Mechanisches Verhalten von Lackfilmen

Viskoelastisches Verhalten

Lackfilme verbinden elastische und zeitabhängige, viskose Eigenschaften. Wie stark die einzelnen Anteile ausgeprägt sind, hängt unter anderem von Temperatur, Belastungsdauer bzw. Belastungsgeschwindigkeit, Polymerstruktur und Vernetzungsgrad ab.

Elastischer Anteil: Der Lackfilm verformt sich unter Belastung und kann nach der Entlastung ganz oder teilweise in seine ursprüngliche Form zurückkehren.

Viskoser Anteil: Die Verformung ist zeitabhängig. Ein Teil der Verformung kann nach der Entlastung bestehen bleiben, weil sich Polymerketten bzw. Netzwerkelemente während der Belastung umlagern.

Vergleich aus der Lackpraxis — elastischer, harter Lackfilm: Ein gut vernetzter 2K-PUR-Klarlack ist hart und steif. Bei einer kurzen mechanischen Belastung kann er sich geringfügig elastisch verformen; nach der Entlastung geht diese Verformung weitgehend zurück. Weicher bzw. stärker viskoelastischer Lackfilm: Ein weicher, thermoplastisch geprägter Beschichtungsfilm kann sich unter längerer Belastung stärker verformen; ein Teil dieser Verformung kann nach der Entlastung bestehen bleiben. Je nach Rezeptur kann derselbe Lackfilm bei unterschiedlicher Temperatur oder Belastungsgeschwindigkeit deutlich unterschiedlich reagieren.

Drei idealisierte Beiträge zum mechanischen Verhalten

Energieelastischer Beitrag: Die Rückstellkraft entsteht durch die Dehnung und Verzerrung von Bindungen und Polymersegmenten. Nach der Entlastung wird gespeicherte elastische Energie wieder frei. Beispiel: Ein harter, gut vernetzter Einbrennlack auf einem Metallblech wird kurzzeitig leicht gebogen. Der Lackfilm kann sich geringfügig mitverformen und anschließend wieder weitgehend zurückgehen — wie eine harte Feder: wenig Dehnung, aber deutliche Rückstellkraft.

Entropieelastischer Beitrag: Bei gummiartigen, vernetzten Polymerstrukturen entsteht ein wesentlicher Teil der Rückstellkraft durch die Änderung der statistischen Anordnung der Polymerketten. Dieser Beitrag ist besonders für Elastomere wichtig. Beispiel: Eine weiche, elastische Beschichtung kann stark gedehnt werden und anschließend wieder in Richtung ihrer ursprünglichen Form zurückkehren. Anschaulich: Die Polymerketten werden aus ihrem ungeordneten Zustand heraus gestreckt; nach der Entlastung kehren sie bevorzugt wieder in einen ungeordneteren Zustand zurück.

Viskoser Beitrag: Polymerketten können sich zeitabhängig gegeneinander umlagern. Dadurch können Kriechen und Spannungsrelaxation auftreten. Ein Teil der Verformung kann dauerhaft bestehen bleiben. Beispiel: Ein thermoplastischer Beschichtungsfilm wird über längere Zeit belastet. Die Polymerketten können sich langsam gegeneinander verschieben; nach der Entlastung bleibt deshalb möglicherweise eine bleibende Verformung zurück — wie bei einem sehr zähen Honig: Unter kurzer Belastung passiert wenig, unter längerer Belastung kann sich das Material langsam verändern.

Wichtig: Diese drei Beiträge sind idealisierte Betrachtungen. Reale Lackfilme zeigen meist eine Kombination mehrerer Beiträge.

Duromere, Elastomere und Thermoplaste

• Duromer — stark vernetzt, formstabil, geringe Kettenbeweglichkeit; Lackpraxis: harter, gut vernetzter 2K-PUR- oder EP-Lackfilm
• Elastomer — stark und weitgehend reversibel verformbar; Lackpraxis: elastifizierte bzw. gummiartige Beschichtung
• Thermoplast — Ketten nicht dauerhaft vernetzt, zeitabhängige Verformung möglich; Lackpraxis: thermoplastisch geprägter Beschichtungsfilm

Kurz gesagt: Ein Duromer gibt wenig nach und bleibt formstabil. Ein Elastomer lässt sich stark dehnen und geht wieder zurück. Bei einem Thermoplasten können sich die Ketten bei Wärme und längerer Belastung gegeneinander bewegen (siehe L-04).

Zugversuch

Beim Zugversuch wird eine Probe mit definierter Geschwindigkeit auseinandergezogen. Dabei werden Kraft und Längenänderung gemessen (Fachrechner „Zugversuch“).

Zugspannung: σ = F / A

σ = Zugspannung · F = Zugkraft · A = belastete Querschnittsfläche

Dehnung: ε = Δl / l₀

ε = Dehnung · Δl = Längenänderung · l₀ = ursprüngliche Messlänge

Für einen annähernd linear-elastischen Bereich gilt das Hookesche Gesetz: σ = E · ε

Der E-Modul beschreibt die Steifigkeit eines Materials.

• hoher E-Modul → hohe Steifigkeit, geringe Dehnung bei gleicher Spannung
• niedriger E-Modul → geringere Steifigkeit, größere Dehnung bei gleicher Spannung

Bei Polymeren hängt der E-Modul unter anderem stark von Temperatur, Belastungsgeschwindigkeit und Polymerstruktur ab. Beispiel: Vergleicht man einen harten Einbrennlack mit einer weichen elastifizierten Beschichtung, benötigt man beim harten Lack für die gleiche Dehnung meist eine höhere Spannung — hoher E-Modul heißt: Der Lackfilm lässt sich schwerer dehnen.

Duktiles und sprödes Verhalten

Duktil: Der Lackfilm kann sich vor dem Bruch deutlich und dauerhaft verformen. Er ist unter den jeweiligen Prüfbedingungen meist verformbarer.

Spröde: Der Lackfilm zeigt nur geringe Verformung vor dem Bruch und kann bei mechanischer Belastung schneller reißen oder abplatzen.

Vergleich aus dem Lackbereich: Ein harter, stark vernetzter Klarlack kann bei einer schnellen Verformung Risse bilden (spröde). Ein elastifizierter Beschichtungsfilm kann sich stärker mit einem verformten Untergrund mitbewegen, ohne sofort zu reißen (duktiler). Ein Lack kann also hart und trotzdem nicht ausreichend flexibel sein. Wichtig: Temperatur und Belastungsgeschwindigkeit können die Duktilität deutlich beeinflussen.

Zugfestigkeit und Reißdehnung

Zugfestigkeit ist die höchste im Zugversuch erreichte Zugspannung vor dem Bruch bzw. der entsprechend der Prüfnorm bestimmte Kennwert.

Reißdehnung ist die Dehnung der Probe beim Reißen. Eine hohe Reißdehnung weist auf eine hohe Verformbarkeit hin: Ein Lackfilm mit hoher Reißdehnung kann sich bei einer mechanischen Beanspruchung stärker dehnen, bevor er reißt; ein Lackfilm mit geringer Reißdehnung kann bereits bei einer vergleichsweise kleinen Dehnung versagen.

Reißenergie beschreibt die bis zum Bruch aufgenommene mechanische Arbeit pro Volumen. Im Spannungs-Dehnungs-Diagramm entspricht sie näherungsweise der Fläche unter der Kurve bis zum Bruch.

Kriechen

Beim Kriechen nimmt die Dehnung eines Materials mit der Zeit zu, obwohl die Spannung konstant gehalten wird.

Beispiel: Ein lackiertes Kunststoffteil wird über längere Zeit an einer Stelle mechanisch belastet. Zunächst ist die Verformung gering; mit zunehmender Belastungsdauer kann sich der Lackfilm jedoch immer stärker verformen. Bei höherer Temperatur laufen molekulare Bewegungen meist leichter ab — deshalb kann ein Lackfilm dann stärker zum Kriechen neigen.

Spannungsrelaxation

Bei der Spannungsrelaxation wird eine bestimmte Dehnung vorgegeben und möglichst konstant gehalten. Die dafür erforderliche Spannung nimmt mit der Zeit ab.

Beispiel: Ein Lackfilm wird auf einem flexiblen Untergrund gedehnt und in dieser gedehnten Stellung gehalten. Zu Beginn ist eine relativ hohe Kraft erforderlich; bleibt die Dehnung konstant, kann die erforderliche Kraft mit der Zeit abnehmen.

Dynamisch-mechanische Analyse (DMA)

Mit der DMA wird das mechanische Verhalten eines Polymermaterials unter einer periodischen Belastung untersucht.

E′ — Speichermodul: Beschreibt den überwiegend elastisch gespeicherten Anteil der mechanischen Energie.

E″ — Verlustmodul: Beschreibt den Anteil der mechanischen Energie, der bei der periodischen Verformung dissipiert, also insbesondere in Wärme umgewandelt wird.

Verlustfaktor: tan δ = E″ / E′ (Fachrechner „DMA — Verlustfaktor“). Ein höherer tan δ bedeutet eine stärkere Dämpfung bzw. einen größeren Energieverlustanteil relativ zur elastischen Energiespeicherung. Beispiel: Zwei Lackfilme können bei ähnlicher Steifigkeit unterschiedlich stark mechanische Energie abbauen; der Lackfilm mit höherem tan δ weist unter gleichen Prüfbedingungen eine stärkere Dämpfung auf.

DMA-Messungen können unter anderem verwendet werden, um Veränderungen im Bereich der Glasübergangstemperatur Tg zu untersuchen (siehe L-09).

Einfluss der Verformungsgeschwindigkeit

Je schneller ein Polymer belastet wird, desto weniger Zeit haben die Polymerketten für zeitabhängige Umlagerungen. Dadurch nimmt die Verformbarkeit häufig ab und die Bruchneigung kann zunehmen.

Langsame Verformung: Ein Lackfilm wird langsam gebogen. Die Polymerketten haben mehr Zeit für Umlagerungen; der Film kann sich unter diesen Bedingungen häufig stärker verformen. Schnelle Verformung: Der gleiche Lackfilm wird schlagartig belastet. Die Polymerketten können nicht schnell genug reagieren; der Film kann deshalb bei geringerer Dehnung reißen.

Praxisbeispiel: Eine Lackierung kann bei einer langsamen Umformprüfung eine gute Verformbarkeit zeigen, bei einer Schlagbeanspruchung aber trotzdem versagen.

Erichsen-Tiefung und Schlagtiefung

Erichsen-Tiefung: Prüft die Verformbarkeit eines Beschichtungsfilms bei einer definierten, langsamen Eindrückbelastung — „Wie weit kann sich der Lack unter langsamer Verformung mitbewegen?“

Schlagtiefung: Prüft das Verhalten eines Beschichtungsfilms bei einer schnellen, stoßartigen Belastung — „Wie gut hält der Lack eine plötzliche Belastung aus?“

Die beiden Prüfungen sind nicht direkt gleichwertig, weil sich Belastungsart und Belastungsgeschwindigkeit unterscheiden (siehe L-156).

Gesamtvergleich für den Lacklaboranten

• Sehr steif → hoher E-Modul
• Stark dehnbar → hohe Verformbarkeit, hohe Reißdehnung
• Bricht schnell bei Biegung → sprödes Verhalten
• Kann sich stark dehnen und geht zurück → elastisches bzw. elastomeres Verhalten
• Verformung nimmt bei längerer Belastung zu → Kriechen
• Erforderliche Spannung sinkt bei gleicher Dehnung → Spannungsrelaxation
• Versagt bei Schlag, aber nicht bei langsamer Verformung → starke Abhängigkeit von der Verformungsgeschwindigkeit
• Hoher tan δ → stärkere Dämpfung

Merksatz