5. Einheit:

EIGENSCHAFTEN UND ZUSAMMENSETZUNG VON LACKEN Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz

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ZIELE DER HEUTIGEN EINHEIT Am Ende der Einheit Eigenschaften und Zusammensetzung von Lacken..  ..können Sie die Bestandteile eine Lackes benennen.  ..können Sie jeweils ein Beispiel zu den Bestandteilen nennen.  ..sind in der Lage die Aufgaben von Bindemittel und Lösemittel zu erklären.  ..können den Unterschied zwischen physikalischer Trocknung und chemischer Erhärtung erläutern.  ..kennen Beispiele für Lacke.

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EXKURS: DIE KORREKTE FORMELSCHREIBWEISE!  Die unkorrekte Verwendung der Formelsprache kann zu schweren Fehlern führen: 𝑪𝑶 ≠ 𝑪𝒐 ⇢ CO = C Kohlenstoff + O Sauerstoff ⇢ Co = Cobalt (Metall) 𝑪𝒂(𝑶𝑯)𝟐 ≠ 𝑪𝒂(𝑶𝑯𝟐 ) ⇢ 𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 ≡ 𝐶𝑎2+ + 2 𝑂𝐻 − ⇢ 𝐶𝑎 𝑂𝐻2 ≡ 𝐶𝑎 + 𝐻2 𝑂 𝑆𝑂4 ⇢ 1 ∗ 𝑆 𝑆𝑐ℎ𝑤𝑒𝑓𝑒𝑙 + 4 ∗ 𝑂 𝑆𝑎𝑢𝑒𝑟𝑠𝑡𝑜𝑓𝑓 Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz

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ZUR WIEDERHOLUNG  Kalk/Calciumcarbonat (CaCO3) zersetzt sich in Säure zu Kohlenstoffdioxid und Wasser 𝐶𝑎𝐶𝑂3 𝑠 + 2 𝐻3 𝑂+ 𝑎𝑞 → 3 𝐻2 𝑂 𝑙 + 𝐶𝑎2+ (𝑎𝑞) + 𝐶𝑂2 (𝑔)

 Kalkwasserprobe zum Nachweis von Kohlenstoffdioxid 𝐶𝑂2 𝑔 + Ca(OH)2 𝑎𝑞 → 𝐶𝑎𝐶𝑂3 𝑠 + 𝐻2 𝑂 𝑙

 Säure löst Kalk auf – Bildung von CO2 und Wasser – Entstehen wasserlöslicher Calciumverbindungen z.B. Ca(NO3)2

 Gebrannter Kalk/Calciumoxid (CaO) löst sich in Wasser 𝐶𝑎𝑂 𝑠 + 𝐻2 𝑂 𝑙 → 𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 𝑎𝑞 – Bildung von Kalkwasser/Calciumhydroxid (Ca(OH)2) – Starke Base (ätzend)

𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 𝑎𝑞 → 𝐶𝑎2+ 𝑎𝑞 + 2 𝑂𝐻 − 𝑎𝑞 Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz

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ZUR WIEDERHOLUNG CO2

Kalkstein

1000 °C

Gebrannter Kalk

CaCO3

Brennen

CaO

CO2

Löschen

H2O

Versteinern H2O

Gelöschter Kalk Ca(OH)2

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ZUR WIEDERHOLUNG  Richtig unterscheiden! – – – –

Baugips: CaSO4* 0,5 H2O Gipsstein: CaSO4* 2 H2O Bindemittel: Masse die für die Stabilität sorgt Porenbildner: Mischung die für Gasbildung sorgt

 Atombilanz – Ausgangs- und Endstoffe müssen aus gleicher Art und Anzahl von Atomen aufgebaut sein

 Ladungsbilanz – Summe der Ladungen auf der Edukt- und der Produktseite sollten jeweils bzw. insgesamt ausgeglichen (neutral) sein.

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DIE WELT OHNE LACKE

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WAS IST EIN LACK?  ein Beschichtungsstoff für Metalle, Holz, Kunststoffe, Stein, Beton u.a. – bildet nach dem Auftrag einen deckenden festen Film mit dünner Schicht

 Schutz: Imprägnierung, Korrosionsschutz, Licht- oder Wärmebeständigkeit u.a.  Dekoration (Farbe, Glanz, Musterung, Patinieren von Möbeln, Metalleffekt, Brillanteffekt, Perlglanzeffekt)  Zur Haftvermittlung zwischen Untergrund und Deckschicht (Grundierung), Scheuer- und Wischbeständig, u. a. Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz

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WAS IST IN EINEM LACK ENTHALTEN? Komponenten eines Industrielackes

Quelle: Fonds der chemischen Industrie, „Lacke und Farben“, Textheft aus der Informationsserie 28, Februar 2003, S. 14

Das Bindemittel ist der wichtigste Bestandteil eines Lackes! Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz

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DAS BINDEMITTEL  bildet nach dem Trocknen/ Härten einen zusammenhängenden Film  vermittelt die Haftung der Beschichtung zum Untergrund und zu nachfolgenden Schichten  schließt zugegebene Additive, Pigmente ein

Nach H. Beckers, BUW 2011

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LACKBINDEMITTEL  können Harze, Öle oder Kunststoffe sein  natürliche Öle oder Harze sind z. B. Leinöl bzw. Schellack – heute verstärkt durch Kunstharze ersetzt

 Kunstharze sind synthetische Polymere, die durch Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition entstehen – z.B. Polyacrylate, Polyester, Polyurethane

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TROCKNUNG VON LACKEN  zwei Grundprinzipien zur Bildung eines Lackfilms – physikalische Trocknung – chemische Härtung

 Moderne Lacke härten oft durch eine Kombination aus physikalischer Trocknung und chemischer Härtung

Quelle: Fonds der chemischen Industrie, „Lacke und Farben“, Textheft aus der Informationsserie 28, Februar 2003, S. 16

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PHYSIKALISCHE TROCKNUNG  Lösemittel machen den zähen Lackharz (Bindemittel) streichfähig  nach Verdunsten des Lösemittels backen die Bestandteile des Bindemittels zusammen (Sekundärbindungskräfte) – Kalter Fluss  nur physikalisch getrocknete Lacke können durch Lösemittel wieder gelöst werden  Beispiel: wasserverdünnbare Kunstoffdispersionen wie Wasserlacke und Dispersionsfarben

Quelle: Fonds der chemischen Industrie, „Lacke und Farben“, Textheft aus der Informationsserie 28, Februar 2003, S. 28

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CHEMISCHE HÄRTUNG  Bindemittelmoleküle müssen reaktive Gruppen enthalten – Filmbildung durch Vernetzungsreaktionen

 die gebildeten harten oder zähelastischen Filme, lassen sich in flüssigen Lösemitteln nicht mehr lösen  Beispiele für chemisch härtende Beschichtungsstoffe: – oxidative Erhärtung von Ölfarben oder Alkydharzlacken – Härtung von Zwei-Komponentenlacke (kalte Erhärtung) – Härtung von Einbrennlacken in der Hitze – Härtung von ungesättigten Polyesterlacken durch Strahlung  „kalt härtende“ Zwei-Komponenten-Lacke: – Vernetzung von Polyesterlacken mit dem Lösungsmittel Styrol – Polyaddition von Polyurethan- oder Epoxidharzlacken (Stammlack) nach Zusatz eines Härters Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz

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OXIDATIVE HÄRTUNG LUFTTROCKNENDER ÖLE z.B. Leinöl-Bestandteil

Katalysator

Polymer (Filmbildung)

Quelle: Fonds der chemischen Industrie, „Lacke und Farben“, Textheft aus der Informationsserie 28, Februar 2003, S. 16

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KALT-HÄRTENDE ZWEIKOMPONENTENLACKE  Zwei Komponenten: – Bindemittel (Molekül mit OH-Gruppen) – Härter (Molekül mit NCO-Gruppen)

 Mischung sorgt für die Vernetzung und Filmbildung

Quelle: Fonds der chemischen Industrie, „Lacke und Farben“, Textheft aus der Informationsserie 28, Februar 2003, S. 21

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BEISPIELE WICHTIGER KUNSTHARZE Bezeichnung Aufbaureaktion

Monomere

Acrylharz (Polyacrylat)

Polymerisation

Acrylsäureester, Methacrylsäureester

Alkydharz

Polykondensation

mehrwertige Säuren -C(O)OH Polyalkohole -OH ungesättigte Fettsäuren -C(O)OH

Phenolharze

Polykondensation

Formaldehyd Phenol

H2C=O -OH

mehrwertige Alkohole mehrwertige Säuren

-OH -C(O)OH

Polyesterharze Polykondensation

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Baugruppe

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C C

BEISPIELE WICHTIGER KUNSTHARZE Bezeichnung Aufbaureaktion

Melaminharz

Polykondensation

Monomere

Baugruppe

Formaldehyd Melamin

H2C=O -NH2

O Epoxidharz

Polyurethan

Polyaddition

Polyaddition

Epoxid

CH2 CH

Diphenol

-OH

Diisocyanate Polyalkohole Amine

-N=C=O -OH -NH2

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LÖSEMITTEL  verdünnen Beschichtungsstoffe auf die für die Verarbeitung geeignete Viskosität (Verdünner)  steuern die Filmbildung: Die Geschwindigkeit ihrer Verdunstung während des Trocknungsprozesses beeinflusst Optik und Dauerhaftigkeit des Lacks (Verwendung von Lösemittel-Gemischen).  die meisten Lacklösemittel sind flüchtige organische Verbindungen (Geruchsbelästigung, Brandgefahr, gesundheitliche Beeinträchtigungen)

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BEISPIELE WICHTIGER LÖSEMITTEL Stoffklasse

Beispiele

Strukturformel

Alkane

Benzine

H(CH2)nH, CH3

Siedebereich 60 - 200 °C

CH3

CH3

CH3

CH3

Aromaten

110 - 200 °C

Toluol, Xylole CH3

60 - 200 °C

Ester

Ethylacetat

H3CC(O)OC2H5

Ketone

Aceton

H3CC(O)CH3

60 - 150 °C

Glycolether

Butylglycol

HO(CH2)2O(CH2)3CH3

150 - 200 °C

Alkohole

Ethanol

H3CCH2OH, H3C(CH2)3OH

80 - 160 °C

Wasser

CH3

100 °C

H2O

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WASSERVERDÜNNBARE LACKE  geringe Belastung der Umwelt mit organischen Lösemitteln.  wässrige Kunststoffdispersionen (Bindemittel): Tröpfchen oder feste Teilchen sehr fein und stabil im Wasser verteilt.  Dispersionsfarben (für Wand- und Fassadenfarben), Dispersionslacke und - lackfarben (Filmbildung; enthalten bis zu 10% organische Lösungsmittel als Filmbildungshilfsstoffe), Dispersionslasuren (z. B. Holzbeschichtung in Innenräumen).

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PIGMENTE  Pigmente sind im Bindemittel nicht lösliche Farbmittel  weiße, schwarze oder farbige Pulver, die im Bindemittel verteilt (dispergiert) vorliegen.  der Farbeindruck entsteht durch Absorption , Reflexion oder Streuung bestimmter Anteile des sichtbaren Lichts.  Beispiele für Pigmente: – Titandioxid

Farbe: weiß

– Ruß

Farbe: schwarz

– Alu-Pulver

Glitzereffekt bei Metallic-Lackierung

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BEISPIELE WICHTIGER ANORGANISCHER FARBPIGMENTE Bezeichnung Farbton

Zusammensetzung

Titandioxid

weiß

TiO2 (Rutil, Anatas)

Eisenoxide

gelb, rot,

FeO(OH), Fe2O3

(Eisen(III)oxid) schwarz

Fe3O4 (Eisen(II, III)oxid)

Chrom(III)oxid grün

Cr2O3

Ruß

Kohlenstoff

schwarz

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BEISPIELE WICHTIGER ORGANISCHER FARBPIGMENTE

Quelle: Fonds der chemischen Industrie, „Lacke und Farben“, Textheft aus der Informationsserie 28, Februar 2003, S. 23

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ADDITIVE Beispiele für Zusatzstoffe sind:  Beschleuniger – die chemische Härtung des Lacks wird beschleunigt

 Antioxidationsmittel – vermeiden Hautbildung und Gelieren des Lacks

 Rostschutzmittel – verbessern die Schutzeigenschaften und Beständigkeit des Lacks gegen Witterung u.a.

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FUNKTIONALISIERUNG DURCH LACKE  Lacke können Oberflächen nicht nur schützen, sondern verändern  hydrophob (altgriechisch: phobos, „Furcht“) – Wasserabweisend – Unpolare Stoffe, wie z.B. Fette, Wachse und Öle – Nicht mit Wasser mischbar  hydrophil (altgriechisch: philos, „liebend“) – Polare Stoffe: Salze, Alkohole, Gesteine – In Wasser löslich – Wasseraufnehmend Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz

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Stoffe mit hydrophoben und hydrophilen Anteilen sind amphiphil: z.B. Tenside

5.1. LACKHERSTELLUNG Herstellung eines Lacks aus Leinöl (Bindemittel), Titandioxid (Pigment) und Xylol (Lösungsmittel) – Titandioxid als Pigment zur Farbgebung

TiO2 – Xylol sorgt für die Streichfähigkeit

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5.1. LACKHERSTELLUNG  Additive, wie z.B. Cobaltseife dienen zur Verbesserung der Lackeigenschaften bzw. zur schnelleren Trocknung  Leinöl (Gemisch aus unterschiedlichen veresterten Fettsäuren) bildet den Lackfilm und härtet an der Luft aus (chemische Härtung)

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5.2. HERSTELLUNG EINES LÖSEMITTELHALTIGEN LACKS - HERSTELLUNG DES POLYESTERS Glycerin und Phthalsäureanhydrid werden in einer Polykondensationsreaktion zu Polyester umgesetzt – Glycerin kann mit drei OH-Gruppen vernetzen – Netzwerkbildung → Duroplast

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5.2. HERSTELLUNG EINES LÖSEMITTELHALTIGEN LACKS - LÖSEN DES POLYESTERS Das Polymer (Bindemittel) wird mit Hilfe eines Lösemittelgemisches aufgelöst  enthält Ethylacetat (Acetessigester), Butanon (Ethylmethylketon), Toluol und n-Butanol  man erhält streichfähigen, festen Lackfilm

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5.3. EIN LACK AUS KUNSTSTOFFABFALL Polystyrol (Bindemittel) wird in Toluol (Lösemittel) aufgelöst  Makromolekülketten gehen in Lösung (Bleiben erhalten!)  Nach dem Auftragen verdampft das Lösungsmittel, Polystyrol härtet wieder aus (physikalische Trocknung)

Radikalische Polymerisation

http://hpgstation.de/wp-content/uploads/2012/01/Styrol-Polystryrol.jpg Zugriff: 27.05.2014 17:00

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5.4. SILICONISIEREN VON GASBETONSTEIN  Der Stein wird mit einer Siliconverbindung überzogen – Die Oberseite ist hydrophob (wasserabweisend) – Die Unterseite ist hydrophil (wasserliebend)

 Wassermoleküle können die hydrophobe Schicht nicht durchdringen – Wasser perlt ab

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5.4. SILICONISIEREN VON GASBETONSTEIN

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