Lack


Lack

Dieser Artikel behandelt Lack als Beschichtungsstoff. Zu weiteren Bedeutungen des Wortes siehe Lack (Begriffsklärung).
Blick in eine Autolackiererei

Lack ist ein flüssiger oder auch pulverförmiger Beschichtungsstoff, der dünn auf Gegenstände aufgetragen wird und durch chemische oder physikalische Vorgänge (zum Beispiel Verdampfen des Lösungsmittels) zu einem durchgehenden, festen Film aufgebaut wird. Lacke bestehen in der Regel aus Bindemitteln, Pigmenten, Lösemitteln, Füllstoffen und Additiven.

Die drei Hauptaufgaben von Lacken sind:

  • Protektion (schützende Wirkung, z. B. Schutzanstrich, Schutzlacke),
  • Dekoration (optische Wirkung, z. B. ein bestimmter Farbeffekt) und
  • Funktion (besondere Oberflächeneigenschaften, z. B. veränderte elektrische Leitfähigkeit).

Schätzungen zufolge wurden im Jahr 2007 weltweit etwa 28 Milliarden Liter Lack im Wert von 92 Milliarden US-Dollar produziert.[1]

Geschichte

Anfänge

Das Wort Lack leitet sich von dem aus dem Sanskrit stammenden Wort laksha, zu deutsch hunderttausend, ab. Hunderttausend beschreibt die Vielzahl von Lackschildläusen, deren harzartige Stoffwechselprodukte als erstes Bindemittel der Welt gelten. Verwendet wurde die Masse, indem man sie durch Erhitzen von den Ästen löste und auf dem beschichteten Gegenstand wieder erkalten ließ.[2]

Frühe Beispiele der Verwendung von Lack finden sich auch in China.[2] Den Chinesen wird die Entdeckung der Lacktechnik zugeschrieben. Schon vor über 7500 Jahren (Hemudu-Kultur) verwendeten sie die Rinde des Lackbaumes als Bindemittel.[3]

Die älteste überlieferte Rezeptur eines Lackes stammt aus dem 12. Jahrhundert und bestand aus Leinöl als Bindemittel und Zinnober als Pigment. Ab dem 18. Jahrhundert entstanden die sogenannten Lacksiedereien, die sich rasch einen Markt für die Beschichtung von verschiedensten Gegenständen eroberten. Wie die Bezeichnung Siederei bereits aussagt, wurden die Lackbestandteile damals meist bei erhöhter Temperatur miteinander vermischt.[2]

Beginn der industriellen Lackproduktion

Bis zum Beginn des Industriezeitalters diente der Lack zur farblichen Verschönerung von Gegenständen. Im Industriezeitalter kam den Lacken zunehmend auch eine Schutzfunktion zur Werterhaltung von Gegenständen und Gebäuden zu. Es wurden Anlagen für eine industrielle Lackierung errichtet, die die mühsame manuelle Arbeit mit dem Pinsel überflüssig machte. Durch Gießen, Walzen und Tauchen konnten Gegenstände sehr gleichmäßig lackiert werden.[3]

Im Jahr 1882 gab es bereits 1105 Betriebe in Deutschland, die Lacke herstellten. Am Ende des 19. Jahrhunderts gründeten sich viele der heute größten deutschen Lackhersteller, beispielsweise Herberts Lacke, heute DuPont, oder die Deutschen Amphibolinwerke. Starke Konkurrenz aus dem Ausland führte schließlich zur Gründung des bis heute bestehenden Verbandes der deutschen Lack- und Druckfarbenindustrie im Jahr 1900. Die Gründung der heute wichtigsten Branchenzeitschrift Farbe und Lack datiert auf das Jahr 1893. 1916 wurde die Interessengemeinschaft deutscher Teerfarbenfabriken gegründet, die ab 1925 in I.G. Farben umbenannt wurde.[2]

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden neue Bindemittel entwickelt, etwa Laccain (1902) oder Bakelit (1905). Im Jahr 1913 wurden die ersten Lackkunstharze, also vollständig synthetisierte Bindemittel hergestellt. Dabei handelte es sich um Phenolharze, denen 1918 die Harnstoffharze und 1927 die Alkydharze folgten. Im Jahr 1921 wurden erstmals Nitrozelluloselacke für die Automobilserienlackierung verwendet. 1934 wurden die ersten Dispersionsfarben auf Basis eines Bindemittels, das als Dispersion vorliegt, hergestellt.[2]

Bezüglich der lackspezifischen Ausbildung wurde der Grundstein im Jahr 1924 in Krefeld mit der Einrichtung einer Lackabteilung an der dortigen Färberei- und Appreturschule, heute Teil der Fachhochschule Niederrhein, gelegt.[2] Die noch heute marktüblichen RAL-Farben wurden erstmals 1924 veröffentlicht.[2]

Entwicklung nach dem Zweiten Weltkrieg

Die erste technologische Neuentwicklung nach dem Zweiten Weltkrieg war die Entwicklung der Epoxid-Harze im Jahr 1948. Bereits 1949 wurden die ersten wasserbasierenden Lacke gefertigt. Ab 1952 wurden Malerfarben auf Kunststoffdispersionsbasis gefertigt.[2]

1960 wurden neben der Anodischen Tauchlackierung (ATL), die 1976 durch die Kathodische Tauchlackierung (KTL) abgelöst wurde, auch die ersten Silikonharze herausgebracht, sowie erste Anwendungen für Coil Coating gefunden. 1966 wurde die erste deutsche Pulverbeschichtungsanlage in Betrieb genommen, gefolgt von diversen Unternehmensneugründungen auf diesem Gebiet. 1975 kamen die ersten Farbmischsysteme auf den Markt.[2]

In jüngerer Vergangenheit bekam der Umweltaspekt eine immer größere Bedeutung. Der Anteil an organischen Lösemitteln lag früher (1960-1970) in Lacken um 50 % - 70 %, mitunter wurden gesundheitsschädliche Lösemittel, wie chlorierte organische Verbindungen oder sogar Benzol[3] verwendet. In den 1970er und 1980er Jahren wurden die gesundheitsschädlichen Lösemittel in Lackformulierungen ersetzt und der Lösemittelanteil verringert. 1983 verpflichteten sich die deutschen Lackhersteller zur Reduktion von flüchtigen organischen Verbindungen in Lackrezepturen und schwermetallhaltige Pigmente wie Bleichromat in Lackrezepturen. 1985 kamen die ersten emissions- und lösemittelfreien Dispersionsfarben auf den Markt.

1996 wurde mit dem sogenannten Pulver-Slurry ein in Wasser aufgeschlämmter Pulverlack eingeführt. 1999 wurden Lacke mit Selbstreinigungseffekt entwickelt.

Viele Lackrezepturen für den Hausgebrauch zur Anfärbung von Holz, Metall (Türrahmen, Fensterrahmen, Heizkörper) enthalten heute keine organischen Lösemittel mehr sondern nur Wasser, dadurch erhöht sich jedoch die Trocknungszeit. Aktuelle Weiterentwicklungen entstehen durch die erneut gesenkten VOC-Grenzwerte gemäß EU-Gesetzgebung von 2007 und 2010 und die Anforderungen durch REACH und GHS.[2]

Wirtschaftliche Bedeutung

Weltweit wurden im Jahr 2007 etwa 28 Milliarden Liter Lack produziert. Im Vergleich zum Jahr 2002 ergibt sich eine Produktionssteigerung von 4,8 %.[1]

Die größten Anwendungsgebiete sind dabei Bautenfarben (51 % nach Menge, 43 % nach Wert), Industrielacke (10 % nach Menge, 11 % nach Wert) und Pulverlack (9 % nach Menge, 7 % nach Wert). Der wichtige Sektor der Automobillacke erreicht gemeinsam mit Flugzeug- und anderen Fortbewegungsmittellackierungen 6 % nach Menge und 8 % nach Wert und liegt damit etwa gleich mit Korrosionsschutzlackierungen und Holzlacken. Das in den Jahren 2002 bis 2007 am stärksten gewachsene Segment ist der Pulverlackbereich mit ca. 13 % Wachstum.[1]

Regional werden etwa 35 % aller Lacke in Europa verkauft, 30 % in Asien und 25 % in Nordamerika. Der Rest verteilt sich zu gleichen Teilen auf Südamerika und Afrika. Europa und Nordamerika verzeichneten dabei einen wachsenden Anteil, während der Lackverbrauch in den anderen Erdteilen zurückging. Dies zeigt sich auch im Pro-Kopf-Verbrauch, bei dem in Nordamerika mit etwa 10 Litern Lack pro Einwohner und Jahr sowie Europa mit 8 Litern etwa doppelt bis viermal so viel Lack wie in den anderen Erdteilen verbraucht wird.[1]

Marktforscher erwarten aufgrund der aktuellen globalen Entwicklungen, dass die Nachfrage aus dem Raum Asien-Pazifik innerhalb der nächsten acht Jahre ihre bereits führende Position in der Welt weiter ausbauen wird. Schon jetzt wird über ein Drittel des weltweiten Umsatzes in dieser Region erwirtschaftet. Die steigende Nachfrage und das immer breitere Anwendungsfeld der multifunktionalen Farb- und Lackprodukte lässt eine positive Nachfrageentwicklung erwarten. Experten prognostizieren, dass der weltweite Verbrauch bis zum Jahr 2019 ein Niveau von rund 48 Mio. Tonnen erreichen wird und sich die Wachstumsraten damit gegenüber den vergangenen acht Jahren noch verstärken.[4]

Lackproduktion in Deutschland

Lackabfüllung

Im Jahr 2010 betrug die Produktionsmenge von Lacken und Anstrichstoffen in Deutschland 2,04 Millionen Tonnen, was einem Produktionswert von 4,26 Milliarden € entspricht. Dies entspricht einer Zunahme um 4 % nach Menge oder 7 % nach Wert gegenüber 2009. In diesen Angaben sind neben Lacken auch Dispersionsfarben enthalten. Lösemittelhaltige Lacke kamen in Deutschland im Jahr 2010 auf einen Anteil von 24 % nach Menge (45 % nach Wert). Lösemittelfreie Lacke haben zusammen mit Pulverlacken und Dispersionsfarben einen Anteil von 77 % nach Menge und 55 % nach Wert.[5] In Deutschland gibt es heute etwa 250 kleinere und mittlere Lackhersteller. Sie sind teilweise stark spezialisiert und arbeiten vielfach regional.[6]

Die folgende Tabelle stellt die Produktion von Farben und Lacken in Deutschland im Jahr 2010 dar.[5]

Substanzklasse Jahresproduktion in Tonnen Umsatz in Mio. Euro Klasse
Alkydharzlacke (lufttrocknend) 65.103 220 lösemittelhaltig
Alkydharzlacke (wärmetrocknend) 12.929 47 lösemittelhaltig
Ölfarben, Öllacke 7.179 60 lösemittelhaltig
Zellulosenitratlacke 16.720 54 lösemittelhaltig
Bitumen- und teerhaltige Lacke 7.157 21 lösemittelhaltig
Farben auf Basis Schellack o. ä. 3.320 8 lösemittelhaltig
Phenol-, Harnstoff- und Melaminharzlacke 20.231 40 lösemittelhaltig
Polyesteranstrichfarben 76.242 313 lösemittelhaltig
Epoxidharzlacke 66.563 219 lösemittelhaltig
Polyurethanharzlacke 59.270 320 lösemittelhaltig
Polystyrol- und Polyvinylharzlacke 21.906 78 lösemittelhaltig
Farben und Lacke auf Basis Acrylpolymere 41.357 176 lösemittelhaltig
Sonstige Farben auf Basis synthetischer Polymere 45.236 207 lösemittelhaltig
High Solids 41.407 144 lösemittelhaltig
Pulverlacke 63.658 246 lösemittel- und wasserfrei
Dispersionsfarben (innen) 614.784 572 wässrig
Dispersionsfarben (außen) 133.898 196 wässrig
Grundierungen und Überzugsmittel 75.068 138 wässrig
Kunstharzgebundene Putze 141.932 145 wässrig
Leimanstrich- und Wasserfarben 24.397 88 wässrig
Silikatanstrichfarben 29.782 59 wässrig
Silikatputze 43.112 32 wässrig
Dispersionslackfarben 119.193 305 wässrig
Elektrophorese- und andere Wasserlacke 13.656 31 wässrig
Wässrige Phenol-, Harnstoff- und Melaminharze 778 4 wässrig
Lack- und andere Spachtel 176.968 128 wässrig
Silikonharzfarben 6.815 25 wässrig
Silikonharzputze 28.201 34 wässrig
Sonstige Farben auf Basis synthetischer Polymere 77.841 334 wässrig
Sonstige Farben auf Basis natürlicher Polymere 2.295 11 wässrig

Somit wurden im Jahr 2010 484.620 Tonnen lösemittelhaltige und 1.488.720 Tonnen wässrige Farben und Lacke produziert. Diese hatten einen Gesamtwert von 1.909 beziehungsweise 2.101 Millionen Euro .[5]

Auch weltweit waren über die Hälfte der nachgefragten Farben und Lacke im Jahr 2011 wasserbasiert. Experten erwarten für die Zukunft einen weiteren Anstieg im Verbrauch lösungsmittelfreier Produkte, da immer mehr lösungsmittelbasierte Farben und Lacke durch andere Technologien ersetzt werden.[7]

Einteilung

Bei der Vielfalt der Lacke sind verschiedene Möglichkeiten der Einteilung üblich.

Lacke werden nach Formulierungs- oder Verarbeitungsgesichtspunkten eingeteilt, etwa nach Art des Bindemittels (Beispiel: Nitro-Lacke), Art des Lösemittels (Beispiel: Spiritus-Lacke), Trocknungsweise (Beispiel: Einbrennlacke) oder Anwendungsgebiet (Beispiel: Autolack).

Die Unterteilung nach Oberflächeneigenschaften teilt Lacke nach dem Erscheinungsbild der Oberfläche. Die Art der Formulierung kann stumpfmatte (z. B. Softfeel-Oberflächen im Kfz-Innenraum) bis hochglänzende (z. B. Klavierlacke) Oberflächen erzeugen. Ebenso können je nach Art der Formulierung glatte bis hochstrukturierte (z. B. Hammerschlaglack) Lacke erzeugt werden.

Traditionelle Lacke werden aus Pflanzen gewonnen, z. B. aus Harzen wie Copal und Kolophonium, der Schellack aus den Absonderungen einer asiatischen Läuseart und der Schwarzlack der chinesischen Lackkunst aus dem Saft des Lackbaums.

Lacke werden teilweise auch nach speziellen Eigenschaften (mehr oder weniger willkürlich) klassifiziert. Ein Klarlack ist transparenter Lack, der keine farbgebenden Pigmente enthält. Spannlack spannt beim Trocknen Papier und Gewebe, festigt und imprägniert sie. Ein Tauchlack ist ein Lack, der durch Eintauchen des Werkstücks in den Lack aufgetragen wird (siehe anodische und kathodische Tauchlackierung). Effektlacke zeigen je nach Blick- und Beleuchtungsrichtung einen sogenannten Flop, also eine Helligkeits- oder Farbveränderung.

Weitere spezielle Lacke stellen beispielsweise Acrylfarbe, Alkydharzlack, Autolack, Geigenlack, Japanlack, Kelterlack, Leitlack, Nagellack, Nitrozelluloselack, Pulverlack, Siegellack, Schleiflack (Klavierlack), Schutzlack oder Silikonharzlack dar.

Zusammensetzung

Die nichtflüchtigen Bestandteile der Lacke sind Filmbildner, Pigmente, Füllstoffe und die festen Bestandteile der Additive.

Ein Lack sollte beständig sein und sich nicht vom Untergrund ablösen. Der Lack bildet mit dem Untergrund eine feste Schicht. Ist die Oberfläche verunreinigt, so gibt es keinen guten Verbund zwischen Untergrund und Lack bei mechanischen Belastungen oder Umwelteinflüssen. Vielfach beruht das Abblättern eines Lackes auf einer schlechten Säuberung, Entfettung oder Entrostung der angestrichenen Materialien.[3]

Je nach zu lackierendem Untergrund (Holz, Metall, mineralisches Baumaterial, Kunststoff) und Oberflächenvorbehandlung werden unterschiedliche Lacksysteme eingesetzt. Ein Lack besteht aus einem flüchtigen Lösemittel und nichtflüchtigen Bestandteilen. Das Lösemittel verdampft während des Trocknungsprozesses, die nichtflüchtigen Bestandteile haften dabei als glatter Film auf dem lackierten Objekt.

Zu den nicht flüchtigen Komponenten gehören Bindemittel, Pigmente und Füllstoffe. Das Bindemittel sorgt für eine gute, gleichförmige Suspension mit Farbpigmenten und Lösemittel im Lack, ist für einen optimalen Trocknungsprozess (keine Blasenbildung) und für den Glanz nach der Trocknung verantwortlich. Wesentliche Basis eines Lackes ist das Bindemittel. Lösemittel und Pigmente sind keine notwendigen Bestandteile eines Lackes. Es gibt auch pigmentfreie Klarlacke und lösemittelfreie Lacke wie etwa Pulverlacke.

Bindemittel

Der Begriff Bindemittel wird häufig nur für den filmbildenden Anteil (Filmbildner) benutzt, streng genommen muss auch der nichtflüchtige Anteil der Additive dazu gezählt werden, da dieser nicht zu der eingebundenen Phase (Pigmente und Füllstoffe) zählt.[8]

Moderne Bindemittel werden als Dispersion in wässriger Lösung oder gelöst im Lösemittel als Einkomponentensystem (1K-Lacke) angeboten. Bei Zweikomponentensystemen (2K-Lacke) besteht das Bindemittel aus Harz und Härter. Diese werden getrennt gelagert. Kurz vor dem Verarbeiten werden die beiden Komponenten gemischt. Sie reagieren chemisch und härten (ohne Trocknung) aus. Manche 2K-Lacke enthalten keine Lösemittel. Traditionelle Bindemittel sind u. a. natürliche Harze und Öle (Ölfarbe), Pflanzenbestandteile (Chinalack, Japanlack), Ei (Eitempera), Gummi Arabicum (Aquarellfarbe), Kalk (Kalkfarbe), Leim (Leimfarbe), Teer (mittlerweile verboten, da krebserregend) oder Bitumen.

Liegt das Bindemittel nicht in flüssiger Form vor, benötigt man als zusätzlichen Bestandteil ein Lösemittel, das in der Lage ist, das Bindemittel zu lösen. Lösemittel in physikalisch trocknenden Lacken müssen farblos sein, das Bindemittel nicht negativ beeinflussen und rückstandslos verdunsten. Da die meisten Lösemittel für Lacke organische Lösemittel sind, die teilweise giftig oder feuergefährlich sind, tendiert man immer mehr zu lösemittelfreien Systemen, also zu Pulverlacken oder Suspensionen von Lackpartikelteilchen in Wasser. Eine weitere Möglichkeit, lösemittelfrei (emissionsfrei) zu arbeiten besteht darin, strahlenhärtende Lacksysteme einzusetzen (Strahlenhärtung). Bei dieser Technologie dient ein Monomer als „Lösemittel“, das während der Härtung in den Lackfilm einpolymerisiert. Als Strahlenquelle dient meist eine UV-Hochleistungslampe.

Soll die natürliche Transparenz des Bindemittels (oft mit gelbem Farbstich) verändert werden, werden Pigmente zugegeben.

Filmbildner bilden nach der Lackauftragung und Trocknung eine zusammenhängende Schicht (den Film) mit guten chemischen und mechanischen (Härte) Eigenschaften. Die Filmbildner gehen im Verlauf der Trocknung, der Lackhärtung in hochmolekulare Verbindungen über. Niedermolekulare Filmbildner sind z. B. Nitrocellulose, Vinylchlorid-Vinylacetat-Copolymere, hochmolekulare Filmbildner sind beispielsweise ungesättigte Polyesterharze, Epoxidharze.[3] Filmbildner von physikalisch trocknenden Anstrichmittel (etwa Chlorkautschuk, Vinylpolymerisate, Styrol-Butadien-Copolymerisate, Silikone) weisen beim Trocknungsprozess keine chemische Reaktion zwischen den makromolekularen Stoffen auf (Verdunstung des Lösemittels). Diese Beschichtungen können durch ein Lösemittel wieder gequollen und teilweise gelöst werden.[3] Vernetzende Filmbildner (ungesättigte Polyesterharze, Acrylsäureester, Epoxidharze, Alkydharze oder Polyesterharze) können beispielsweise mit Phenol- oder Melaminharzen vernetzen und nach der Lacktrocknung durch ein Lösemittel nicht mehr aufgelöst werden. Die Lackbeschichtungen weisen nur ein sehr schwaches Quellvermögen unter Lösemitteleinfluss auf. Als Harze bezeichnet man das natürliche Kolophonium oder synthetische Harze. Harze sind wichtig für die bessere Haftfähigkeit auf dem Untergrund und den Glanz von Lackierungen.[3]

„Trocknende“ Öle

Öllacke sind schon seit über 2000 Jahren in China bekannt und werden auch heute noch partiell mit anderen synthetischen Bindemitteln eingesetzt. Als Öle werden beispielsweise Leinöl, Sojaöl und Holzöl genutzt. Die Härtung des Lackes basiert auf einer chemischen Reaktion des Luftsauerstoffes mit den Doppelbindungen der ungesättigten Fettsäurenn und einer Umesterung der Bindungen zwischen Fettsäuren und Glycerol, was zu einer Quervernetzung der Moleküle führt. Bei der Oxidation entstehen Hydroperoxide, die radikalisch zerfallen und mit anderen Ölsäuremolekülen reagieren, dadurch entsteht eine Vernetzung. Sogenannte Sikkative (z. B. Kobaltnaphthenat) fördern die radikalische Vernetzung. Zu Öllacken setzt man gelegentlich synthetische Lösungsmittel hinzu (1,4 – Polybutadienöle). Bei der Aushärtung der Öllacke handelt es sich nicht um eine Trocknung, da die Aushärtung des Lacks auf der Vernetzung und nur bei einer Verwendung von Lösungsmitteln auf dem Verdampfen beruht. Öllacke neigen leicht zur Vergilbung. Die enthaltenen Esterbindungen werden durch Wasser hydrolysiert und neigen bei häufigerem Wasserkontakt zum Auswaschen. Daneben ist die Aushärtungszeit vergleichsweise lang, weshalb ihre Bedeutung stark zurückgegangen ist.

Cellulosederivate

An erster Stelle sind hierbei die Celluloseester zu nennen. Cellulosenitrate (Nitrocellulose) sind schon seit 1855 (Parkes) für Lackierungszwecke bekannt gewesen. Erst als um 1880 erkannt wurde, dass Lösemittel wie Ethylacetat gut geeignet sind, wurden größere Mengen hergestellt. Um 1920 kam dann der technische Durchbruch für die Cellulosenitrate in der Lackierung bei der Automobilproduktion. Im Gegensatz zu Öllacken, die durch den Luftsauerstoff eine lange Trockenzeit benötigten, wurden Nitrocelluloselacke schnell fest. Ab 1930 wurden Nitrocelluloselacke mit Alkydharzen gemischt. Mit diesem Lackbindemittel konnten nun Metall, Holz, Gewebe lackiert werden. Heutige Anwendungsgebiete von Nitrocellulose-Lacken sind: Möbellacke, Metalllacke, Folienlacke, Textil- und Lederlacke, Nagellacke. Im Jahr 2007 wurden in der Bundesrepublik 27.000 Tonnen Nitrocellulose-Lacke hergestellt. Daneben gewinnt Celluloseacetat an Bedeutung, das in Lösungen z.B. als Elektroisolierlack Verwendung findet.

Zuckerderivate

Zucker als Mono- oder Disaccharide eignen sich als Polyhydroxyverbindungen als Ausgangsstoffe für die Herstellung von Lacken. Durch Umsetzung von Sacchariden mit Ethylenoxid oder Propylenoxid erhält man Polyole, die mit anderen Komponenten wie z.B. Harnstoff oder Formaldehyd kondensiert werden können. Durch Oxidation von Sacchariden lassen sich organische Säuren gewinnen, die wiederum zu Polyestern umgesetzt werden können. Eine besondere Bedeutung haben Verbindungen, die durch Anfügen von Vinyl- Acrylat- oder Methylacrylatgruppen an die Saccharide entstehen. Damit werden Dispersionen als Bindemittel für Lacke, wie z.B. Holzlacke, hergestellt, wobei der Anteil von nachwachsenden Rohstoffen in diesen Lacken über 60 % beträgt. Wasserbasierte Alkydharze auf Basis von Saccharose und Fettsäuremethylestern lassen sich inzwischen ebenfalls erfolgreich synthetisieren. Aus Glucose kann über Sorbitol Isosorbid synthetisiert werden, das als Baustein für Pulverlacke dient.

Alkydharze

Alkydharzlack zur Beschichtung von Holz/Metall

Die Trocknungsdauer von Öllacken war ein wichtiges Kriterium bei der industriellen Massenfertigung von Küchengeräten, Kleinteilen geworden. Auch im Wohnungsbau benötigte man schnell trocknende Lacke. Mit der Entwicklung der Alkydharz-Lacke um 1930 wurde ein sehr guter Filmbildner gefunden.

Alkydharze bestanden damals zumeist aus einer Dikarbonsäure (Phthalsäure) einem Polyalkohol (z. B. Glycerin) und Leinöl, Sojaöl usw. Ab 1945 wurden dann auch Misch-Alkydharze mit Styrol hergestellt. Diese Mischpolymerisate zeigten eine schnellere Antrocknung, höhere Wetterbeständigkeit, größere Oberflächenhärte, geringere Vergilbung. Alkydharze können mit vielen anderen Filmbildnern kombiniert werden etwa Phenolharzen, Nitrocellulose oder Epoxidharzen. Eine Modifizierung sind auch acrylierte Alkydharze, also Copolymerisate mit Acrylsäureestern, sowie urethanmodifizierte Alkydharze, die sich durch eine höhere Härte und größere Beständigkeit gegenüber Chemikalien auszeichnen. Alkydharzlacke finden Anwendung in vielen Bereichen des Lackiergewerbes. Im Handel findet man häufig Alkydlacke mit organischen Lösemitteln. Wichtige Anwendungsfelder sind beispielsweise Malerlacke und Industrielacke. Ausgangsstoffe für die Synthese von Alkydharzen sind inzwischen vielfach nachwachsende Rohstoffe, wobei hier insbesondere pflanzliche Öle eine Rolle spielen, die z.B. durch Umesterung mit Polyalkoholen modifiziert werden.

Polyvinylacetat-Copolymere

Polyvinylester sind sehr wetterbeständig und besitzen eine gute Klebekraft und haften gut auf metallischen und mineralischem Untergrund. Wasserhaltige Dispersionen aus Polyvinylacetat werden genutzt, um Innenräume weiß (oder farbig) anzustreichen (Alpina® Weiß).

Polyacrylate

Polyacrylate und Polymethacrylate bezeichnet man als Acrylharze. Acrylharze werden in wässrigen Dispersionen oder lösemittelfreien Systemen als Wand- oder Fassadenfarbe eingesetzt. Sie sind hervorragend licht- und wetterfest und bleiben „atmungsaktiv“. Acrylharze in Verbindung mit Silikonharzen (wasserabweisend) werden genutzt, um die Außenfassade eines Wohnhauses anzustreichen. Acrylharze auf wässriger Basis werden auch zum Anstreichen von Tür-, Fensterrahmen und Heizkörpern genutzt. In Kombination mit anderen Harzen (z. B. Alkydharzen, Celluloseestern) dienen sie auch zum Anstreichen von Gummi, Holz und Metall. Für Haushaltsgeräte werden sie auch als Einbrennlacke benutzt.

Epoxidharze

Epoxidharzlacke bestehen häufig aus 2-Komponenten (2K)-Systemen, die vor der Lackierung vermischt werden. Der Lack muss nach Vermischung der Komponenten schnell aufgetragen werden, da die Anwendungsdauer („Pot Life“) kurz ist. Epoxidharze sind Polyaddukte aus Epichlorhydrin mit Bisphenol A. Diese werden mit einem Härter vernetzt. Bei Raumtemperatur liegen die Härtungszeiten um 12 Stunden, bei 120 °C um 30 Minuten. In Kombination mit Aminoharzen können Epoxidharze auch als Einbrennlacke genutzt werden. Bei diesem Verfahren besteht das Bindemittel aus nur einer Komponente. Hierbei werden Temperaturen um 160 bis 200 °C angewendet.

Polyurethane

Polyurethanlacke (Polyurethandispersionen) kommen als 1- und 2-Komponenten-Systeme zur Anwendung. Die Härtung wird bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur durchgeführt. Bei 2-Komponentensystemen liegen Polyisocyanat und eine polyalkoholhaltige Komponente getrennt vor. Polyurethanlacke weisen eine hohe Härte, eine gute Chemikalien- und Wetterbeständigkeit auf. Sie finden Anwendung bei der Lackierung von Waggons, Flugzeugen, Beton und Hausgeräten wie Kühlschränken, Waschmaschinen und Mikrowellenöfen im Coil-Coating-Verfahren.[6] Vor allem die gute Chemikalien- und Wetterbeständigkeit ist der ausschlaggebende Punkt, dass diese Lacke im Interieur von Automobilen Anwendung finden.

Pigmente

Hauptartikel: Pigment

Pigmente überdecken das beschichtete Material und sind ausschlaggebend für den Farbeindruck. Ferner sorgen Pigmente für eine bessere Beständigkeit der Lackfarbe gegenüber Korrosion. Entscheidend für den Farbeindruck und Farbstärke ist die mittlere Korngröße der Teilchen. Je kleiner die Korngröße, desto höher die Farbstärke. Vorzugsweise sollte der Teilchendurchmesser zwischen 0,1 und 2,0 μm liegen.[3]

Das wichtigste Pigment für Lacke ist das Weißpigment Titandioxid. Etwa 2.4 Millionen Tonnen dieses Pigmentes wurden im Jahr 2008 weltweit für Lacke eingesetzt. Die Lackindustrie (einschließlich der Dispersionsfarben ist das Hauptanwendungsgebiet für Titandioxid.[9][10] Sehr wichtige farbige anorganische Pigmente sind die Eisenoxide (185.000 Tonnen für Lackindustrie, 1989) : Fe2O3(rot), Fe3O4(schwarz), FeOOH (gelb).[10]

Eine andere wichtige anorganische Pigmentklasse für die Lackindustrie sind Blei-Molybdat Pigmente, mit einer wechselnden Zusammensetzung von Pb(Cr,S,Mo)O4. Auch das gelbe Bleichromat PbCrO4 (gesundheitsschädlich, giftig, möglicherweise krebserregend ohne Lackeinbindung) mit hoher Deckkraft und Farbstärke, guter thermischen Stabilität gehörte in diese Kategorie und wurde in den neunziger Jahren noch in der Lackindustrie verwendet. Bleimolybdatpigmente sind giftig, jedoch besteht im getrockneten Lack keine Gefahr. Der jährliche Verbrauch dieser Substanzklasse lag im Jahr 1988 bei 130.000 Tonnen.

Weitere wichtige anorganische Pigmente sind Cr2O3 (grüne Farbe, 20.000 Tonnen für Lackindustrie im Jahr 1988), Ultramarin-Pigmente (blaue, rote und grüne Farbe, 30.000 Tonnen im Jahr für die Lackindustrie im Jahr 1988), Eisenblau-Pigmente (Zusammensetzung: M(I)Fe(III)(CN)6, 50.000 Tonnen für Lackindustrie im Jahr 1988), Perlglanzpigmente (dünne Interferenzschichten, beispielsweise aus TiO2 auf Glimmer oder anderen plättchenförmigen Substraten, mit anderen Oxiden, Farben: schwarz, gold, blaugrau, silber).[10]

Auch viele organische Pigmente werden in der Lackindustrie eingesetzt. Organische Pigmente besitzen häufig eine höhere Lichtabsorption, eine größere Farbstärke und ein geringeres Deckvermögen als anorganische Pigmente. Um die Effekte auszugleichen verwendet man Mischungen aus anorganischen und organischen Pigmenten.[10] Die wichtigsten organischen Pigmentgruppen sind Azopigmente und Kupferphthalocyanin-Pigmente. Wichtige Vertreter für gelbe Farbtöne sind beispielsweise C.I. Pigment Yellow 1 (Hansa-Gelb G, ein sehr altes in Lacken verwendetes organisches Pigment, 1910) und C.I. Pigment Yellow 74.[11] Wichtige Blau- und Grünpigmente sind die Varianten des Kupferphthalocyanins (Blau: C.I. Pigment Blue 15:1 bis 15:6, Grün: C.I. Pigment Green 7 und 36).

Füllstoffe

Hauptartikel: Füllstoff

Häufig eingesetzte Füllstoffe sind Calciumcarbonat (Kreide), Bariumsulfat (Schwerspat) und Kaolin. Sie setzen die Formulierungskosten durch den partiellen Ersatz von Pigmenten herunter. Daneben dienen sie der Einstellung des Glanzgrades, einer definierten Oberflächenstruktur und der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften.[3]

Hilfsstoffe

Hauptartikel: Additiv

Additive oder Hilfsstoffe verbessern die Eigenschaften des Lackfilms, etwa die die Lagerfähigkeit oder die Verarbeitbarkeit. Härtungsbeschleuniger führen zu einer schnelleren Aushärtung des Lackfilms.[3] Weichmacher setzen den Erweichungsbereich des Bindemittels herab und sorgen für eine bessere Elastizität der Lackfilme. Ein wichtiger Weichmacher ist beispielsweise Dioctylphthalat.[3]

Lösungsmittel

Hauptartikel: Lösungsmittel

Lösungsmittel sind im Gegensatz zu anderen Lackbestandteilen nicht Bestandteil der erzeugten Lackschicht. Sie dienen in erster Linie dazu, die Eigenschaften des Lackes während des Beschichtungsvorganges und der Filmbildung einzustellen. Die klassischen Lösungsmittel werden mehr und mehr durch Wasser als Lösungsmittel verdrängt. Konventionell formulierte Lacksysteme enthalten 45 bis 65 % Lösungsmittel. Die moderneren High-Solid-Lacke enthalten je nach Anwendung 3 bis 25 % Lösungsmittel. Selbst Wasserlacke enthalten etwa 10 % anderer Lösungsmittel, die dort als sogenannte Co-Löser eingesetzt werden. Geringe Lösungsmittelgehalte von weniger als fünf Prozent sind in Elektrotauchlacken oder Grundierungen zu finden. Lösungsmittelfreie Systeme sind beispielsweise Pulverlacke oder Systeme, die nur Reaktivverdünner enthalten. Darunter versteht man Substanzen, die als Lösemittel wirken, aber mit den Bindemitteln vernetzen. Sie werden also bei der Lackhärtung nicht an die Umwelt abgegeben.

Lösungsmittel verbessern das Benetzungsverhalten durch Erniedrigung der Oberflächenspannung des Lackes. Durch die Absenkung der Viskosität kann das Lackmaterial auf die zur Verarbeitung, wie etwa Spritzen oder Streichen, notwendigen Fließeigenschaften eingestellt werden. Da zumeist Lösungsmittelmischungen verwendet werden, ist es möglich, das Verhalten während der Filmbildung durch die Auswahl der einzelnen Lösungsmittel nach deren Verdunstungsverhalten zu steuern.

Lacklösemittel werden in aktive Löser (lösen den Filmbildner ohne Hilfsmittel), latente Löser (lösen den Filmbildner nur in Kombination mit aktiven Lösern oder Nichtlösern) und Nichtlöser unterschieden. Diese Unterteilung wird für jedes Bindemittel separat getroffen. Weiter wird nach dem Verdunstungsverhalten unterschieden, wobei in die klassische Einteilung in Niedrig-, Mittel- und Hochsieder meist durch die Verdunstungszahl VZ ersetzt wird. Diese gibt die Verdunstungszeit bezogen auf Diethylether (VZ = 1) an. Man unterscheidet zwischen leichtflüchtigen (< 10), mittelflüchtigen (10 bis 35), schwerflüchtigen (35 bis 50) und sehr schwerflüchtigen (> 50) Lösemitteln.

Bei der Formulierung von Lacken werden Kombinationen aus leicht-, mittel- und schwerflüchtigen Lösemitteln eingesetzt. Die leichtflüchtigen Lösemittel dienen einer schnellen Antrockung, die mittelflüchtigen Lösemittel einer besseren Entgasung, die schwerflüchtigen Lösemittel verbessern den Verlauf und den Glanz der Beschichtung. Das am schwersten flüchtige Lösemittel muss ein echter Löser für das verwendete Bindemittel sein, da sonst die Gefahr der Bildung von Kratern und Stippen besteht.

Die wichtigsten Lacklösungsmittel gehören den Stoffgruppen aliphatische, cycloaliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Glycole, Glycolether, Ketone und Ester an. Außerhalb Europas finden Terpenkohlenwasserstoffe und Chlorkohlenwasserstoffe noch Verwendung. Der Einsatz anderer Lösungsmittel ist sehr selten und beschränkt sich auf Spezialgebiete.

Als Einzelsubstanzen sind n-Hexan, Testbenzin und Cyclohexan bei den aliphatischen, sowie Xylol und Solventnaphtha bei den aromatischen Kohlenwasserstoffen zu nennen. Die wichtigsten Alkohole sind Propanol, n-Butanol und Isobutanol. Wichtige Glycolether sind Butylglycol, Butyldiglycol, Ethylenglycol und Diethylglycol, wichtige Ester sind Butylacetat, Ethylacetat und 2-Butoxyethylacetat. Butanon und Aceton sind häufig eingesetzte Ketone.

Lackherstellung

Große Lackfirmen stellen sich die Ausgangsstoffe wie Alkyd-, Acrylharze häufig selbst her. Lackfabriken benötigen auch Pigmente mit entsprechender Korngröße, Farbechtheit und weitere Produkte der chemischen Industrie. Die Lackherstellung umfasst die gleichmässige Einbringung und Benetzung der Pigmente in das Bindemittelsystem. Ein einfaches dispergieren durch Rühren reicht für viele Anwendungen nicht aus. Viele Pigmente können nur in bestimmten Bindemittelsystemen eingesetzt werden. Für die gute Vermischung von Pigmenten und Lackbindemittel bei den Lackherstellern kommen viele Apparate zum Einsatz. Wichtig sind: Schnellrührer, Dissolver, Kneter, Trichtermühlen, Walzmaschinen, Kugel-, Rührwerksmühlen.[3]

Manchmal enthalten Lacke noch unerwünscht grobe Partikel, die abgetrennt werden müssen. Bei diesem Prozess finden Schwingsiebe, Kartuschenfilter, Plattenfilter und Zentrifugen Anwendung.

Beschichtungsverfahren

Nach DIN EN 971 – 1:1996-09 sollte eine aus mehreren Lackschichten bestehende Auftragung mehrere Aufgaben erfüllen:

  • Die erste aufzutragende Schicht (Grundanstrich) sollte ein Haftvermittler sein. Der folgende Eigenschaften wie Schutz vor Korrosion bei Metallen, Überdeckung des unansehnlichen Untergrundes ermöglicht.
  • Die mittlere Schicht wird Füller genannt, sie enthält eine höhere Anzahl von Pigmenten und lässt sich somit in eine dickere Schicht auftragen um kleinere Unebenheiten auszugleichen.
  • Die farbgebende Schicht (Wasserlack, Unilack bzw. Metalliclack(Lösungsmittellack))
  • Die oberste Schicht, der Decklack, sollte ein Klarlack sein, der für Glanz, Härte, Wetterbeständigkeit, Lichtbeständigkeit und Farbechtheit der farbgebenden Schicht sorgt.

Streichen und Rollen

Im Hausgebrauch trägt man den Lack mit einem Pinsel, die Acrylharz-Dispersion für eine Wandfarbe mit einem Roller auf.

Spritzen und Sprühen

Die häufigsten Auftragungsarten in der Lackindustrie sind Sprühen und Spritzen. Zum Aufsprühen werden Druckzerstäuber benutzt, die den Lack mittels eines Kompressors im Niederdruck (0,5 – 0,7 bar), Hochdruck (1 – 8 bar) oder Airless-Spritzen (60-250 bar) auftragen.

Tauchlackierung

Hierbei wird ein Werkstück in den Lack eingetaucht. Bei der Elektrotauchlackierung wird in eine Lacklösung mit geeigneten Filmbildnern ein elektrisches Feld von 50–300 V angelegt und das Werkstück als Erdung verbunden. Die Elektrotauchlackierung wurde von Ford als anodische Tauchlackierung zur Herstellung einer Schutzlackierung für Autos entwickelt und findet heute als kathodische Tauchlackierung in der gesamten Automobilindustrie Anwendung.

Elektrostatische Spritzverfahren

Bei diesem Verfahren wird ein elektrostatisches Hochspannungsfeld von 80 bis 150 kV genutzt. Es werden häufig rotierende Lackzerstäuber (Hochrotationszerstäuber) verwendet.

Bei lösemittelfreien Pulverlacken werden pigmentierte Bindemittelpulver eingesetzt. Das Verfahren wurde 1965 in der Lackindustrie eingeführt. In Pulverlacken und anderen Lacken werden ionische Substanzen (z. B. Natriumdodecylsulfat) mit einer elektrischen Ladung in den Filmbildner (z. B. Epoxidharz) eingebracht.[12]

Pulverlacke lassen sich durch eine Hochspannungselektrode elektrisch aufladen. Durch Anbringung einer elektrostatischen Grundierung von Materialien wie Kunststoff, Metalle wird der Farbverbrauch beim Lackaufspritzen deutlich verringert. Dieser Prozess erfolgt vollautomatisch mit Robotern.

Coil Coating

Beim Coil Coating (deutsch: „Bandbeschichtung“) wird ein Metallband zwischen Walzen kontinuierlich mit Lack beschichtet. Anschließend läuft das lackierte Metallband über eine Ofenzone, wobei der Lack aushärtet. Es wird in den USA seit 1957 und in Deutschland seit 1960 verwendet. Das Coil-Coating-Verfahren hat sich in recht kurzer Zeit für die Beschichtung aller weißen Haushaltsgeräte (Waschmaschinen, Kühlschränke, Wäschetrockner) durchgesetzt. Der Lackverbrauch ist durch moderne Verfahren dabei erheblich gesenkt worden.

Anwendungsgebiete

Lacke werden überall verwendet, wo Oberflächen dauerhaft äußeren Einflüssen, wie Witterung, mechanische Nutzung und anderen geschützt werden müssen. Vielfach fand Lack auch Verwendung in Kunst- und Kunsthandwerk bei der farblichen Gestaltung von Oberflächen, also in der Malerei, der Lackschnitzerei und der Lackmalerei. Ausgangspunkt dieser Entwicklung war China. Das weltweit einzige Museum für Lackkunst steht in Münster (Westfalen).

Tabletten kann man mit für den Menschen ungiftigen Lacken überziehen, um die Freisetzung der Wirkstoffe zu steuern oder diese zu schützen (Filmtablette).

Wird Holz mit Lack überzogen, so kann durch eventuelle Verletzungen oder Spannungsrisse eingedrungene Feuchtigkeit aus dem Holz durch den ansonsten wasser(dampf)dichten Film nicht mehr verdunsten. Das Holz quillt auf und führt zu weiteren Spannungsrissen und zur Vermorschung des Holzes. Holz fürs Freiland wird daher eher geölt, wodurch auch eine wasserabweisende Oberfläche entsteht, die aber nicht wasserdampfdicht ist. Zudem wird durch konstruktiven Holzschutz (Vermeidung von Beregnung, schräge Flächen von denen Wasser abrinnen kann) versucht, das Wasser vom Holz wegzuleiten.

Literatur

  • H. Kittel: Lehrbuch der Lacke und Beschichtungen, Bd. 6 (- 10), S. Hirzel Verlag, Stuttgart 2008; ISBN 978-3-7776-1016-0
  • P. Nanetti: Lack für Einsteiger; Vincentz Verlag; Hannover 1999; ISBN 3878705530
  • P. Nanetti: Lackrohstoffkunde; Vincentz Verlag; Hannover 2000; ISBN 3878705603
  • P. Nanetti: Lack von A bis Z; Vincentz Verlag; Hannover 2004; ISBN 3878707878
  • T. Brock, M. Groteklaes, P. Mischke: Lehrbuch der Lacktechnologie; 2. Auflage; Vincentz Verlag; 2000; ISBN 3878705697
  • A. Goldschmidt, H. Streitberger: BASF Handbuch Lackiertechnik; Vincentz Verlag; Hannover 2002; ISBN 3878703244
  • B. Müller, U. Poth: Lackformulierung und Lackrezeptur: Das Lehrbuch für Ausbildung und Praxis; Vincentz Network; 2006; ISBN 3878701705
  • Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie, 4. Auflage, Band 15, Stichwort: Lack, S. 592 - 700
  • Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie, 5. Auflage, Band 18, Stichwort: Paints and Coatings
  • Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Fifth Edition, Volume 18, Paints
  • H. Römpp: Römpp Lexikon Lacke und Druckfarben; 1998; Thieme; Stuttgart; ISBN 9783137760016
  • Claudia Borchard-Tuch: Damit der Lack dran bleibt, Chemie in unserer Zeit, 2004, 38, 209 - 211
  • Dieter Gräf: „Lacke“, Praxis der Naturwissenschaften (PdN) – Chemie, Jahrgang 1995, S. 25 – 31, Aulis Verlag
  • St. Friebel, C. Philipp, O. Deppe: Vom Acker auf das Holz - Wie aus Pflanzenölen und Zucker Holzlacke werden, Praxis der Naturwissenschaften - Chemie, Nr. 6/60, S. 12-20, Aulis Verlag 2011

Weblinks

 Commons: Paint – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 C. Bangert; Increasingly consolidated but fairly divers; European Coatings Journal 12/2008; S. 13ff.
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 K. Dohnke; Die Lack-Story: 100 Jahre Farbigkeit zwischen Schutz, Schönheit und Umwelt; Dölling und Galitz; Hamburg 2000; ISBN 3933374642
  3. 3,00 3,01 3,02 3,03 3,04 3,05 3,06 3,07 3,08 3,09 3,10 3,11 Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie, 4. Auflage, Band 15, Stichwort: Lacke, S. 592 - 719
  4. Marktstudie Farben und Lacke von Ceresana http://www.ceresana.com/de/marktstudien/industrie/farben-und-lacke-welt/ceresana-marktstudie-farben-und-lacke-welt.html
  5. 5,0 5,1 5,2  Produktionsstatistik für Farben und Lacke in Deutschland im Jahr 2010. In: Farbe und Lack. Vincentz Network, Hannover Juni 2011, ISSN 0014-7699, S. 10.
  6. 6,0 6,1 H. Kittel: Lehrbuch der Lacke und Beschichtungen, Bd. 6 (- 10), S. 1-25, Hirzel Verlag, Stuttgart 2008;
  7. Marktstudie Farben und Lacke von Ceresana http://www.ceresana.com/de/marktstudien/industrie/farben-und-lacke-welt/ceresana-marktstudie-farben-und-lacke-welt.html
  8.  A. Goldschmidt, H. Streitberger: BASF Handbuch Lackiertechnik. Vincentz Network, Hannover 2002, ISBN 3878703244.
  9. Studie von TZ Minerals International auf www.tradingmarkets.com
  10. 10,0 10,1 10,2 10,3 Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie, 5. Auflage, Band 15, Stichwort: Paints and Coatings, S. 456 - 458
  11. H. Kittel: Lehrbuch der Lacke und Beschichtungen, Bd. 5, S. 244 ff, Hirzel Verlag, Stuttgart 2008;
  12. Winnacker, Küchler Chemische Technik, Band 7, 5. Auflage