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
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.
- Müller/Poth, Lackformulierung und Lackrezeptur
- Brock/Groteklaes/Mischke, Lehrbuch der Lacktechnologie
Übungsblatt Ü-71
Prüfen, ob es sitzt.
1. Was treibt die Entwicklung wässriger Lacke, und welche zwei Eigenschaften machen Wasser als Lösemittel schwierig?
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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?
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3. Ein wässriger Lack perlt auf einem unpolaren Untergrund ab und verläuft ungleichmäßig. Erklären Sie die Ursache und die Gegenmaßnahme.