2K-PU-UltraHighSolid-Einschichtsystem für hochwertige Anwendungen

Dr. Roland Kern, Gruppenleiter Entwicklung Industrielacke, Emil Frei GmbH & Co. KG, Bräunlingen

Das neuartige, mit Rohstoffkomponenten der modernsten Generation formulierte Beschichtungssystem erfüllt sämtliche Anforderungen an hochwertige Anwendungen wie sehr hohe Beständigkeitseigenschaften, sehr gute Oberflächenqualität, hohe kocherfreie Schichtstärken sowie breite Wahl der Applikationsparameter. Neben der Erfüllung der Anforderungen an die VOC-Emissionen lackverarbeitender Betriebe ermöglicht das Beschichtungssystem eine signifikante Kostenreduktion hinsichtlich Produktion und Logistik ohne Kompromisse zwischen Grundierungs- und Decklackeigenschaften.

Industrielle Beschichtungsprozesse sind augenblicklich geprägt durch den starken Anstieg der Anforderungen an die eingesetzten Beschichtungssysteme. Daneben stellt die Erhöhung der Effizienz des Beschichtungsverfahrens eine zentrale Säule zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Fertigungsprozesse dar. Hinzu kommt die Erfüllung der VOC-Anforderungen, weshalb die Verwendung umweltfreundlicher Wasserlacke, Pulverlacke sowie HighSolid-Systeme seit vielen Jahren stark zugenommen hat. Im Markt besteht die Forderung nach Beschichtungssystemen mit ca. 80 Gewichtsprozent Festkörperanteil, wodurch eine deutliche Unterschreitung des VOC-Grenzwertes von 420 g/l gewährleistet wird. Derartige Systeme können auch als UltraHighSolid-Systeme bezeichnet werden.

Die Anforderungen im Bereich der hochwertigen Industrielackierung können standardmäßig mit Mehrschichtaufbauten erfüllt werden. Hierbei werden, neben dem Einsatz von KTL-Grundierungen, speziell durch die Verwendung von 2K-Epoxid-Grundierungen in Kombination mit 2K-PU-Decklacken ausgezeichnete Eigenschaftsprofile der Beschichtungen sowohl im Hinblick auf Haftfestigkeit und Korrosionsschutz wie auch auf Oberflächeneigenschaften, UV-Beständigkeiten sowie Chemikalienresistenzen erzielt.

Nachteile dieses Verfahrens bestehen im Einsatz mehrerer Lacksysteme sowie im erhöhten Zeitaufwand für Applikation bzw. Ablüften / Trocknung und somit allgemein in höheren Beschichtungskosten.

Die bisher kommerziell verfügbaren Einschichtsysteme wiesen Nachteile bzgl. der Taktzeiten bei der Verarbeitung bzw. hinsichtlich der erreichbaren Trockenschichtstärken auf, welches einen Einsatz auf gestrahlten Untergründen bzw. in Überdeckungsbereichen komplexerer Bauteile nicht zuließ.

Das bei FreiLacke unter Einsatz von Rohstoffkomponenten der neuesten Generation sowie einer ausgefeilten Rezeptierung formulierte 2K-Einschichtsystem mit einem Festkörpergehalt von 80 Gewichtsprozent erfüllt die Anforderungen an hochwertige Beschichtungen bei gleichzeitig hohen kocherfreien Schichtstärken, praxisgerechter Trocknung sowie guten Oberflächeneigenschaften. Die erzielten Beständigkeiten im Korrosionsschutz entsprechen dabei denen der beschriebenen Mehrschichtaufbauten. Der VOC-Gehalt des Beschichtungssystems liegt deutlich unterhalb des VOC-Grenzwertes.

Verarbeitungseigenschaften/Taktzeiten
Im Gegensatz zu Standard-Mehrschichtaufbauten ist mit dem hier vorgestellten Beschichtungssystem der Auftrag der gesamten Schichtstärke in einem Arbeitsgang möglich. Durch den Wegfall der Zwischen­ablüftung sowie ggf. der zwischenzeitlichen forcierten Trocknung der Grundierung können die Taktzeiten bei der Beschichtung in erheblichem Maße reduziert werden. Daneben können ebenfalls Einsparungen an Lösemitteln, speziell für Reinigungszwecke, realisiert werden.

Die nachfolgenden Diagramme verdeutlichen die Verhältnisse im Vergleich zu einem bisherigen Standard-Zweischichtaufbau aus FREOPOX-HighSolid-Grundierung ER1980 und EFDEDUR-HighSolid-Lackfarbe UR1991.

 

diagramm1_DE 

Diagramm 1: Vergleich klassischer Zweischichtaufbau mit neuem Einschichtsystem

 

diagramm2_DE 

Diagramm 2: Taktzeiten bei Applikation verschiedener Beschichtungsaufbauten am Beispiel eines Chassis
für Baufahrzeuge

 

Aus Diagramm 2 wird ersichtlich, dass mittels Einsatz des neuen Einschichtsystems neben einer Erhöhung des Durchsatzes zusätzlich eine Applikationsanlage eingespart werden kann. Durch die Reduktion auf den Einsatz eines einzigen Beschichtungssystems wird daneben eine Optimierung des Handlings der Beschichtungsstoffe hinsichtlich Logistik, Lagerhaltung sowie eines Ausschlusses der Verwechslung im betrieblichen Ablauf ermöglicht.

Die sich aufgrund des deutlich erhöhten Festkörpergehaltes des neuen Beschichtungssystems ergebenden Vorteile hinsichtlich der VOC-Emissionen sind in Tabelle 1 dargestellt.

 

 

System

Dry layer thickness [µm]

Solids content [% by weight]

VOC [g/l]

VOC [g/m²]

VOC total [g/m²]

New single-layer system

130

80

335

70

70

Standard two-layer coating

Standard primer

70

69

440

63

106

Standard top coat

60

69

395

43

 

Tabelle 1: Vergleich der Gesamt-VOC-Werte des neuen Einschichtsystems mit dem Standard-Zweischichtaufbau

 

Aus den Werten der Gesamtemissionen pro beschichteter Fläche ergibt sich eine Reduktion der VOC-Anteile beim neuen Einschichtsystem um ca. ein Drittel.

Materialverarbeitung/Applikationsfenster

Als besonders geeignete Applikationsbedingungen haben sich der Temperaturbereich von 18 bis 25 °C sowie eine relative Luftfeuchte von 40 bis 70 % erwiesen. Das Lackmaterial kann bevorzugt mittels Airmix-Verfahren bzw. konventioneller Luftzerstäubung verarbeitet werden. Sowohl die Trocknung bei Raumtemperatur als auch forciert bis 80 °C sind problemlos möglich.

Besonders hervorzuheben sind die Standfestigkeit sowie die Kochergrenze des Einschichtsystems. Diagramm 3 veranschaulicht die hohe Ablaufgrenze mit einer Trockenschichtdicke von ca. 130 µm im Vergleich zu dem Standard-Decklacksystem mit ca. 90 µm. Beide Lacksysteme weisen kocherfreie Schichtstärken von über 150 µm auf.

 

diagramm3_DE 

Diagramm 3: Vergleich der Ablaufneigung und Kochergrenze beim Standard-Decklacksystem und neuem
Einschichtsystem; Applikation der
Lacksysteme mittels Luftzerstäubung

 

Die guten Verlaufseigenschaften sowie die hohe Kochergrenze des Einschichtsystems werden speziell in den hohen Glanzgraden sowie niedrigen Werten des Glanzschleiers (Haze) bei Airmix-Applikation deutlich. In Tabelle 2 sind die entsprechenden Messdaten einander gegenübergestellt. ➠ ➠ ➠
    Dry layer thickness [µm]    Gloss level 60°    Gloss level 20°    Gloss haze
New single-layer system    130    87-89    62    290
High gloss topcoat system    80-90    90    75    112


Dry layer thickness [µm]

Gloss level 60°

Gloss level 20°

Gloss haze

New single-layer system

130

87-89

62

290

High gloss topcoat system

80-90

90

75

112

Tabelle 2: Vergleich der Glanzgrade und der Werte des Glanzschleiers des neuen Einschichtsystems mit dem Hochglanz-Decklacksystem; Applikation mittels Airmix-Verfahren; Ablüftdauer 30 min. bei Raumtemperatur, anschließend forcierte Trocknung bei 70 °C über eine Zeitdauer von 45 min.

Entgegen dem signifikant höheren Festkörperanteil zeigt das Einschichtsystem im Vergleich mit dem Hochglanz-Decklack nur einen geringen Unterschied hinsichtlich des erzielten Oberflächenglanzes und verdeutlicht somit die hohe Qualität der Beschichtungsoberflächen.

Trotz des zwischenzeitlichen Ablüftens der Grundierung vor Applikation des Decklacksystems zeigt das Einschichtsystem gegenüber dem Zweischichtaufbau bei vergleichbarer Trockenschichtstärke deutlich schnellere Trocknungseigenschaften. In Diagramm 4 sind die unterschiedlichen Trocknungsverläufe einander gegenüber gestellt.

 

diagramm4_DE 

Diagramm 4: Vergleich der Trocknungseigenschaften zwischen Standard-Zweischichtaufbau und neuem
Einschichtsystem; Applikation der Grundierung sowie des Decklackes mittels Rakelaufzug 100 µm,
Applikation des Einschichtsystemes mittels Rakelaufzug 200 µm; Belastung der Nadel mit 10 g


Die erkennbare signifikante Verkürzung der Trocknungszeit beim Einschichtsystem ermöglicht eine wesentlich raschere Weiterverarbeitung der beschichteten Bauteile. Eine grifffeste Beschichtungsoberfläche wird bereits nach einer Ablüft-/Trocknungszeit von acht bis zehn Stunden bei Raumtemperatur bzw. nach einer forcierten Trocknung von 45 Minuten bei 70 °C erreicht.

Hierbei wurde zur Erzielung einer ausgewogenen Balance zwischen Trocknungseigenschaften und Verarbeitungszeit die sog. Topfzeit auf 90 Minuten eingestellt.

 

Eigenschaften der Beschichtung
Um maximale Beständigkeiten bzw. Korrosionsschutz der Einschichtlackierung zu gewährleisten, werden folgende Untergrundvorbehandlungen empfohlen: Zinkphosphatierung, gestrahlter bzw. verzinkter Stahl, Aluminium, KTL-Grundierung.

Die mit unterschiedlichen Vorbehandlungsmethoden auf verschiedenen Substraten erhaltenen Korrosionsbeständigkeiten sind exemplarisch in der nachfolgenden Tabelle anhand des Ergebnisses im Salzsprühnebeltest vergleichend mit den Messwerten am Standard-Beschichtungsaufbau dargestellt.

Substrate

Load
duration [h]

Salt spray test

Adhesive strength [Gt]

Infiltration
at cut [mm]

Blistering

Degree of rusting

New single-layer system

Steel, blasted

600

0

1-1.5

0 (S0)

Ri0

Aluminium*

600

0-1

1-2

0 (S0)

Ri0

Standard two-layer coating

Steel, blasted

600

0-1

1-2

0 (S0)

Ri0

Aluminium*

600

0-1

1-1.5

0 (S0)

Ri0

Tabelle 3: Ergebnisse der Salzsprühnebelprüfung nach DIN EN ISO 9227 auf verschiedenen Substraten mit unterschiedlichen Vorbehandlungsmethoden, beschichtet mit neuem Einschichtsystem bzw. mit Standard-Zweischichtaufbau; beim Zweischichtaufbau: Ablüften der Grundierung 30 min. bei Raumtemperatur, nach der Decklack-Applikation forcierte Trocknung 45 min. bei 70 °C; beim Einschichtsystem: forcierte Trocknung 45 min. bei 70 °C
* Anschleifen des Substrates mit 100er Schleifpapier


Die erhaltenen Resultate zeigen, dass speziell auf gestrahltem Stahl sowie auf Aluminium sehr gute Korrosionsschutzwerte erhalten werden, welche denen des klassischen Mehrschichtaufbaus entsprechen.

Analog wird bei den genannten Beschichtungen bzw. Beschichtungsaufbauten im Kondenswassertest nach einer Belastungsdauer von ebenfalls 600 Stunden keinerlei Enthaftung bzw. keine Blasen- oder Rostbildung beobachtet.

Bei der Prüfung der Bewitterungsbeständigkeit im Weather-O-Meter (WOM)-Test wurden nach einer Belastungsdauer von 1.000 Stunden beim Farbton ca. RAL 1012 zitronengelb Restglanzwerte von 85 % im Messwinkel 60° ermittelt. Die Farbtondifferenz lag mit ΔE ca. 0,75 deutlich unterhalb der visuellen Toleranzen.

Die Beschichtung weist ebenfalls eine gute Beständigkeit gegenüber einer Vielzahl von handelsüblichen Betriebsstoffen und Chemikalien auf.

Zusammenfassend zeigen die erhaltenen Resultate, dass mit dem neuen Einschichtsystem die Anforderungen für hochwertige Industrielackierungen erfüllt werden. Dieses Beschichtungssystem stellt daher eine energie- und kosteneffiziente Alternative zu den im Markt verfügbaren Beschichtungsverfahren dar.

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