NCO-EW 262,5 g/Äq. Härter je 100 g Polyol = 262,5 / 374 · 100 = 70,2 g. Als Verhältnis: Polyol : Härter = 374 : 262,5 ≈ 1,42 : 1 (Massenteile) für NCO : OH ≈ 1 : 1.

In der Praxis wird oft mit einem leichten NCO-Überschuss gearbeitet, weil ein Teil des NCO mit Feuchtigkeit reagiert. Der Überschuss wird als NCO:OH-Verhältnis angegeben — in der PUR-Technik auch „Kennzahl“ oder „Index“ genannt: 1,0 ist stöchiometrisch, 1,1 bedeutet 10 % NCO-Überschuss, die Härtermenge wird dann mit 1,1 multipliziert (Fachrechner „NCO-Gehalt und PUR-Härtermenge“). Bezugsbasis beachten: Ist die OH-Zahl auf das Festharz bezogen, muss zuerst auf die Lieferform umgerechnet werden (siehe Bezugsbasis unten).

Falsche Stöchiometrie beim PUR-Lack

• Zu wenig NCO → OH-Gruppen bleiben unverbraucht: geringere Vernetzungsdichte, weicherer Film, oft schlechtere Chemikalienbeständigkeit.
• Zu viel NCO → NCO-Überschuss reagiert mit Feuchtigkeit zu Harnstoffgruppen und CO₂: der Film kann je nach System härter und/oder spröder werden, in dicken Schichten ist Blasenbildung möglich.

Deshalb muss das NCO:OH-Verhältnis zum jeweiligen System passen.

Epoxidwert und AHEW: die Kennzahlen des 2K-Epoxidlacks

Epoxidgruppen reagieren mit den aktiven Wasserstoffatomen des Aminhärters (N–H). Der Epoxidring öffnet sich, und Harz und Härter sind chemisch verbunden, vereinfacht:
R–NH₂ + Epoxidgruppe → R–NH–CH₂–CH(OH)–R′

Ein primäres Amin (–NH₂) trägt zwei aktive H-Atome und kann daher mit zwei Epoxidgruppen reagieren; ein sekundäres (–NH–) eines; ein tertiäres Amin hat keins.

Epoxidwert E und Epoxidäquivalentgewicht EEW

Der Begriff Epoxidwert wird nicht einheitlich verwendet. Deshalb immer angeben, welche Definition und Einheit gemeint ist. In diesem Lernblatt gilt:
E = mol Epoxidgruppen je 100 g Harz (Einheit mol/100 g)
Beispiel: E = 0,50 mol/100 g → 100 g Harz enthalten rechnerisch 0,50 mol Epoxidgruppen.
Manche Datenblätter geben den Wert in mol/kg an; dann ist E(mol/kg) = 10 · E(mol/100 g), und es gilt EEW = 1 000 / E.

Epoxidäquivalentgewicht: Wie viel Gramm Harz enthalten 1 Äquivalent Epoxidgruppen?
EEW = 100 / E (E in mol/100 g)
Beispiel: E = 0,50 mol/100 g → EEW = 100 / 0,50 = 200 g/Äq. → 200 g Harz enthalten 1 Epoxidäquivalent. Für die Härterberechnung ist das EEW die entscheidende Größe; die Regel für alle Äquivalentgewichte gilt auch hier.

H-Aktiv-Äquivalentgewicht AHEW

AHEW = Active Hydrogen Equivalent Weight, H-Aktiv-Äquivalentgewicht: Wie viel Gramm Härter liefern 1 Äquivalent reaktionsfähigen Wasserstoff (N–H)?

Für ein reines Amin: AHEW = molare Masse / Anzahl der aktiven H-Atome. Beispiel Isophorondiamin: M = 170,3 g/mol, zwei primäre Aminogruppen = 4 aktive H → AHEW = 170,3 / 4 ≈ 42,6 g/Äq. Bei technischen Härtern (Gemische, Addukte) steht das AHEW im Datenblatt. Achtung: Die dort ebenfalls angegebene Aminzahl in mg KOH/g ist nicht das AHEW.

Härtermenge: Epoxidharz + Aminhärter

Theoretische Stöchiometrie 1 : 1: Epoxidäquivalente = H-Aktiv-Äquivalente.
Härter je 100 g Harz = AHEW / EEW · 100

Beispiel: EEW = 200 g/Äq., AHEW = 50 g/Äq. → Härter je 100 g Harz = 50 / 200 · 100 = 25 g; Harz : Härter = 4 : 1 → auf 400 g Harz kommen 100 g Härter (Fachrechner „Epoxidwert und Härtermenge“).

Falsche Stöchiometrie wirkt hier wie beim PUR-Lack: Zu wenig Härter → Unterhärtung, weicher Film; Aminüberschuss → freies Amin an der Oberfläche, das mit Feuchtigkeit und CO₂ aus der Luft reagiert und Oberflächenstörungen verursachen kann (Blushing).

Bezugsbasis: Festharz oder Lieferform?

Eine Kennzahl kann auf das reine Festharz oder auf die Lieferform (Harz in Lösemittel) bezogen sein. Säurezahl, Verseifungszahl, Iodzahl, OH-Zahl und Epoxidwert werden häufig auf das Festharz bezogen, weil der Wert dann unabhängig von der Verdünnung vergleichbar ist. Der NCO-Gehalt eines Härters wird dagegen meist auf die Lieferform bezogen. Welche Bezugsbasis gilt, steht verlässlich nur im technischen Datenblatt; bei lösemittelfreien Rohstoffen (Öle, flüssige Epoxidharze) sind beide Werte gleich.

Ist eine Kennzahl auf Festharzbasis angegeben und man arbeitet mit einer Lösung, muss der Festkörpergehalt einbezogen werden — sonst wird das Lösemittel fälschlich als reaktive Masse gerechnet. Beispiel: Polyol mit OH-Zahl 150 mg KOH/g (Festharz), 60 % Festkörper. OH-Zahl der Lieferform = 150 · 0,60 = 90 mg KOH/g → OH-EW der Lieferform = 56 100 / 90 = 623 g/Äq. Auf 100 g Lieferform kommen mit dem Härter aus dem NCO:OH-Beispiel also nur 262,5 / 623 · 100 = 42,1 g Härter statt 70,2 g.

Achtung: Manche Lösemittel und Verdünner tragen selbst reaktive Gruppen — Alkohole verbrauchen NCO, Reaktivverdünner bringen Epoxidgruppen mit. Sie gehören dann in die Rechnung.

Übersicht: Was bedeutet hoch, was niedrig?

• Säurezahl SZ (mg KOH/g): niedrig = wenig freie Säuregruppen · hoch = viele freie Säuregruppen
• Verseifungszahl VZ (mg KOH/g): niedrig = wenig Säure + Ester · hoch = viel Säure + Ester
• Esterzahl EZ = VZ − SZ (mg KOH/g): niedrig = geringerer rechnerischer Anteil an verseifbaren Estergruppen · hoch = höherer rechnerischer Anteil an verseifbaren Estergruppen
• Iodzahl IZ (g I₂/100 g): niedrig = wenig Doppelbindungen · hoch = viele Doppelbindungen
• NCO-Gehalt (Masse-%): niedrig = wenig NCO je Gramm, NCO-EW groß · hoch = viel NCO je Gramm, NCO-EW klein
• OH-Zahl (mg KOH/g): niedrig = wenig OH je Gramm, OH-EW groß · hoch = viel OH je Gramm, OH-EW klein
• Epoxidwert E (mol/100 g): niedrig = wenig Epoxidgruppen je Gramm, EEW groß · hoch = viele Epoxidgruppen je Gramm, EEW klein
• Äquivalentgewicht NCO-EW, OH-EW, EEW, AHEW (g/Äq.): niedrig = viele reaktive Gruppen je Gramm, wenig Masse nötig · hoch = wenige reaktive Gruppen je Gramm, viel Masse nötig

Merksatz