Mankiewicz Gebr. & Co.
Georg-Wilhelm-Straße 189
21107 Hamburg
Energieeffiziente UV-Lacktechnologie für den Einsatz auf komplex geformten Kunststoffoberflächen
Abschlussberichtüber ein Entwicklungsvorhaben gefördert unter dem AZ 30681- 21/2
durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt
Dr. Umberto De Rossi
Hamburg, 27.11.2015
Mankiewicz Gebr. & Co. Abschlussbericht „UV-Lacktechnologie“ Seite 1
11/95
Projektkennblatt
der
Deutschen Bundesstiftung Umwelt .
Az 30681-21/2 Referat Fördersumme 125.000,00 € Antragstitel
Energieeffiziente UV-Lacktechnologie auf komplex geformten
Kunststoffoberflächen
Stichworte
Laufzeit Projektbeginn Projektende Projektphase(n)
30 Monate 11.01.2013 11.07.2015
Zwischenberichte: alle 6 Monate Kurzbericht
Bewilligungsempfänger Tel 040 / 7 51 03 - 363
Fax 040 / 7 51 03 - 418
Mankiewicz Gebr. & Projektleitung
Co. (GmbH & Co KG) Dr. Umberto De Rossi
Bearbeiter
Kooperationspartner
./. Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Das Ziel des Projektes lag in der Entwicklung einer UV-Lacktechnologie, die insbesondere auf Kunststoffoberflächen zum Einsatz kommen kann. Die besonderen Herausforderungen, speziell für dreidimensional geformte Kunststoffoberflächen, lagen darin, eine ausreichende Härtung und Kratzfestigkeit der Lacke bei einer deutlich reduzierten UV-Leistungsdichte und -Dosis zu erreichen. Der Beitrag zur Umweltentlastung ergibt sich im Wesentlichen durch den Ersatz der heute typischerweise eingesetzten 2K-Materialien, mit den Kunststoffoberflächen für Innenraumanwendungen beschichtet werden. Pro Jahr werden ca. 20.000 Tonnen 2K-Materialien für diese Anwendung eingesetzt. Der Festkörperanteil dieser Lacke liegt bei ca. 30 bis 40 %, sodass bei Lösemittel-basierten Lacken mehr als 60 % flüchtiger Lösungsmittel enthalten sind.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden
Hierzu wurde ein geeignetes Härter- und Lacksystem entwickelt, das eine rein UV-induzierte Härtung der Lackschicht auch bei geringen UV-Leistungsdichten ermöglicht und gleichzeitig eine kratzfeste Oberflächenschicht auf Kunststoffen ergibt. Die bisher nur sehr begrenzte Möglichkeit, UV-Härtetechnologie auf Kunststoffoberfläche umzusetzen, ergibt sich aufgrund der thermischen Belastung der Kunststoffe, die die Maßhaltigkeit negativ beeinflussen. Diese wird verursacht durch den hohen Infrarotanteil der UV-Lampe im emittierten Strahlungsspektrum. Der favorisierte Lösungsansatz war daher in zwei Stufen aufgebaut. In der ersten Stufe sollen die Grundlagen entwickelt werden, um auch bei reduzierter UV-Leistungsdichte eine gute Durchhärtung des Lackes zu erreichen (auch mit gängigen UV-Lampen), so dass insbesondere dreidimensionale Kunststoffoberflächen gut gehärtet werden können. Dazu wurde die fehlende UV-Intensität und -Dosis chemisch kompensiert. In der zweiten Stufe wurden die Ergebnisse auf reale 3D-Kunststoffteile übertragen und diese Lackschichten mit den gängigen Prüfmethoden der Automobilindustrie geprüft und bewertet.
- -190
Mankiewicz Gebr. & Co. Abschlussbericht „UV-Lacktechnologie“ Seite 2
Ergebnisse und Diskussion Durch Variation der Photoinitiatoren, der Reaktivverdünner und der eingesetzten Oligomere in neuen Formulierungen konnten die Anforderung einer guten Durchhärtung auch bei geringer UV-Leistungsdichte und –Dosis erfüllt werden. Besondere Anforderungen ergaben sich durch die geplante Einsatzfähigkeit dieser UV-Lackschichten im Interieur- und Exterieurbereich der Automobilindustrie, die mit Abstand die höchsten Anforderungen an Kratzbeständigkeit, Oberflächenstruktur, Vergilbung oder Oberflächenhärte hat. Im Zuge der Entwicklungen gelang es, Formulierungen für UV-härtende Lacke zu finden, die auch bei sehr geringen Intensitäten von 300 mW/cm2 und einer deponierten UV-Dosis von 1000 mJ/m2 zu einer kratzbeständigen Oberflächenbeschichtung reproduzierbar durchhärten. Für spezielle Anwendungsbereiche gelang es sogar, die UV-Intensität auf bis zu 50 mW/cm2 und die deponierte UV-Dosis auf 700 mJ/m2 zu reduzieren. Da der Lack von den Produkteigenschaften her die Anforderungen potenzieller Kunden erfüllt, ist hinsichtlich der weiteren Schritte geplant, die entwickelten Lacke im praktischen Einsatz zu prüfen. Dazu werden derzeit im anwendungstechnischen Zentrum der Firma Mankiewicz umfangreiche Tests mit den neuen Lacksystemen durchgeführt. Schwerpunkte bilden hier Kunststoff-Interieuranwendungen, aber auch Versuche mit Lackierungen im Exterieurbereich sowie Erweiterung der Substrate auf andere empfindliche Materialien. Darüber hinaus war das Projekt in zwei Stufen geplant und die bisher gewonnenen grundlegenden Ergebnisse werden in der zweiten Phase so weiterentwickelt, dass diese Lacke sich auch mit UV-LEDs, die hinsichtlich des Emissionsspektrums und der erzielbaren Leistungsdichte weitere Einschränkungen haben, zu übertragen. Insbesondere fehlt den UV-LEDs das energiereiche und kurzwellige UVC-Licht, was den Verlauf der Vernetzungsreaktion verschlechtert. Die bisher gewonnenen Erkenntnisse sind aber eine wesentliche Basis, um auch bei solch weiter eingeschränkten Bedingungen der UV-Beleuchtung ein stabiles Beschichtungssystem umsetzen zu können.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Über die wichtigsten Erkenntnisse wurde bereits gemeinsam mit der DBU in der Zeitschrift „Farbe und Lack“ Ausgabe 07.23015 berichtet. Weiterhin ist die Firma Mankiewicz derzeit intensiv mit potentiellen Kunden im Gespräch um die technologische Umsetzung im Markt voranzubringen.
Fazit
Die wesentlichen Grundentwicklungen, die im Rahmen des Projektes durchgeführt wurden, haben einen großen Anwendungsbereich für Kunststoffbeschichtungen. Der anspruchsvollste Markt liegt hier bei der Automobilindustrie, die die höchsten Anforderungen an die Lackoberflächen haben. Die bisher verwendeten 2K-Lacksysteme können dabei vollständig durch ökologisch sinnvolle UV-Lacke ersetzt werden und so neben der deutlichen Reduzierung von Lösungsmitteln auch die hohen Energieaufwendungen für das Trocknen und das thermische Aushärten der bisherigen Lackschichten eingespart werden. Da zukünftig der Anteil von Kunststoffoberflächen im Auto weiter steigen wird, bietet das Verfahren darüber hinaus eine große Zukunftsperspektive und eine nachhaltige zukünftige Nutzung. Im Weiteren besteht ein großes Anwendungsgebiet im Bereich der technischen Oberflächen, wo auch verstärkt Kunststoffe zum Einsatz kommen.
Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190
Mankiewicz Gebr. & Co. Abschlussbericht „UV-Lacktechnologie“ Seite 3
Inhaltsverzeichnis
VERZEICHNIS VON BILDERN, ZEICHNUNGEN, GRAFIKEN UND TABELLEN .... 4
ZUSAMMENFASSUNG ............................................................................................. 5
EINLEITUNG .............................................................................................................. 6
HAUPTTEIL ............................................................................................................... 9
FAZIT ....................................................................................................................... 20
LITERATURVERZEICHNIS ..................................................................................... 21
Mankiewicz Gebr. & Co. Abschlussbericht „UV-Lacktechnologie“ Seite 4
Verzeichnis von Bildern, Zeichnungen, Grafiken und Tabellen
Abbildungsverzeichnis: Abb. 1: Darstellung des Härtungsfensters für den Exterieur-Lack (grün bezeichnet) ............................. 9 Abb. 2: Verbesserung der Kratzbeständigkeit des Interieur-Klarlacks .................................................. 10 Abb. 3: Versuche mit der Grundrezeptur bei Variation des Photoinitiators ........................................... 11 Abb. 4: Versuche mit der optimierten Rezeptur bei Variation des Photoinitiators ................................ 12 Abb. 5: Versuche zum Einfluss verschiedener Photoinitiatoren auf die Lackqualität ........................... 13 Abb. 6: Erhöhung der Kratzfestigkeit bei niedrigen UV-Intensitäten ..................................................... 13 Abb. 7: Haftfeste Schichten bei geringsten UV-Intensitäten ................................................................. 14 Abb. 8: Endergebnis der UV-Lackschichten bei geringen UV-Intensitäten
für Automotiveanwendungen .................................................................................................... 15 Abb. 9: Testanlage für die UV-Härteversuche ....................................................................................... 16 Abb. 10: Beschichtung der Testkörper für die Härteversuche .............................................................. 16 Abb. 11: Schneller Test der Kratzbeständigkeit der Lacke nach der Härtung ...................................... 17 Abb. 12: Verbesserte Härtung von komplexen 3D-Bauteilen mit den neu entwickelten Lacken .......... 17
Mankiewicz Gebr. & Co. Abschlussbericht „UV-Lacktechnologie“ Seite 5
Zusammenfassung
Im Rahmen der durchgeführten Entwicklungsarbeiten wurde untersucht, wie eine kratzfeste
UV-Härtung entsprechender Lacksysteme auch bei geringen Leistungsdichten und einer
geringen deponierten UV-Dosis prozesssicher abgeschieden und durchgehärtet werden
kann. Die wesentlichen Arbeiten befassten sich dabei mit Methoden, die fehlende
UV-Intensität und -Dosis chemisch zu kompensieren. Dazu wurden die an der chemischen
Reaktion beteiligten Komponenten, im Wesentlichen die Photoinitiatoren, die
Reaktivverdünner und die eingesetzten Oligomere in neuen Formulierungen
zusammengeführt und so an die oben genannten Anforderungen angepasst. Besondere
Anforderungen ergaben sich durch die geplante Einsatzfähigkeit dieser UV-Lackschichten im
Interieur- und Exterieurbereich der Automobilindustrie, die mit Abstand die höchsten
Anforderungen an Kratzbeständigkeit, Oberflächenstruktur, Vergilbung oder
Oberflächenhärte hat.
Im Zuge der Entwicklungen gelang es, Formulierungen für UV-härtende Lacke zu finden, die
auch bei sehr geringen Intensitäten von 300 mW/cm2 und einer deponierten UV-Dosis von
1000 mJ/m2 eine kratzbeständigen UV-härtenden Lack reproduzierbar durchzuhärten.
Für spezielle Anwendungsbereiche gelang es sogar, die UV-Intensität auf bis zu 50 mW/cm2
und die deponierte UV-Dosis auf 700 mJ/m2 zu reduzieren.
Da der Lack von den Produkteigenschaften her die Anforderungen potenzieller Kunden
erfüllt, ist hinsichtlich der weiteren Schritte geplant, die entwickelten Lacke im praktischen
Einsatz zu prüfen. Dazu werden im anwendungstechnischen Zentrum der Firma Mankiewicz
umfangreiche Tests mit den neuen Lacksystemen durchgeführt. Schwerpunkte bilden hier
Kunststoff-Interieuranwendungen, aber auch Versuche mit Exterieurlackierungen sowie
Erweiterung der Substrate auf andere empfindliche Materialien.
Darüber hinaus war das Projekt in zwei Stufen geplant und die bisher erreichten
grundlegenden Ergebnisse werden in der zweiten Phase so weiterentwickelt, dass diese
Lacke sich auch mit UV-LEDs, die hinsichtlich des Emissionsspektrums und der erzielbaren
Leistungsdichte weitere Einschränkungen erfordern, zu übertragen. Insbesondere fehlt den
UV-LEDs das energiereiche und kurzwellige UVC-Licht, was den Verlauf der
Vernetzungsreaktion verschlechtert. Die bisher gewonnenen Erkenntnisse sind aber eine
wesentliche Basis, um auch bei solch weiter eingeschränkten Bedingungen der UV-
Beleuchtung ein stabiles Beschichtungssystem umsetzen zu können.
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Einleitung
Ausgangssituation
Die UV-Technologie ist energie- und ressourcenschonend, insbesondere nicht nur da der
Lackierprozess aufgrund der fehlenden thermischen Härtung weniger Energie benötigt,
sondern auch da durch geringere Ausschussraten weniger Rohteilen benötigt werden und
somit weniger Kunststoff verbraucht wird.
In den letzten Jahren wurde aufgrund der Vorteile die UV-Technologie auch auf die
Kunststofflackierung übertragen. Ein wesentlicher Treiber waren dabei die Anforderungen an
Hochglanz-Oberflächen und die damit verbundene Kratzbeständigkeit im Automobil-Interieur.
Hierbei ist Mankiewicz einer der führenden Anbieter von UV-Produkten. Eine Hürde für die
Umstellung auf UV-Lack stellt bei Lackierern nach wie vor die Investition in neue
Anlagentechnologie dar, da die meisten Anlagen auf 2-K-Lacke abgestimmt sind.
Überdies hinaus gibt es eine Reihe von technischen Herausforderungen, die mit dem Heat-
Management, der Kratzbeständigkeit und der Geometrie bzw. 3-Dimensionalität verbunden
sind, die bisher noch nicht richtig gelöst werden konnten:
die Lampen müssen immer energiereicher werden, um 3-dimensionalen Bauteile
in allen Ebenen zu härten
bei hohen Energien kommt es oftmals zu einer thermischen Belastung der
Bauteile und damit zu einer verminderten Maßhaltigkeit
die Härtungstiefe (innerhalb der die für das Lacksystem notwendige Intensität
erreicht wird) liegt mit aktuellen Systemen lediglich bei 5-10 cm (Abstand Lampe
– zu härtende Fläche), so dass dreidimensionale Teile mit tiefen Einschnitten
nicht gehärtet werden können
wie kann das auftretende Overspray sicher gehärtet werden
wie können UV-Lacke auch für den Exterieur-Bereich formuliert werden, ohne
dass die Überlappung Absorptionsbande zwischen Absorbern und
Photoinitiatoren zu einer unzureichenden Härtung führt
Aus diesen Gründen kommen vor allem bei komplexen Bauteilgeometrien heute
lösemittelhaltige 2-Komponentenlacke zum Einsatz, obwohl die Ausschussquote aufgrund
der relativ langen Offenzeit bei bis zu 80 Prozent liegen kann.
Durch den Einsatz von UV-Lacken könnten beim erfolgreichen Projektabschluss die 2K-
Materialien direkt substituiert werden und gleichzeitig die Emissionen von VOCs deutlich
reduziert werden. (Potenzial ca. 12.000 Tonnen pro Jahr.)
Der Beitrag zur Umweltentlastung ergibt sich im Wesentlichen durch den Ersatz dieser 2K-
Materialien, mit den Kunststoffoberflächen für Innenraumanwendungen beschichtet werden.
Pro Jahr werden ca. 20.000 Tonnen 2K-Materialien für diese Anwendung eingesetzt. Der
Festkörperanteil dieser Lacke liegt bei ca. 30 bis 40 %, sodass bei Lösemittel-basierten
Lacken 60 % und mehr flüchtige Lösungsmittel enthalten sind.
Mankiewicz Gebr. & Co. Abschlussbericht „UV-Lacktechnologie“ Seite 7
Weiterhin erfordern Lösemittellacken eine thermische Trocknung bei ca. 80 °C für 30
Minuten, um die Vernetzung sicherzustellen. Dieser Energieaufwand für die Trocknung kann
beim Einsatz von UV-Lacken entfallen.
Im Fokus dieser neuen UV-Lack Anwendung für Kunststoffoberflächen steht dabei ganz
Besonders die Entlastung der Umwelt in folgenden Punkten:
- Verwendung von lösungsmittelfreien Lacksystemen für hoch kratzbeständige
Kunststoffoberflächen im Automobil.
- Verwendung von UV-härtenden Lacken die schnelltrocknend und energetisch
hocheffizient sind.
- Erzielung einer höheren First-Run Quote: der Ausschuss wird durch UV ggf. halbiert
- Durch 1K-Systeme ist ein Lackrecycling möglich, dadurch Einsparung der Verluste
durch Overspray (je nach Bauteil-Geometrie ergibt sich ein Anteil des Oversprays von
50-60%)
Stand der Technik
Zur zumindest teilweisen Entschärfung der oben genannten Probleme bedient man sich im
Markt partiell der sogenannten Dual-Cure Technologie, die eine lichtinduzierte radikalische
UV-Härtung mit einer wärmeinduzierten Isocyanat-Härtung verbindet. Aus energetischer
Sicht ist dies keine Lösung, da man dort zusätzlich zu der UV-Härtung den energiereichen
Schritt der thermischen Härtung benötigt. Zudem haben eigene Untersuchungen gezeigt,
dass durch das Hybrid-Netzwerk (aus Acrylat- und Isocyanat-Vernetzung) die
Kratzbeständigkeit im Vergleich zu einem 100%-UV-Netzwerk reduziert wird und somit
wichtige Vorteile der UV-Technologie verloren gehen.
Wie oben dargestellt, lässt sich die Dual-Cure-Technologie nur begrenzt auf Kunststoffteile
übertragen, da aufgrund der thermischen Belastung die Kunststoffe in ihrer Maßhaltigkeit
negativ beeinflusst werden. Ursächlich dafür ist der hohe Infrarot-Anteil einer jeden
UV-Lampe; nur ein Teil der emittierten Strahlung wird in dem für die UV-Härtung
notwendigen Bereich ausgestrahlt, der Rest ist sichtbares Licht oder Wärmestrahlung.
Will man die UV-Technologie außerdem auf 3-dimensionale Teile anwenden, dann ergibt
sich bei den verfügbaren Strahlern außerdem das Problem, dass diese der Geometrie von
Bauteilen nicht ausreichend folgen können, da die Form der Bauteile i. Allg. feingliedriger ist
als es die verfügbaren Lampenlängen zulassen. Weiterhin ist der Abstand der Lampe zum
Bauteil bei komplexen Geometrien ein limitierender Faktor, insbesondere da die
Leistungsdichte der Lampen nicht beliebig gesteigert werden kann.
Gesamtziel des Vorhabens
Das Ziel des Projektes war daher, in Abstimmung mit den Lampenherstellern Möglichkeiten
zu finden, die Härtungstiefe bei einer gegebenen UV-Strahlungsleistung und einer
gegebenen spektralen Verteilung, deutlich zu erhöhen. Chemie-seitig ist dabei die Aufgabe,
die zum Durchhärten notwendige UV-Intensität deutlich zu reduzieren, so dass auch
dreidimensionale Kunststoffoberflächen mit Lampen gehärtet werden können, wenn die
Leistungsdichte deutlich reduziert ist.
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Entwicklungsaufgabe war es daher, die genannten Nachteile der Härtung mit geringen
UV-Intensitäten bei geringer Dosis chemisch zu kompensieren. Dazu waren folgende
Zusammenhänge zu klären und darauf basierend geeignete Lackkomponenten zu
entwickeln:
wie beeinflusst die Wellenlänge und spektrale Breite als Funktion der
UV-Leistung die Kinetik der Radikalkettenreaktion und was bedeutet dies für das
Eigenschaftsprofil des gehärteten Lackfilms
wie wirkt sich die Radikalbildungskonzentration auf die Kratzbeständigkeit aus
Dazu mussten die an der chemischen Reaktion beteiligten Komponenten Fotoinitiator,
Reaktivverdünner und Oligomere an die neuen Anforderungen angepasst werden. Zu Beginn
standen grundlegende Versuche mit Fotoinitiatoren, die schon zeigten, dass die Kombination
von Fotoinitiatoren einen deutlichen Einfluss auf die Lackqualität und Performance
hinsichtlich Kratzbeständigkeit und Feuchtwarmbelastung hat. Ergänzend sollten hierzu
weitere Parameter wie Vergilbung, Oberflächenstruktur, Oberflächenhärte, Ablaufgrenze und
teilweise auch die Lagerstabilität geprüft und bewertet werden, die sich auf die spezifischen
Anwendungsfälle bezogen.
Hieran sollten sich Untersuchungen anschließen, wo die verwendeten Monomere und
Oligomere variiert wurden, um auf den als radikalische Kettenreaktion ablaufenden
Vernetzungsprozess gezielt einzuwirken. Es konnte gezeigt werden, dass sich durch gezielte
Auswahl der Substituenten die Reaktionsgeschwindigkeit maßgeblich beeinflussen.
Im Wesentlichen sollten sich die Arbeiten dabei mit der Substitution innerhalb der
Photoinitiator-Moleküle befassen, die die Absorptionsbande und beeinflusst außerdem die
Photoaktivität verschiebt. Die Absorptionsmaxima zusammen mit der Reaktivität der
Photoinitiatoren mussten so eingestellt werden, dass eine maximale Empfindlichkeit des
Systems erreicht wird.
Ein weiterer wichtiger Arbeitsschritt sollte sich mit der Reduzierung der Sauerstoffinhibierung
befassen. Zur Reduzierung des Einflusses der Sauerstoffinhibierung ist auch die
Verwendung von Wachsen möglich, die die Oberfläche gegen Sauerstoff abschirmen und
dadurch die Ausbeute der Kettenreaktion höher ist. Allerdings haben die Wachse auch einen
negativen Einfluss auf die Oberflächenhärte, so dass eine wesentliche Eigenschaft, nämlich
die Kratzbeständigkeit, negativ beeinflusst wird.
Ein grundlegender Untersuchungspunkt konzentrierte sich auf die Kinetik der härtenden
Systeme. Die Kinetik von radikalisch härtenden Systemen lässt sich partiell über die
Kontrolle der Diffusion während des Härtungsprozesses steuern. Während zu Beginn der
Reaktion die Viskosität noch gering ist, ist die Anzahl an Kettenabbruchreaktionen durch
Rekombination und Disproportionierung klein, die Radikale können migrieren und zum
Kettenaufbau beitragen. Mit zunehmender Netzwerkausbildung steigt die Tg und bei
Erreichung der Raumtemperatur werden die Reaktionen eingefroren. Die Tg kann durch die
Auswahl an Monomeren und Oligomeren beeinflusst werden und so zu einem möglichst
langsamen Anstieg beitragen so dass die Abbruchreaktionen lange in den Hintergrund
gedrängt werden. Dies sollte gegen die Eigenschaften des gehärteten Films abgeglichen
werden.
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Hauptteil
Härteergebnisse als Funktion des Abstandes und der Leistungsdichte
Die Projektarbeiten befassten sich zu Beginn mit grundlegenden Untersuchungen der
Härteergebnisse als Funktion des Abstandes und der Leistungsdichte der UV-Strahlung.
Im ersten Schritt wurden dazu auf Basis eines pigmentierten schwarzen UV-Lackes die
Prozessfenster im Detail untersucht. Die Untersuchungen umfassten die Abhängigkeit von
der Intensität und der Dosis, in welchem Applikationsfenster der dort verwendete Lack die
relevanten Spezifikationen Haftung, Hydrolyse, Creme und Erichsen-Härte besteht. Die
Ergebnisse zeigten, dass im Bereich der gängigen Dosis von 2.000 bis 5.000 mJ/cm² keine
Probleme entstehen, bei einer niedrigeren Dosis unter 1.500 mJ/cm² bis 1.000 mJ/cm² die
Prüfanforderungen nicht bestanden werden. Variiert wurde zusätzlich für eine gegebene
Dosis noch die maximale Leistungsdichte.
Die Versuche im ersten Schritt wurden mit einem Interieur-Lack durchgeführt. Ergänzend
wurde im zweiten Schritt noch ein Exterieur-System herangezogen, bei dem die hierfür
relevanten Prüfungen Haftung, Baumharz, Dampfstrahltest und Steinschlag zugrunde gelegt
wurden. Die ersten Projektergebnisse zeigten sehr deutlich, dass bei diesem Lack das
Prozessfenster deutlich kleiner und zu höheren Dosiswerten hin verschoben war. Eine
mögliche Erklärung hierfür lag an den höheren Anforderungen im Exterieur-Bereich. Das
Prozessfenster ist in der folgenden Abbildung noch mal dargestellt.
Abb. 1: Darstellung des Härtungsfensters für den Exterieur-Lack (grün bezeichnet)
Prozessfenster eines aktuellen UV-Lackes (pigmentiert)
6' 60°C
soll: 25-30µm Chemikalienbest.
Versuch mJ/cm² mW/cm² mJ/cm² mW/cm² TSD Oberfläche AH Verhalten im Dampfstrahltest (PV 1503)Baumharz (VW TL211)Steinschlag
1 4000 1600 3980 1570 35 Gt: 0 i.O. i.O 2,0
2 4000 800 4206 842 30 Gt: 0 i.O. i.O 2,0
3 4000 500 4216 502 26 Gt: 0 i.O. i.O. 2,0
4 3500 1600 3438 1570 31 Gt: 0 i.O. i.O. 2,0
5 3500 800 3535 819 31 Gt: 0 i.O. i.O. 2,0
6 3500 500 3639 520 30 Gt: 0 1b n.i.O. i.O. 2,0
7 2000 1600 1990 1570 28 Gt: 0 (3a n.i.O.) n.i.O 2,0
8 2000 800 1988 818 30 Gt: 0 1b n.i.O. i.O. 2,0
9 2000 500 2108 502 35 Gt: 0 1a n.i.O. n.i.O 2,0
10 1500 1600 1448 1550 30 Gt: 0 <1b knapp i.O.n.i.O 2,0
11 1500 800 1500 810 26 Gt: 0 3a n.i.O. n.i.O 2,0
12 1500 500 1565 520 28 Gt: 0 2-3a n.i.O. i.O. 2,0
soll ist
Ln06500235
Mankiewicz Gebr. & Co. Abschlussbericht „UV-Lacktechnologie“ Seite 10
Chemische Prozesskette
Parallel zu den Vorversuchen wurde bereits untersucht wie, basierend auf den ersten
Ergebnissen, gezielt die Eigenschaften des UV-Lacks chemisch verbessert werden können.
Diese ersten Untersuchungen erfolgten beim Interieur-Lack unter Bewertung des kritischsten
Punktes, der Kratzbeständigkeit. Diese konnten bis dato nur bei hohen Intensitäten und einer
hohen Dosis der UV-Strahlung sichergestellt werden. Bei der gewählten Dosis von
1.200 mJ/cm² und einer Intensität von 1.000 mW/cm² wies der ausgesuchte Klarlack eine
sehr schlechte Kratzbeständigkeit auf und war mit diesen Härtungsdaten nicht einsatzfähig.
In diesem System wurden nun verschiedene Oligomere erprobt, und in unterschiedlichen
Mengen eindosiert und die resultierende Kratzfestigkeit untersucht. Es konnte grundlegend
gezeigt werden, dass es durch gezielte Zugabe von Oligomeren möglich ist, auch mit den
reduzierten Intensitäten eine deutlich verbesserte Kratzbeständigkeit zu erreichen.
Abb. 2: Verbesserung der Kratzbeständigkeit des Interieur-Klarlacks
In der nächsten Stufe der Grunduntersuchungen wurde dann ein weiterer wichtiger
Parameter, die Durchtrocknung bei der Härtung genauer analysiert. Anhand eines
pigmentierten Lack-Systems wurde versucht, die Intensität zu senken und dabei
a) die Schichtdicken und
b) die Intensitäten zu variieren.
Die Ergebnisse zeigten dabei, dass bei 600 mJ/cm² und 500 mW/cm² die Haftung aufgrund
der fehlenden Durchhärtung nicht mehr gegeben ist. Dieses nicht zufriedenstellende
Ergebnis führte dann zu weiteren Versuchen um mit Hilfe der Photoinitiatoren eine bessere
Durchhärtung zu erreichen.
Es wurden verschiedene einzelne Photoinitiatoren in unterschiedlichen Dosierungen
zugegeben, allerdings ergab sich dabei kein messbarer Effekt und die Haftung war nach wie
vor nicht ausreichend. Verbessert werden konnte die Haftung erst durch ein Gemisch aus
fünf Photoinitiatoren, die sorgsam ausbalanciert sein mussten.
Standard Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4 Variante 6 Variante 7 Variante 9
Oligomer 1 12,9
Oligomer 2 12,9
Oligomer 3 12,9 28 42,9 13,4
UV-Härtung 1200mJ/cm², 1100mW/cm² Hg-Lampe
Glanz (60^) 100 100 100 100 100 100 100 100
Scotch Brite 20 Hübe 44 44 66 60 84 64 94
50 Hübe 22 36 56 72 74 59 89
Papierkratztest 0-4
0= bester
Wert
4=
schlechtest
er Wert 4 4 3 2,5 3-4 0-1 0-1 0-1
Mankiewicz Gebr. & Co. Abschlussbericht „UV-Lacktechnologie“ Seite 11
Hier gelang es entweder die Schichtdicke auf ca. 48 µm hochzusetzen, oder aber bei
geringerer Schichtdicke mit einer sehr niedrigen Dosis von 600 mJ/cm² und 500 mJ/cm² eine
vollkommene Durchhärtung und somit eine Haftung der Lackschicht zu erzielen.
Diese Versuche stellten somit den Startpunkt für die weitergehenden Analysen der Einflüsse
aus Photoinitiatoren, Oligomeren, Funktionalitäten und Prozessparameter dar.
Die Entwicklung der chemischen Prozesskette umfasste dabei Photoinitiator,
Reaktivverdünner, Polyurethanoligomer und Acrylat. Begonnen wurde im Bereich der
Photoinitiatoren mit teilweiser Nutzung von s.g. Boostern zur Verstärkung.
Es wurde dazu eine Vielzahl von Versuchen mit unterschiedlichen Photoinitiatoren
durchgeführt. Danach wurden Vergilbung, Oberflächenstruktur, Oberflächenhärte,
Ablaufgrenze und teilweise auch Lagerstabilität geprüft und bewertet.
So gelang es einen ersten, deutlichen Fortschritt zu erreichen. Ausgehend von einer
Grundformulierung, konnte über viele Zwischenschritte die notwendige Intensität und Dosis
deutlich reduziert werden. Mittlerweile ist eine Intensität von 50 mW/cm2 ausreichend, um
eine gute Härtung zu realisieren.
Auf dieser Basis konnten die Arbeiten dann weitergeführt werden und auf die weiteren
Parameter konzentriert werden.
Abb. 3: Versuche mit der Grundrezeptur bei Variation des Photoinitiators
Die ersten Versuche zeigten noch keine befriedigenden Ergebnisse hinsichtlich der
Oberflächenqualität. Gerade bei geringen UV-Intensitäten war die erzielbare Qualität der
Schichten nicht zufriedenstellend. Eine reine Erhöhung des Photoinitiators reichte nicht aus,
sondern verschlechtert das Ergebnis in einigen Bereichen eher.
Im Verlauf der Versuchsreihen gelang es aber dann die Parameter besser an die geringe
Leistungsdichten der UV-Strahlung bei einem gegebenen Spektrum der Strahler
anzupassen.
In der folgenden Abb. 4 sind die Fortschritte anhand der optimierten Ergebnisse nochmals
zusammengefasst. Die UV-Intensität konnte deutlich gesenkt werden, und die erreichte
Qualität der Lackschicht erreichte in den meisten Punkten wie der Kratzfestigkeit und der
Grundaushärtung des Lackes schon die gewünschten Eigenschaften.
Geräteeinstellung
Intensität [mW/cm²] 400 400 400 400 400
Dosis [mJ/cm²] 600 600 600 600 600
Oberflächenfarbe / Vergilbung
wenig
Gelbstich leicht gelb stark gelb
Oberflächenstruktur Bläschen Bläschen Bläschen Bläschen Bläschen
Oberflächenhärte
Läufergrenze
Lagerstabilität
Grundrezeptur mit Variation Photoinitiator von 3% bis 5% in 0,5
Abstand
Hg, non focus
Mankiewicz Gebr. & Co. Abschlussbericht „UV-Lacktechnologie“ Seite 12
Abb. 4: Versuche mit der optimierten Rezeptur bei Variation des Photoinitiators
Auf der Basis dieser sehr viel versprechend Ergebnisse und der durchgeführten Versuche
konnten dann weitere Optimierungen durchgeführt werden, um schlussendlich alle
gewünschten Parameter in einer Lackformulierung zu erreichen. Dabei fokussierten die
Arbeiten speziell auch darauf, die Automobilspezifikationen zu erfüllen. Hier besteht ja das
größte Verwertungspotential für die neuen UV-Lacke.
Prozessfenster für die UV-Strahlungshärtung mit geringer Leistung und Erzielung der
Automobilspezifikationen
Die Projektarbeiten wurden dazu auf der Basis der Entwicklung der chemischen
Prozesskette weiter vorangetrieben. Darüber hinaus wurden intensive Versuche
durchgeführt, um die UV-Strahlungshärtung mit geringerer Leistung umsetzen zu können.
Die wesentlichen Schwerpunkte der Arbeiten konzentrierten sich dabei auf Formulierungen
und Prozessparametern, um die benötigte Oberflächenhärte mit der niedrigsten möglichen
Intensität des UV-Lichtes zu kombinieren.
In einer umfangreichen Versuchsreihe wurde die Kratzbeständigkeit nochmals genauer
untersucht. Es wurden eine Reihe verschiedener Photoinitiatoren verwendet und deren
Einfluss auf das Martindale-Testergebnis, das die Kratzbeständigkeit bewertet, untersucht.
Die Grundformulierung des Lacks unterschied sich zwar leicht von den vorangegangenen
Versuchen, aber die Ergebnisse sind relativ zueinander ähnlich und lassen sich somit auch
auf andere Systeme übertragen.
Die Versuche wurden bei einer konstanten mittleren Dosis von 1.000 mJ/cm² bei einer
Intensität von 350 mW/cm² durchgeführt. Die Bewertung der Ergebnisse hinsichtlich Haftung,
Hydrolyse, Creme-Beständigkeit entsprechend der VW-Norm und der Kratzbeständigkeit
ermittelt mit den Martindale Methoden ist in der folgenden Abb. 5 dargestellt.
Der Einfluss der unterschiedlichen Photoinitiatoren ist daraus deutlich zu sehen. Es können
verschiedene Bereiche identifiziert werden, bei denen die Härte und die Haftung die
Anforderungen sehr gut erfüllen, was wiederum eine Bestätigung des im Projekt verfolgten
Ansatzes darstellt, dass z. B. die geschickte Kombination von Photoinitiatoren einen
deutlichen Einfluss auf die Schicht bei geringen UV-Bestrahlungen hat.
Rezept 57
mit 1%
Irgacure 651
Rezept 57 mit
1,5% Irgacure 651
Rezept 57 mit abgeänderter
Additivierung und höherem
Anteil an Genocure LTM
(3,3%)
Rezept 57 mit
abgeänderter
Additivierung und
höherem Anteil an
Genocure LTM (4%)
Rezept 81
mit 0,5%
Tego Rad
2011
mit
hochfunktionell
Monomer zur
Verringerung
der PI Menge
Rezept 83
mit 1% Tego
Rad 2011
Geräteeinstellung
mit neuen Abstandshaltern,
Hg, focus, [2x 49/1,7] [2x
40/1,0]
mit neuen
Abstandshaltern, Hg,
focus, [2x 49/1,7] [2x
40/1,0]
Härten mit
48/1,6
Härten mit [2x
48/1,6]
Härten mit
[3x 48/1,6];
mit [2x
48/1,4]
Intensität [mW/cm²] 46 46 48, 31 48, 31 49 56 47, 47
Dosis [mJ/cm²] 568 568 543, 528 538, 484 515 584 872, 661
Oberflächenfarbe / Vergilbung
keine
Gelbfärbung
Oberflächenstruktur
viele
Bläschen ab
30µm
viele Bläschen ab
30µm
sehr viele Bläschen, starke
Orangenhaut
Überall Bläschen, guter
Verlauf
sehr guter
Verlauf
etwas mehr
Bläschen
sehr gut,
ganz leicht
Bläschen
Oberflächenhärte
gute Haptik,
kein Kleben
gute Haptik, kein
Kleben gute Haptik, kein Kleben kein Kleben
klebt noch
leicht
klebt noch
leicht
sehr hart
(bei
100mJ/cm²
mehr als
Versuch -83)
Läufergrenze n.i.O. 27µm
Lagerstabilität
Härtung mit Cyconjet Anlage bei
200mm Abstand, 40%
Lampenleistung, 7x9m/min
Mankiewicz Gebr. & Co. Abschlussbericht „UV-Lacktechnologie“ Seite 13
Abb. 5: Versuche zum Einfluss verschiedener Photoinitiatoren auf die Lackqualität
Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten befasste sich dann mit Untersuchungen zur
Kratzfestigkeit bei niedrigen Intensitäten und bei einer niedrigen Dosis. Hier wurde versucht
die Kratzfestigkeit in der Form zu verbessern, dass die Funktionalität erhöht wurde.
Die in der folgenden Abb. 6 dargestellten Ergebnisse zeigen doch sehr deutlich, dass für
verschiedene Lackformulierungen gute oder sehr gute Ergebnisse erreicht werden können,
wenn die Prozessparameter richtig gewählt werden. In der Gesamtbewertung ist somit das
Optimierungspotenzial gerade bei niedrigen Intensitäten und einer niedrigen Dosis der
UV-Strahlung sehr groß und es können in der Formulierung gewünschte Eigenschaften
durch spezifische Oligomere erreicht werden.
Abb. 6: Erhöhung der Kratzfestigkeit bei niedrigen UV-Intensitäten
Formulierung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Stammformulierung 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100
trifunktionelles Monomer 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6
Photoinitiator 1 2 1 3,4
Photoinitiator 2 2 3,4
Photoinitiator 3 2 3,4
Photoinitiator 4 2 1 3,4
Photoinitiator 5 2 1 1 1 3,4
Photoinitiator 6 2 2,4 3,4
Dosis/Intensität
Schichtdicke Basecoat [µm] 23 27 22 24 20 24 21 23 25 22-25 20-30 20-30 20-29 20-25 23-25
Schichtdicke Topcoat [µm] 30 30 25 29 27 30 28 30 29 22-30 25-30 25-30 28 25-30 25-30
Bemerkung
Anfangshaftung GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT1 GT0 GT0 GT0 GT0
nach Alterung GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0 GT0
HydrolyseGT 0 GT 0 GT 0 GT 0 GT 0 GT 0 GT 0 GT 0
GT 0
Rissbil
dungGT0 GT0 GT0 GT2-3
GT0,
Rissbil
dung
GT0,
Rissbil
dung
Creme VW i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. GT1-2 i.O. i.O. i.O i.O.
Martindale 89% 81% 88% 87% 79% 84% 89% 86% 83% 92% 84% 87% 87% 91% 88%
KK GT0 GT2 GT0 GT3-4 GT0 GT0
1000mJ/cm², 350mW/cm²
0-Probe
757-16 (H
605-01)
0-Probe
757-16 (H
605-01)
0-Probe 0-Probe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Stammlack 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100
Oligomer 1 20 20 20 20
Oligomer 2 20 20
Oligomer 3 20 20
Oligomer 4 20 20
Oligomer 5 20 20 20 20
Lösungsmittel auf
Mischung 901-7030% 30%
Dosis/Intensität
Schichtdicke [µm] 23 25 28 / 27 25 25 25 25 / 28 25 / 28 25 25 22 28 / 28 30-37 32-38 32-40 32-40
Bemerkungen
Oberfläch
e zeigt
Auffälligke
iten
Oberfläch
e zeigt
Auffälligke
iten
Oberfläch
e zeigt
Auffälligke
iten
Oberfläch
e zeigt
Auffälligke
iten
Oberfläch
e zeigt
Auffälligke
iten
Oberfläch
e zeigt
Auffälligke
iten
Anfangshaftung GT0 GT0 Gt 0 /
GT 5Gt 0 Gt 0 Gt 0
Gt 0 /
GT 0
Gt 0 /
GT 0Gt 0 Gt 0 Gt 0
Gt 0 /
GT 0GT1-2 GT0 GT1-2 GT0
nach Alterung GT0 GT0 Gt 0 / GT
0Gt 0 Gt 0 Gt 0
Gt 0 /
GT 0
Gt 0 /
GT 0Gt 0 Gt 0 Gt 0
Gt 0 /
GT 0GT0 GT0 GT0 GT0
Hydrolyse i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O.GT1-2 /
GT 1-2GT0/ GT0
GT1-2/
GT1-2GT0/ GT0
Creme i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O.
Martindale 83% 83%90% /
93%88% 90% 91%
91% /
91%
90% /
94%93% 91% 92%
93% /
96%93% 96% 92% 91%
KK 240h n.d. n.d. GT0 n.d. n.d. n.d. GT0 GT0 n.d. n.d. n.d. GT0 GT0 GT0 GT0 GT0
Daimler Hydrolyse n.d. n.d. n.i.O. GT n.d. n.d. n.d. Gt 0 n.i.O. GT n.d. n.d. n.d. Gt 0 n.d. n.d. n.d. n.d.
1000 mJ / 350 mW 1000 mJ / 350 mW
20%20%
1000 mJ / 350 mW1000 mJ / 350 mW
20%
Mankiewicz Gebr. & Co. Abschlussbericht „UV-Lacktechnologie“ Seite 14
Im letzten Projektjahr konnten erstmals haftfeste und kratzbeständige Schichten demonstriert
werden, die mit Intensitäten im Bereich von 50 mW/cm² erzeugt wurden. Hierbei fand eine
Formulierung Verwendung, wie sie typischerweise für Holzoberflächen verwendet wird.
Neben den Arbeiten zur chemischen Optimierung der Grundformulierung ergaben sich
zusätzlich Probleme, um die niedrigen Intensitäten mit den vorhandenen UV-Lampen zu
erzeugen. Diese lassen sich nicht so weit herunterregeln, wie es für diese Versuche
notwendig gewesen wäre.
Gelöst wurde das Problem dadurch, dass über Abstandsvariationen und die sich somit
ergebene Vergrößerung des Lichtfleckes niedrigere Intensitäten auf der Probenoberfläche
erzielt wurden. Im Rahmen dieser Arbeiten konnte gezeigt werden, dass sogar über
Entfernungen von bis zu 30 cm von der Lampe eine Härtung definiert erfolgen kann. In
diesem Bereich wären somit auch Oberflächen auf dreidimensionalen Körpern in einem
Durchgang UV-härtbar. In den Versuchen gelang es, die minimale Intensität des gesamten
UV-Spektrums auf 20 mW/cm² zu reduzieren, wobei allerdings das Einsatzgebiet
eingeschränkt ist.
Die ausgewählten Ergebnisse sind in der folgenden Abb. 7 nochmals dargestellt.
Abb. 7: Haftfeste Schichten bei geringsten UV-Intensitäten
16 17 18 19 20 21 22
Oligomer 1 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5
Oligomer 1 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5
Oligomer 1 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5
Oligomer 1 16,4 16,4 16,4 16,4 16,4 16,4 16,4
Oligomer 1 8,6 8,6 8,6 8,6 8,6 8,6 8,6
Additiv 1 - - - - - - -
Additiv 1 - - - - - - -
Additiv 1 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
Additiv 1 1 1 1 1 1 1 1
Photoinitiator 3,3 3,3 3,3 3,3
Photoinitiator 2
Photoinitiator 1,5
Photoinitiator
Photoinitiator
Additiv 1
Additiv 1
Photoinitiator 3,3
Photoinitiator 3,3 1,5 1,5
Photoinitiator 3,3
Photoinitiator
Additiv 1 5
97,3 97,3 97,3 98,8 99,3 98,8 103,8
Nass (auch
nach 200s
Belichtung)
Nass (auch
nach 200s
Belichtung)
Nass (auch
nach 200s
Belichtung)
b.i.O. Ecken
etwas Tacky
b.i.O. Ecken
etwas Tacky i.O. i.O.
Neue Lampeneinstellung: IST
Strahler Klein[35%]: 100s
Belichtung (ohne Bewegeung)
UVA: 7mW/cm² 680mJ/cm², UVC:
1mW/cm² 100mJ/cm²
Mankiewicz Gebr. & Co. Abschlussbericht „UV-Lacktechnologie“ Seite 15
Somit konnte gezeigt werden, dass kratzbeständige, UV-härtende Lacke bei niedrigsten
Intensitäten und einer stark reduzierten Dosis reproduzierbar durchhärten können.
Insbesondere konnte gezeigt werden, dass auch in einem gegebenen Abstandsbereich von
bis zu 30 cm vor der Lampe eine Härtung mit definierten Prozessparametern möglich ist.
In diesem Bereich sind allerdings deutlich höhere Anforderungen an die Formulierung des
Lackes (eingesetzte Photoinitiatoren und Additive) notwendig, um solch geringe Intensität zu
erreichen. Wichtige Erkenntnisse ergaben sich auch hinsichtlich der Härtung
dreidimensionaler Objekte, da gerade bei niedrigen Intensitäten sich ein großes
Bearbeitungsfeld vor der Lampe ergibt, in dem eine definierte Durchhärtung erzielt werden
kann.
Über die verschiedenen Entwicklungsschritte konnten final geeignete Prozessparameter
gefunden werden, bei denen kratzbeständige UV-härtende Lacke bei niedrigen Intensitäten
und einer stark reduzierten Dosis reproduzierbar durchzuhärten waren und die
Anforderungen der Automobilindustrie erfüllt werden. (siehe Abb. 8)
Abb. 8: Endergebnis der UV-Lackschichten bei geringen UV-Intensitäten für
Automotiveanwendungen
Applikationstechnik und Versuchsdurchführung
In der folgenden Abbildung ist die Versuchsanlage der Firma Mankiewicz dargestellt, wo die
Untersuchungen durchgeführt wurden. Die UV-Strahler können variabel verstellt werden um
so die Intensität und die Dosis in einem größeren Bereich anpassen zu können.
0-Probe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Stammlack 100 80 80 80 80 80 77 77 77 77 77 74 77 76 76
Oligomer 1 20 20 20 20
Oligomer 2 20 20
Oligomer 3 20 20
Oligomer 4 20 20
Oligomer 5 20 20 20 20
Additiv 1 3 3 3 3 3 3
Additiv 2 3 3 3
Monomer 1 3 3
Dosis/Intensität
Schichtdicke [µm] 23 27 25 25 25 25 25 25 25 22 28 30 28 28 28
Visueller Aspekt der
Oberflächei.O. i.O. n.i.O n.i.O n.i.O n.i.O n.i.O n.i.O n.i.O n.i.O i.O. i.O. i.O. i.O. i.O.
Anfangshaftung i.O. n.i.O i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. n.i.O i.O. n.i.O i.O.
Anfangshaftung nach
Alterungi.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O.
Hydrolyseprüfumg nach
VW TL 226i.O. n.i.O i.O. i.O. i.O. i.O. n.i.O i.O. i.O. i.O. i.O. n.i.O i.O. n.i.O i.O.
Cremeprüfung nach
VW TL 226i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O.
Martindale Kratzprüfung
nach VW TL 226n.i.O i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O. i.O.
1000 mJ/cm2 und 350 mW/cm2
Mankiewicz Gebr. & Co. Abschlussbericht „UV-Lacktechnologie“ Seite 16
Abb. 9: Testanlage für die UV-Härteversuche
Die Versuche wurden mit Testkörpern durchgeführt die unter definierten Bedingungen
beschichtet wurden. (siehe Abb. 10)
Abb. 10: Beschichtung der Testkörper für die Härteversuche
Neben den genormten Testverfahren können bereits nach dem Härten mit einfachen
Vorabtests die grundlegenden Eigenschaften der Lackschicht schnell und qualitativ bestimmt
werden. (siehe Abb. 11)
Mankiewicz Gebr. & Co. Abschlussbericht „UV-Lacktechnologie“ Seite 17
Abb. 11: Schneller Test der Kratzbeständigkeit der Lacke nach der Härtung
Die neuen Lacke, die für eine geringe Dosis und Leistungsdichte optimiert sind, bieten eine
hervorragende Möglichkeit um auch komplexe 3D-Bauteile sicher Härten zu können. Ein
Beispiel ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Abb. 12: Verbesserte Härtung von komplexen 3D-Bauteilen mit den neu entwickelten Lacken
Mankiewicz Gebr. & Co. Abschlussbericht „UV-Lacktechnologie“ Seite 18
Verwertung der Projektergebnisse
Die im Rahmen des Projektes erreichten Ergebnisse zeigen, dass auch bei geringen
UV-Intensitäten und einer geringen deponierten UV-Dosis stabile Prozessfenster gefunden
werden können, in denen speziell angepasste UV-Lacke höchsten Anforderungen, wie sie
beispielsweise von der Automobilindustrie gefordert werden, genügen können. Die oben
dargestellten Ergebnisse des Projektes zeigen, dass die geplanten Ziele alle erreicht werden
konnten. Es gelang sogar, auch für Exterieuranwendungen, die beispielsweise noch höhere
Anforderungen an die Kratzbeständigkeit haben, geeignete Lackformulierungen und
Prozessfenster zu finden. Für spezielle Anwendungen, die keine extremen Anforderungen
wie die Automobilindustrie an die Lackoberfläche haben, konnte die notwendige
Leistungsdichte sogar auf 50 mW/cm2 reduziert werden.
Die erzielten Projektergebnisse legen die Basis dafür, zukünftig nach Abschluss der
weitergehenden Entwicklungen im Prozesslabor am Markt ein alternatives Lacksystem
anzubieten, um hochglanzbeschichtete Kunststoffbauteile prozesssicher herzustellen. Somit
besteht erstmals die Möglichkeit, vor allem bei komplexen Bauteilgeometrien, die bisher
standardmäßig eingesetzten lösemittelhaltigen Zweikomponentenlacke zu ersetzen.
Die wesentlichen Nachteile dieses Verfahrens hinsichtlich Ausschussquote und
Energieverbrauch können hiermit umgangen werden. Bedingt durch die lange Offenzeit kann
die Ausschussquote bei Zweikomponentenlacken bis zu 80 % betragen. Dabei übertreffen
der Lack- und der Energieverbrauch dieser 2-K-Lacke die Werte bei UV-Lackierung deutlich.
Die Einsparungen sind dabei erheblich, da beispielsweise 2-K-Systeme für
Innenraumanwendungen im Automobil nur in Europa mit ca. 20.000 t Lack pro Jahr
abzuschätzen sind. Hiervon sind, wie oben bereits dargestellt, ca. 60 % Lösemittel
anzunehmen, die durch das neue Verfahren komplett wegfallen. Da die Ausschussquoten
ebenfalls deutlich reduziert werden können und der Overspray recycelt werden kann, ergibt
sich eine weitere Einsparung hinsichtlich des Lackverbrauchs von bis zu 60%. Somit können
die Emissionen an VOCs deutlich reduziert werden.
Aus einigen Abschätzungen kann darüber hinaus davon ausgegangen werden, dass der
Energieverbrauch sich mit UV-härtenden Lacksystemen um ca. den Faktor 5 gegenüber der
thermischen Trocknung und Abluftreinigung reduziert. Die genauen Zahlen hängen dabei
von der individuellen Gestaltung der Lackierstraße und der Abluftanlage ab. Ein großer Teil
der Energie in Deutschland stammt aus fossilen Quellen [1], so dass eine Verringerung des
Energieverbrauchs direkt zu einem Schutz des Klimas und endlicher Ressourcen führt.
Darüber hinaus stellen diese Energieeinsparungen auch einen ökonomischen Vorteil für den
Anwender dar.
Mit dem Projekt ist der Firma Mankiewicz ein wichtiger Schritt gelungen, um UV-härtende
Lacksysteme in einem vollständig neuen Anwendungsgebiet einsetzen zu können, dort
bessere Qualitäten zu erreichen und gleichzeitig Emissionen und Energieverbräuche zu
verringern. Die Applikation der UV-Lacke erfolgt mit gängigen Systemen, sodass bestehende
Lackierstraßen relativ einfach umgerüstet werden können. Der wesentliche Punkt lag ja
bisher darin, dass keine geeigneten Lacksysteme vorhanden waren, die bei geringen
Mankiewicz Gebr. & Co. Abschlussbericht „UV-Lacktechnologie“ Seite 19
UV-Leistungen und einer geringen UV-Dosis die hohen Anforderungen der Kunden
(insbesondere der Automobilindustrie) erfüllt haben.
Die Projektergebnisse zeigen darüber hinaus, dass auch durch die deutliche Reduzierung
der UV-Leistungsdichte das geometrische Prozessfenster deutlich erweitert werden kann
und insbesondere, wenn komplexe dreidimensionale Strukturen betrachtet werden, hier in
einem weiten Bereich stabile Prozessbedingungen an der Oberfläche erreicht werden
können. Dies ist sehr wichtig hinsichtlich der technischen Einsatzfähigkeit des Verfahrens,
sodass der Abstand zwischen der UV-Lichtquelle und dem Bauteil in einem weiteren Bereich
variiert werden kann, ohne dass es zu Prozesseinschränkungen kommt.
Derzeit arbeitet die Firma Mankiewicz intensiv an der Weiterentwicklung der Lacke im
Serieneinsatz. Dazu werden im anwendungstechnischen Zentrum der Firma Mankiewicz in
Hamburg derzeit umfangreiche Tests mit den neuen UV-Lacken durchgeführt. Schwerpunkte
bilden dabei die Kunststoff-Interieurbeschichtung, aber auch Exterieurlackierungen, die sich
als interessante Applikation im Rahmen der Projektarbeiten zusätzlich ergeben haben.
In einer dritten Stufe sollen auch weitere Substrate wie beispielsweise Holzfurniere
beschichtet werden. Diese Arbeiten dienen als Basis für die Verbreitung der
Projektergebnisse. Die neuen Lacksysteme sollen baldmöglichst potenziellen Kunden zur
Verfügung gestellt werden, mit denen weitere Basisuntersuchungen in der technischen oder
großtechnischen Anwendung stattfinden werden. Wenn diese Untersuchungen positiv
abgeschlossen werden, dann wird das neue Lacksystem kundenspezifisch am Markt
angeboten.
Darüber hinaus wurden durch direkte Kundeninformationen weitere Maßnahmen zur
Verbreitung der Ergebnisse durchgeführt. In einem umfangreichen Artikel, der in der
Zeitschrift Farbe und Lack, Ausgabe 07/2015 [2] erschien, wurde gemeinsam mit der
Deutschen Bundesstiftung Umwelt über die Projektergebnisse berichtet. Da diese Zeitschrift
mit das wichtigste Informationsorgan für die Lackindustrie darstellt, ist eine große
Verbreitung gegeben und es konnten bereits viele interessante Gespräche im Nachgang
geführt werden.
Mankiewicz Gebr. & Co. Abschlussbericht „UV-Lacktechnologie“ Seite 20
Fazit
Die Entwicklung von UV-härtenden Lacksystemen, die sowohl höchsten technologischen
Anforderungen (z. B. Kratzbeständigkeit lt. Automobilanforderung) genügen, als auch mit
deutlich reduzierten UV-Leistungsdichten und einer deutlich reduzierten UV-Dosis gehärtet
werden können, hat sich als ein schwieriges, aber machbares Projekt dargestellt.
Der grundlegende Ansatz, die fehlende UV-Strahlung „chemisch“ zu kompensieren,
funktioniert prinzipiell gut und zuverlässig. Die geschickte Auswahl der Photoinitiatoren sowie
das zusätzliche Einbringen von Oligomeren und spezifischen Additiven führen andererseits
auch zu komplexeren Lackformulierungen, deren Herstellung eine deutlich höhere
Anforderung an den Lackproduzenten stellt. Dies ist eine wesentliche Kernkompetenz der
Firma Mankiewicz, um gezielt Prozesse so weiterzuentwickeln, so dass sie für die
unterschiedlichen Kunden zu einem optimalen Beschichtungsergebnis führen.
Die Firma Mankiewicz sieht sich hierbei als ein Wegbereiter auch der UV-Lacktechnologie,
insbesondere für die sehr anspruchsvollen Applikationen im Bereich der Automotivindustrie,
die mit die höchsten Anforderungen hat. Im Rahmen des Projektes konnten die
grundlegenden Probleme gelöst werden und ein ausschließlich UV-härtender Lack entwickelt
werden, der einen wirklich neuen Ansatz beim Einsatz von UV-Lacken auf
Kunststoffoberflächen ermöglicht. Die technische Herausforderung, einen rein auf
radikalischer Kettenreaktion ablaufenden Vernetzungsprozess gezielt umzusetzen, konnte
hervorragend gelöst werden. Dies war auch die wesentliche Voraussetzung, um
ausreichende Oberflächenhärten in den so erzielten Lackschichten zu erreichen.
Die wesentlichen Grundentwicklungen, die im Rahmen des Projektes durchgeführt wurden,
haben einen großen Anwendungsbereich für Kunststoffbeschichtungen. Der
anspruchsvollste Markt liegt hier bei der Automobilindustrie, die die höchsten Anforderungen
an die Lackoberflächen haben. Die bisher verwendeten 2K-Lacksysteme können dabei
vollständig durch ökologisch sinnvolle UV-Lacke ersetzt werden und so neben der deutlichen
Reduzierung von Lösungsmitteln auch die hohen Energieaufwendungen für das Trocknen
und das thermische Aushärten der bisherigen Lackschichten eingespart werden.
Da zukünftig der Anteil von Kunststoffoberflächen im Auto weiter steigen wird, bietet das
Verfahren darüber hinaus eine große Zukunftsperspektive und eine nachhaltige zukünftige
Nutzung. Im Weiteren besteht ein großes Anwendungsgebiet im Bereich der technischen
Oberflächen, wo auch verstärkt Kunststoffe zum Einsatz kommen.
Mankiewicz Gebr. & Co. Abschlussbericht „UV-Lacktechnologie“ Seite 21
Literaturverzeichnis
[1] nach Angaben des Statistischen Bundesamtes, BRUTTOSTROMERZEUGUNG IN
DEUTSCHLAND FÜR 2012 BIS 2014 siehe
https://www.destatis.de/DE/ZahlenFakten/Wirtschaftsbereiche/Energie/Erzeugung/Tabellen/Brutt
ostromerzeugung.html
[2] MENZ, V., DE ROSSI, U. UND SCHWAKE, M.: Geringe Strahlungsintensität - gute Härtung,
Farbe und Lack, Ausgabe 07/2015, Seite 60 ff.