Umweltverträgliches und schadstoffarmes PUD-Konzept mit verbesserten Eigenschaften für Bodenbeläge

Marc Roelands, R. Satguru und R. Swaans, DSM NeoResins+, Waalwijk, Niederlande

Kurzbeschreibung
Verwendungsmöglichkeiten und -umfang von wasserbasierten Polyurethandispersionen bei Beschichtungen und insbesondere für die Bodenbelagsindustrie sind allgemein bekannt. Durch die inhärente Präsenz einer Hart-Weich-Segmentierung und die Wasserstoffbindungseigenschaften lassen sich bei den Polyurethandispersionen kohärente Beschichtungen mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften erzielen.
Mittelpunkt dieser Veröffentlichung stellt das Konzept einer Entwicklung von Bindern für Bodenbeläge dar, die nicht nur umweltverträglich sind, sondern auch Kriterien in Bezug auf Schadstoffarmut bei gleichzeitiger Beibehaltung eines hohen Leistungsvermögens erfüllen. Dies wird durch genauere Betrachtung der Aspekte Synthese, Morphologie, Selbstvernetzung und Filmbildung veranschaulicht. Dazu wird insbesondere hervorgehoben, wie wichtig es ist, optimale Eigenschaftsbalancen mit ausgezeichneten Chemikalienbeständigkeiten und herausragenden mechanischen Eigenschaften mit einem Koaleszenzerfordernis von fast Null zu erzielen.

Wasserbasierte Polyurethane in Beschichtungen
 
Eine wesentliche Anforderung, wenn es um brauchbare Beschichtungen geht, ist die Fähigkeit, (i) einen defektfreien und kohärenten Film auf dem besagten Substrat sowie (ii) angemessene mechanische und Resistenzeigenschaften bereitstellen zu können. Dank ihrer einzigartigen Dispersion und Teilchenmorphologie können wasserhaltige Polyurethandispersionen diesen Anforderungen sehr gut gerecht werden (1-3).
Der Synthesemodus von Polyurethandispersionen resultiert gewöhnlich in Teilchen, die bezüglich ihrer Größe polydispergiert sind und eine aufgequollene interne Morphologie aufweisen. Das Verhalten der Teilchen entspricht einer Ansammlung großer makromolekularer Ketten, die durch intermolekulare Interaktionen zusammengehalten werden. Diese Dispersionsmorphologie lässt sich klar auf die Art und Weise der Synthese zurückführen, die auf einer Additionspolymerisation mit stufenförmig ansteigendem Wachstum, der ein Emulgierungsprozess folgt, basiert. Zusätzlich ist bekannt, dass sich ein Aufquellen der internen Morphologie anionischer Polyurethan-Teilchen auf eine Plastifizierung durch Wasser zurückführen lässt. Die beiden oben erwähnten vorteilhaften Eigenschaften (4) ermöglichen  eine effektive Verbindung der Polurethan-Teilchen und somit eine ausgezeichnete Filmbildung. Darüber hinaus umfasst der Polymerkettenaufbau eines typischen Polyurethans im Allgemeinen eine wie in Abbildung 1 schematisch dargestellte Weich- und Hartsegmentierung.

Weiche Segmente lassen sich hauptsächlich auf Polyol-Komponenten mit hohem Molekulargewicht zurückführen, während sich harte Segmente auf Diisocyanate, Diole mit niedrigem Molekulargewicht sowie Urethan- und Harnstoff-Bindungssequenzen zurückführen lassen. Die harten Bereiche stellen über Wasserstoffbindungen physikalische Interaktionsstellen und füllerähnliche Verstärkungen der weichen Segmentmatrix bereit. Abhängig von der Phasenmischung über Wasserstoffbindungen oder ein Entmischung der weichen und harten Segmente können Polyurethane spezifische Film­eigenschaften bieten, die speziell auf Beschichtungsanforderungen zugeschnitten sind (5,6).
Durch die obigen Eigenschaften lassen sich Poly­urethandispersionen für eine Vielzahl von Beschichtungsanwendungen einsetzen, insbesondere für Bodenbelagsanwendungen, bei denen entsprechende mechanische Eigenschaften unerlässlich sind. Herausragende Belastbarkeit, Dehnungsfähigkeit sowie eine ausgezeichnete Kratz- und Ritzfestigkeit stellen typische durch Polyurethan-Systeme gebotene Vorteile dar. Außer den bei Polyurethan-Systemen gebotenen Vorteilen haben umweltbezogene und rechtliche Anforderungen Kunstharzhersteller dazu veranlasst, dem Aufbau von Dispersionen große Bedeutung zukommen zu lassen.

Umweltverträglichkeit und Emissionsarmut bei Parkettlacken

Innerhalb der festgelegten EU-Richtlinien werden wasserbasierte Parkettlacke als Beschichtungen der Leistungsgruppe 1C und 2C klassifiziert. Der zugehörige maximale Gehalt an für diese Beschichtungsklasse zulässigen flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) ist innerhalb der Europäischen Union auf 140 g/l festgelegt. Außer dieser zwingend vorgeschriebenen europäischen Richtlinie sehen sich Parkettlackhersteller der Notwendigkeit ausgesetzt, Produkte mit niedrigeren VOC-Werten zu fertigen, um diese mit entsprechenden Umweltzeichen wie beispielsweise dem „Blauen Engel", GISCODE-Klassifizierungen und dem Ökolabel vermarkten zu können.

Grafik-1-deDarüber hinaus zeigt sich innerhalb der Europäischen Union und in bestimmten weiteren europäischen Ländern ein anhaltendes Interesse sowie ein fortwährender Trend, VOC-Höchstwerte innerhalb eines eindeutig festgelegten Zeitraums auch auf maximal zulässige gemessene VOC-Emissionen anzuwenden. Grund hierfür ist unter anderem die Tatsache, dass Messungen der VOC-Emissionen und der Innenraumluftqualität erheblich mehr mit den letztendlich möglichen Auswirkungen des verwendeten Parkettlacks auf die Gesundheit der Personen, die das entsprechende Gebäude oder den jeweiligen Raum verwenden, in Verbindung stehen.
In Deutschland unterliegt die Verwendung von Bauprodukten den Bestimmungen der in den jeweiligen Bundesländern geltenden Bauvorschriften. Diese Bestimmungen schreiben vor, dass Gebäude auf eine solche Weise entworfen, gebaut und gewartet werden müssen, dass dadurch Leben, Gesundheit und Naturhaushalt nicht gefährdet werden. Innerhalb der Europäischen Union muss für Bauprodukte auch die europäische Bauproduktenrichtlinie (BPR) eingehalten werden. Die in den einzelnen Bundesländern geltenden Bauvorschriften und die europäische BPR dienen unter anderem dem Schutz der Gesundheit von Personen, die die jeweiligen Gebäude benutzen.

Obwohl es keinen Zweifel daran gibt, dass die Gesundheit solcher Personen geschützt werden muss, war es noch immer nicht klar, wie dieser Schutz sich genau realisieren lassen konnte. Der AgBB (Ausschuss für die gesundheitliche Bewertung von Bauprodukten) sieht es in Deutschland als eine seiner Hauptaufgaben an, Grundlagen für eine einheitliche gesundheitsbezogene Bewertung von Bauprodukten festzulegen, um so entsprechende in den Bauvorschriften der einzelnen Bundesländer und der BPR spezifizierte Anforderungen zu erfüllen. Das entsprechende Bewertungsverfahren soll rückverfolgbar und möglichst objektiv sein.

Der AgBB hat ein Verfahren zur gesundheitsbezogenen Bewertung von VOC-Emissionen festgelegt, die von für Innenraumanwendungen eingesetzten Bauprodukten stammen. Entsprechende VOCs umfassen Verbindungen im Retentionsbereich von C6 bis C16, die sowohl als einzelne Substanzen als auch in Bezug auf das TVOC-Konzept (TVOC = Summe aller flüchtigen organischen Verbindungen) als Summenparameter betrachtet werden, sowie halbflüchtige organische Verbindungen (SVOCs) innerhalb eines Retentionsbereichs von C16 bis C22. Dementsprechend werden die Emissionen gemäß dem AgBB-Verfahren in vorher festgelegten Prüfkammern nach der europäischen Norm DIN EN ISO 16000 -9 bis -11 gemessen.

Durch Umsetzung dieses fortwährenden Trends maximal zulässiger VOC-Emissionen für die Parkettlackindustrie entstehen neue Anforderungen bei der Lackentwicklung, durch die eine Erfüllung dieser neuen vorgeschlagenen Richtlinien sichergestellt werden soll. Dies hat insbesondere auf die bei der Herstellung von Parkettlacken verwendeten Polymere größere Auswirkungen.

Herkömmlich umfassen die zur Herstellung von Parkettlacken verwendeten Polymere Polyurethandispersionen und Urethan-Acrylverbindungen - entweder in Hybridform oder durch physikalisches Mischen. Es ist außerdem bekannt, dass diese Polymer-Technologien bis heute wesentliche Mengen an Co-Lösungsmitteln erfordern, um das oftmals mit Parkettlacken verbundene hohe Leistungsprofil erreichen zu können.
In den letzten Jahren hat sich die Parkettlackindustrie der Herausforderung gegenüber gesehen, die Verwendung des Rohmaterials (Co-Lösungsmittels) NMP einzustellen. Die Entwicklung von Parkettlacken mit möglichst niedrigen VOC-Emissionen stellt jedoch eine weitere Herausforderung dar. Es müssen neue Polymer-Konzepte entwickelt werden, die für eine angemessene Filmbildung möglichst geringe Mengen an Co-Lösungsmitteln erfordern. Polymer-Technologien mit niedrigem VOC-Wert werden im Laufe der Zeit eine Basis für möglichst geringe VOC-Emissionen bereitstellen. Von wesentlicher Bedeutung ist hier jedoch die Entwicklung eines VOC-armen Polymer-Konzepts, mit dem trotz allem das für Parkettbodenanwendungen erforderliche sehr hohe Leistungsprofil bereitgestellt wird.

In dieser Veröffentlichung veranschaulichen wir das Design einer emissionsarmen Polyurethandispersion (Low Emission Polyurethane Dispersion (LEPUD)), die eine Kombination aller erforderlichen Aspekte bereitstellt, die sowohl für Nass- als auch Trockenfilmanwendungen ideale Voraussetzungen darstellen.

LEPUD-Design - Erwägungen in Bezug auf Bodenbelagseigenschaften

Im Allgemeinen lassen sich eine ausgezeichnete Filmbildung und kohärente Beschichtung ohne Co-Lösungsmittel erzielen, indem hauptsächlich weiche Bausteine verwendet werden. Bei solchen Systemen lässt sich jedoch oftmals feststellen, dass für Bodenbeläge wesentliche mechanische Eigenschaften, wie beispielsweise erzielte Härte, Abriebbeständigkeit, Beständigkeit gegen durch Schuhabsätze verursachte schwarze Flecken (BHMR) und Kratzfestigkeit nicht einem für Parkettanwendungen erforderlichen Niveau entsprechen. Beim LEPUD-System wurde ein delikates Gleichgewicht zwischen einer harten und weichen Segmentierung erzielt und somit eine angemessene Filmbildung ohne Co-Lösungsmittel ermöglicht. Zusätzlich wurden die weichen Segmente über einen Vernetzungsmechanismus, der während und nach der Filmbildung aktiviert wird, verstärkt. Die Vernetzungsgruppen sind in den flexiblen Bereichen vorhanden, wodurch eine hohe Vernetzungseffizienz erhalten wird. Damit zeigt das LEPUD-System bei Rezepturen mit einem VOC-Wert von fast Null herausragende Eigenschaften auf.


Fortsetzung in FAPU 66.
 
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