Umweltverträgliches und schadstoffarmes PUD-Konzept mit verbesserten Eigenschaften für Bodenbeläge

Marc Roelands, R. Satguru und R. Swaans, DSM NeoResins+, Waalwijk, NiederlandeFortsetzung aus FAPU 65.

LEPUD – Trockenfilmeigenschaften – Eine Kombination aus ausgezeichneter Filmbildung und hoher Leistung
Das Verhältnis zwischen Urethan- und Harnstoffbindungen ist bezüglich der Phasenentmischung von harten und weichen Bereichen des Kunstharzes und auch für die Kohäsionsfestigkeit der harten Bereiche von wesentlicher Bedeutung (5,6). Harnstoff-Segmente stellen im Vergleich zu Urethanbindungen im Rückgrat erheblich dichtere Wasserstoffbindungsinteraktionen bereit (insbesondere im Falle einer Kettenerweiterung mit Hydrazin).

Grafik-2-deAbb. 2: Wasserstoffbindung von Harnstoff (links) im Vergleich zu Urethanbindungen (rechts)
 

Beim LEPUD-System reagieren über 70% aller Isocyanat-Gruppen zur Bildung einer Urethanbindung und weniger als 30% zur Bildung von Harnstoffbindungen. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung der zur Filmbildung erforderlichen Mindesttemperatur. Der gleichzeitige Verlust der intrinsischen Härte wird durch eine Vernetzung ausgeglichen.

Die herausragende Filmbildung bei LEPUD-Systemen in Abwesenheit eines Filmbildungshilfsmittels oder von Additiven wird durch Atomkraftmikroskopie in Abbildung 3 dargestellt. Das Phasenbild zeigt die Kohärenz des Films mit hohem Koaleszenzgrad klar auf.
Der Vernetzungsmechanismus basiert auf einer Reaktion zwischen Carbonyl- und Hydrazidgruppen (7). Die Vernetzungsgruppen sind in den flexiblen Teil des Urethan-Rückgrats integriert, wobei sich zeigt, dass zum Erhalt einer angemessenen Balance zwischen den jeweiligen Eigenschaften der Vernetzungsgrad von hoher Bedeutung ist.
Grafik-3-deAbb. 3: Atomkraftmikroskopie-Phasenbild des kohärenten durch unformulierte LEPUD erhaltenen Films.

Grafik-4-deAbb. 4: Auswirkungen der Vernetzungsdichte auf die mechanischen Eigenschaften des LEPUD-Systems.
Die Vernetzungsdichte wird als mmol-Vernetzungen pro Gramm Festharz angegeben.
Mc wird in kDa angegeben. BHMR: 0 = sehr schlecht, 5 = ausgezeichnet


Der deutliche Anstieg hinsichtlich mechanischer Eigenschaften wird in den Abbildungen 4a und b dargestellt. König-Härte und BHMR werden in Bezug auf die Vernetzungsdichte aufgezeigt. Zur Bewertung der unterschiedlichen Vernetzungsdichten wurde das Molekulargewicht zwischen den einzelnen Vernetzungen (Mc) verwendet.
Grafik-5-deAbb. 5: Schmutzaufnahmebeständigkeit des LEPUD-Systems bei unterschiedlicher
Vernetzungsdichte - angegeben als delta-E-Werte und mithilfe von Fotos des
gereinigten Films dargestellt.


Durch Anstieg des Vernetzungsgrads im LEPUD-System werden Beschichtungshärte und BHMR auf ein für Parkettbodenanwendungen akzeptables Niveau erhöht. Von Bedeutung ist hier, dass die Filmbildungstemperatur unbeeinflusst bleibt. Die LEPUD-Probe mit höchster Vernetzungsdichte zeigt eine zur Filmbildung erforderliche Mindesttemperatur von unter 0°C auf. Es ist deshalb kein Co-Lösungsmittel zum Erhalt eines kohärenten Films erforderlich.

Von LEPUD aufgezeigte Schmutzaufnahmebeständigkeit

Die Schmutzaufnahmebeständigkeit (DPUR) stellt bei Boden- und dekorativen Beschichtungen eine sehr wichtige Eigenschaft dar. Sie bezieht sich auf die Beständigkeit gegen ein Anhaften von in der Umgebung befindlichem Staub und Schmutz und das Aussehen des Films nach der Reinigung. Sie wird oft während der Beständigkeitsprüfung als Parameter gemessen, wobei die Farbänderung im Vergleich zum anfänglichen weißen Lack als delta-E-Wert angegeben wird.

Zu diesem Zweck wurde ein halbquantitativer Test, der eine relativ gute Übereinstimmung mit im Freien durchgeführten Tests aufzeigt, angewendet. Bei diesem Test werden schwarze Pigmente in Ethanol/Wasser auf eine weiß pigmentierte Beschichtung gegossen und bei 60°C 30 Minuten getrocknet. Die Oberfläche wird anschließend mit einer Seifenlösung gereinigt und die Verfärbung durch Messung des Delta-E-Werts bewertet. Ein niedriger delta E-Wert weist auf eine gute Schmutzaufnahmebeständigkeit hin.
In Abbildung 5 wird der Delta-E-Wert des LEPUD-Systems in Bezug auf die Vernetzungsdichte dargestellt. Darüber hinaus werden in Abbildung 5 auch die Prüfplatten nach der Reinigung gezeigt. Es ist klar ersichtlich, dass sich die Schmutzaufnahmebeständigkeit bei einer höheren Vernetzungsdichte klar verbessert.
 
LEPUD – Nassfilmeigenschaften
Für Parkettlackanwendungen eingesetzte wasserbasierte Kunstharze werden selbstverständlich immer unter sorgfältiger Berücksichtigung aller wesentlichen Faktoren entwickelt, durch die ein maximales Leistungsprofil der getrockneten Beschichtung gewährleistet wird. Beim Endgebrauch des Bodens sollte der Lack eine hohe mechanische und Chemikalienbeständigkeit aufweisen, da Anwendungen oftmals stark begangene Bereiche umfassen.
Gleichermaßen wichtig sind jedoch auch die ästhetischen Eigenschaften der Parkettlacke. Die ersten Eindrücke, die der Endbenutzer hat, sind „Look & Feel“ eines beschichteten Parkettbodens.
Herkömmlich weisen mit Fettsäure modifizierte Polyurethandispersionen (oxidative Härtung) bei unterschiedlichen Schichtdicken wesentliche Farbunterschiede auf. Diese Schichtdickenunterschiede lassen sich oftmals darauf zurückführen, wie der Parkettlack auf den Boden aufgetragen wurde. Solche Läppprobleme sind unerwünscht, da sie am getrockneten Boden ein gestörtes und ungleichmäßiges Erscheinungsbild erzeugen.
Dieser Nachteil lässt sich beim LEPUD-Konzept vermeiden, da der verwendete Vernetzungsmechanismus nicht von der Schichtdicke abhängig ist. Darüber hinaus wird beim LEPUD-System eine Minimierung der Läppeigenschaften berücksichtigt.
Eine weitere wesentliche Nassfilmeigenschaft ist die offene Zeit des aufgetragenen Parkettlacks. Da die offene Zeit oftmals durch die Hinzufügung und Auswahl von Co-Lösungsmitteln bestimmt wird, stellt diese Eigenschaft bei der Notwendigkeit für möglichst niedrige Emissionen eine größere Herausforderung dar. Das in dieser Veröffentlichung beschriebene LEPUD-Konzept stellt in Bezug auf die offene Zeit angemessene Eigenschaften bereit. Dies erfolgt durch (i) kritische Auswahl des Polyurethan-Rückgratpolymers, das eine ausgezeichnete Basis bereitstellt, wenn es darum geht, eine längere offene Zeit des trocknenden Films bereitzustellen. Außerdem (ii) basiert das LEPUD-Konzept auf einem Design, für das zur Bereitstellung maximaler Trockenfilmeigenschaften (d. h. mechanische und Chemikalienbeständigkeit) kaum ein Erfordernis für Co-Lösungsmittel besteht und somit die Hinzufügung ausgewählter Co-Lösungsmittel erwogen werden kann, die zur weiteren Optimierung der offenen Zeit beitragen, ohne damit Emissionsmessungen auf negative Weise zu beeinflussen.
Grafik-6-deAbb. 6: König-Härte und zur Filmbildung erforderliche Mindesttemperatur bei unterschiedlichen
Mischungen zwischen einer Hartpartikel-Emul­sion und dem LEPUD-System.


Kombinationen mit anderen Kunstharzen
Wie oben dargestellt, werden mit dem LEPUD-System ausgezeichnete Bodenbelagseigenschaften bereitgestellt, ohne dass hierfür Co-Lösungsmittel erforderlich sind. Außerdem hat dieses System den Vorzug, dass es sich zur Bereitstellung bestimmter Vorteile auch mit anderen Kunstharzen kombinieren lässt. So zum Beispiel ermöglicht LEPUD die Hinzufügung einer größeren Menge an hartem, nicht filmbildendem Kunstharz, ohne dass dadurch die Filmbildung beeinträchtigt wird. So können beispielsweise bis zu 25% Gewichtsprozent einer vorvernetzten Hartpartikeldispersion mit LEPUD kombiniert werden, ohne dass zum Erhalt einer kohärenten Filmbildung ein Co-Lösungsmittel erforderlich ist. Es muss jedoch beachtet werden, dass sich bei diesem Mischverhältnis ein wesentlicher Anstieg der König-Härte des LEPUD-Systems zeigt. Dieser Effekt wird in Abbildung 6 dargestellt.

Schlussfolgerung
Das LEPUD-Konzept kann die erforderlichen Bodenbelagseigenschaften aufweisen. Es ist nicht nur umweltverträglich, sondern erfüllt auch entsprechende Kriterien in Bezug auf Emissionsarmut bei gleichzeitiger Beibehaltung eines hohen Leistungsprofils. Es wurde die Wichtigkeit des Erhalts optimal ausgeglichener Trocken- und Nasseigenschaften mit ausgezeichneten Chemikalienbeständigkeiten sowie mechanischer Eigenschaften mit einem Koaleszenzerfordernis von fast Null hervorgehoben.

Danksagung

Die Autoren möchten sich bei Paul de Kok, Lex Donders und Michel van Hoof für ihre Beiträge bei der Zusammenstellung dieser Veröffentlichung bedanken.

Biographie
Drs. Marc Roelands promovierte in physikalisch-organischer Chemie an der Universität von Utrecht, Holland. Seit 1997 arbeitet er bei DSM NeoResins+. Sein Forschungs- und Entwicklungsprogramm konzentrierte sich auf die Technologiebereiche Acryl- und Polyurethandispersionen sowie Hybridkonzepte und wässrige UV-Dispersionen. Zurzeit ist er als Industry Manager für die Marktsegmente Beschichtungen im dekorativen Bereich, Böden und Bauanwendungen zuständig.

Dr. Guru Satguru promovierte in Polymerchemie an der Universität in Lancaster, England, und war anschließend als wissenschaftlicher Mitarbeiter für Polymerkolloide an der Universität in Bristol tätig. Bei DSM NeoResins+ arbeitet er als Business Research Associate im Forschungsbereich für wässrige Oberflächenbeschichtungen.

Drs. Roel Swaans studierte Chemie an der Universität von Nijmegen, Niederlande. Nach seinem Abschluss in 2000 begann er seine wissenschaftliche Tätigkeit in der Forschung bei DSM NeoResins.

Quellenangabe

(1) J. C. Padget, J.Coatings Tec., 66, (839) 89, (1994)
(2) B. K. Kim, Colloid Polm Sci., 274, 559, (1966)
(3) M. Hirose, J. Zhou, K. Nagel, Prog Org Coatings, 38, 27, (2000)
(4) R. Satguru, J. Mcmahon, J. C. Padget, R. G. Coogan, J. Coatings Tech., 66, (830) 47, (1994)
(5) Wang, Macromolecules, 16, 775-786, (1983)
(6) Delpech, Coutinho, Polymer Testing 19, 939-952, (2000)
(7) F. Buckman, A Overbeek, T. Nabuurs, Eur. Coating J., 6, 53, (2001)