mini|Pulverbeschichteter Benzintank
Pulverlacke sind organische, meist duroplastische Beschichtungspulver mit einem Festkörperanteil von 100 %. Das Beschichten mit Pulverlacken erfordert im Gegensatz zu allen anderen Beschichtungstechnologien keine Lösemittel. Zur Produktion der Pulverlacke werden Verarbeitungsverfahren wie die Extrusion und das Vermahlen eingesetzt.
Die heutige Pulverlacktechnologie existiert seit den 1960er Jahren, in denen zuerst reine Epoxysysteme Verwendung fanden, die aufgrund der damaligen Rohstoffsituation noch sehr träge in der Reaktionszeit waren, was die Einsatzgebiete erheblich einschränkte. Inzwischen existiert eine Reihe geeigneter Rohstoffe. Das ermöglicht die variable Einstellung der optischen und mechanischen Eigenschaften.
Hauptanwendungsgebiete von Pulverlacken sind die allgemeine Metallbeschichtung (35 %), Haushaltsgeräte (21 %), Fassadenbeschichtungen (20 %), Möbellackierung (13 %) und Automobillackierung (8 %).
Wirtschaftliche Bedeutung Weltweit wurden im Jahr 2006 etwa 1,1 Millionen Tonnen Pulverlack produziert. In Europa beträgt der Anteil von Pulverlacken am gesamten Lackmarkt etwa 10 %. Der Großteil wird mit je etwas über einem Drittel in Europa und Asien produziert. Das verbleibende Drittel verteilt sich zur Hälfte auf Nordamerika und den Rest der Welt. Die im Jahr 2007 mit etwa 10 % am stärksten gewachsene Region ist Osteuropa, wobei die Türkei mit einem jährlichen Wachstum von 12 % das größte Wachstum verzeichnen konnte. Der größte Produktionsstandort für Pulverlacke bleibt dagegen Italien, das ein jährliches Produktionsvolumen von etwa 100.000 Tonnen Pulverlack aufweist.European Coatings Directory – Special Issue: Powder Coatings; 2008.C. Bangert: Increasingly consolidated but fairly divers. In: European Coatings Journal. 12/2008, S. 13ff.
In Deutschland wurden 2008 etwa 71.000 Tonnen Pulverlack (+0,8 % gegenüber 2007) hergestellt, was einem Anteil von etwa 3 % an der Gesamtproduktionsmenge an Farben und Lacken ausmacht. Der Produktionswert in Deutschland hergestellten Pulverlacke beträgt etwa 260 Millionen Euro (−12,4 % gegenüber 2007).Produktionsstatistik für Farben und Lacke im Jahr 2008. In: Farbe und Lack. 06/2009, S. 12.
Geschichte Entwicklung der Technologie Die ersten Versuche mit pulverförmigen Überzugsmassen, die beim Aufschmelzen einen Film erzeugen können, wurden bereits in den 1940er Jahren gemacht. Es handelte sich dabei um thermoplastische Kunststoffpulver. Diese hatten so gut wie keine Ähnlichkeit mit heutigen Pulverlacken. 1953 entwickelte Erwin Gemmer, von der damaligen und später von Hoechst übernommenen Knapsack-Griesheim AG, das Wirbelsinterverfahren, mit dem Beschichter erstmals die Möglichkeit erhielten, industrielle Mengen zu lackieren.Arthur A. Tracton: Coatings Materials and Surface Coatings CRC Press, Boca Raton 2006, ISBN 1-4200-4404-4. Damals wie heute erzeugt das Verfahren Schichtdicken oberhalb von 200 µm, also drei- bis viermal so dicke Schichten wie mit elektrostatisch applizierten Pulverlacken üblich.
Im Gegensatz zu den bis dato verwendeten, rein thermoplastischen Bindemitteln (Polyamid, Polyvinylchlorid) wurde Anfang der 1960er Jahre ein vernetzendes Epoxidharz auf den Markt gebracht, das den Grundstein für die spätere Entwicklung darstellt. 1968 folgte mit der Entwicklung der Hybridpulverlacke (Epoxid und Polyester als Bindemittel) ein weiterer Durchbruch. Dadurch wurden kürzere Aushärtzeiten und eine konstantere Qualität erreicht. Dies ist für die Anwendung in Großanlagen entscheidend. Anfang der 1970er Jahre konnte zudem mit TGIC ein hochwetterbeständiger Härter für Polyestersysteme gefunden werden. Gleichzeitig kamen die ersten Acrylat- und Polyurethan-Systeme auf, die sich zunächst nicht durchsetzen konnten.
Im Jahr 1995 wurde mit dem Pulver-Füller erstmals Pulverlack als Automobillack eingesetzt. Der Pulver-Slurry (eine Suspension von Pulverlack in Wasser) wird seit 1996 als Klarlack auf der A-Klasse eingesetzt.K. Dohnke: Die Lack-Story: 100 Jahre Farbigkeit zwischen Schutz, Schönheit und Umwelt. Dölling und Galitz, Hamburg 2000, ISBN 3-933374-64-2.
Applikationstechnik Im Bereich der Applikationstechnik wurde Mitte der 1960er Jahre mit elektrostatischen Sprühpistolen (Corona-Applikation) ein Meilenstein gesetzt. Erstmals war es möglich, den Pulverlack zu fluidisieren und elektrostatisch zu applizieren. Die anfangs noch niedrigen Auftragswirkungsgrade wurden durch die Einführung der Rückgewinnung, einer bis dahin im Lackbereich völlig unbekannten Vorgehensweise, stark verbessert, so dass das Verfahren auch wirtschaftlich interessant wurde. Die zweite Möglichkeit der Aufladung, die Aufladung der Pulverpartikel über Reibung (Tribo-Applikation) wurde 1972 erstmals gezeigt.
Industrieller Einsatz Die Grundlage für die Verbreitung der Pulverlack-Technologie bildete eine Verordnung, die Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (kurz: TA Luft), die 1974 von der deutschen Bundesregierung verabschiedet wurde und im Wesentlichen darauf abzielte, die Verwendung von Lösemitteln einzuschränken. Damalige Innovationen waren neben den Pulverlacken vor allem Wasserlacke, festkörperreiche Lacke (sogenannte High-Solid-Lacke) und strahlenhärtende Lacke. Die nach Angaben des VdLs ab 1965 industriell aufkommenden Pulverlacke, bis dahin jedoch meist als experimentelle Produkte weniger Lackhersteller, erfuhren dadurch einen starken Aufschwung. Im Jahr 1966 wurde die erste Pulverbeschichtungsanlage in Deutschland in Betrieb genommen. Im ersten statistisch erfassten Produktionsjahr, 1974, wurden nur 3.369 Tonnen Pulverlack produziert. Dies wurde in der Folge auf 10.000 Tonnen (1980), 37.500 Tonnen (1990) und 70.000 Tonnen (2007) gesteigert.
Zusammensetzung Pulverlacke bestehen aus Bindemitteln, Additiven, Pigmenten und Füllstoffen. Charakteristisch für Pulverlacke ist das Fehlen von Lösemitteln. Die chemischen Unterschiede zwischen den in Pulverlacken und konventionellen Lacken eingesetzten Rohstoffen sind nicht groß. Die Vernetzungsmechanismen des Pulverlackfilmes ähneln denen eines Einbrennlackes, bei dem unter Temperatureinfluss zwei Reaktionspartner durch Bildung eines organischen Netzwerkes eine chemische Verbindung eingehen. Fast alle Rohstoffe für Pulverlacke liegen als Pulver vor.A. Goldschmidt, H. Streitberger: BASF Handbuch Lackiertechnik. Vincentz Verlag, Hannover 2002, ISBN 3-87870-324-4.
Bindemittel links|mini|Polyesterharz, ein typisches Pulverlackbindemittel mini|Hydroxylalkylamid, ein Härter für Polyesterharze
Die Hauptkomponente jedes Lacksystems sind die Bindemittel. Diese bilden den Lackfilm, also die Basis, die alle Feststoffteilchen im Lack umhüllt. Sie bestimmt die grundlegenden Eigenschaften wie Oberflächenbeschaffenheit, Härte und Stabilität des Lackfilmes. Bindemittel bestehen aus langkettigen, meist organischen Verbindungen, die reaktive Gruppen enthalten. Für Pulverlacke kommen Kunstharze zum Einsatz, die entweder miteinander oder über einen Härter zu verzweigten Makromolekülen vernetzen können.
Zum Einsatz kommen vor allem Epoxidharze, carboxy- und hydroxygruppenhaltige Polyester, OH- und GMA-Acrylatharze, sowie modifizierte Harze für spezielle Einsatzgebiete. Die Auswahl des Bindemittels bestimmt im Wesentlichen die physikalischen Eigenschaften des Pulverlacks und somit dessen Einsatzbereich.
Ebenfalls zum Bindemittel zählt der Härter. Wichtige als Härter verwendete Substanzen sind Phenole und Dicyandiamid für Epoxydharze. Triglycidylisocyanurat (TGIC) und Hydroxylalkylamid für Polyesterharze, sowie Dodecandisäure (DDDA vom englischen Begriff dodecanoic diacid).
Für die ursprüngliche Form der Pulverlacke, die aufgrund des zur Beschichtung verwendeten Wirbelsinterverfahrens als Thermoplaste vorliegen, werden andere Harze verwendet. Filmbildner sind in diesen Systemen überwiegend Polyamid, Polyethylen, Polyvinylchlorid und Polyvinylidenchlorid. Diese Bindemittel ergeben einen vergleichsweise weichen Film. Die höhere Schichtdicken resultiert aus dem Beschichtungsverfahren.B. Müller, U. Poth: Lackformulierung und Lackrezeptur: Das Lehrbuch für Ausbildung und Praxis. Vincentz Network, 2006, ISBN 3-87870-170-5.
Additive mini|Pulverlackadditive
Additive sind Hilfsmittel. Sie beeinflussen wichtige Parameter wie z. B. die Oberflächenbeschaffenheit sprich Verlauf oder Struktur, Glanz, Oberflächenhärte und Verarbeitungsbedingungen. Die Zugabe von Additiven ist in jedem Lacksystem unumgänglich. Additive tragen entscheidend zur Qualität der einzelnen Pulverlacke bei.
Als Verlaufsmittel werden Polyacrylate eingesetzt. Sie sorgen in kleinen Zugabemengen im Pulverlackfilm für eine reduzierte Oberflächenspannung, und somit für einen glatten und kraterfreien Verlauf.
Entgasungsadditive entlüften den Lackfilm, so dass Reaktionsgase und Untergrundausgasungen über die Lackoberfläche abgeführt werden können. Die Lackoberfläche bleibt dadurch frei von Nadelstichen. Die am häufigsten für diesen Zweck verwendete Substanz ist Benzoin.J. Bieleman: Lackadditive. Wiley & Sons, 1998, ISBN 3-527-28819-8.
Wachse werden zur Beeinflussung der Oberflächeneigenschaften zugegeben. Sie schwimmen in der Aufschmelzphase des Härteprozesses an die Oberfläche des Lackfilmes, welche dadurch glatter und kratzunempfindlicher wird (Slip Effekt). Auch zur Entgasung und Mattierung können solche Wachse eingesetzt werden. Bei der Produktion von Pulverlacken helfen Wachse, indem sie die Benetzung der Pigmente und Füllstoffe bei der Extrusion positiv beeinflussen. Beim Beschichtungsvorgang können Wachse helfen, ein Ansintern in Pulverschläuchen des Verarbeiters zu verhindern. Der Nachteil beim Einsatz von oberflächenaktiven Wachsen ist die eingeschränkte Überlackierfähigkeit. Auf einer wachsbeladenen Oberfläche wird die Oberflächenspannung so weit reduziert, dass die nachfolgende Beschichtung keinen Halt findet. Im schlimmsten Fall kommt es zum Haftungsverlust, was sich als Abblättern des Decklacks zeigt.
Die Zugabe von Strukturmitteln ermöglicht Oberflächentexturen, die von einer grobporigen, welligen, bis zur samtartigen Feinstruktur reichen. Eine andere Gruppe von Additiven schützt den Pulverlack gegen äußere Einflüsse wie das Überbrennen oder das Einbrennen in einem direkt beheizten Gasofen.
Farbmittel mini|Das anorganische Pigment Bismutvanadat mini|Das organische Pigment Kupferphthalocyaninblau
Pigmente und Farbstoffe werden in allen Pulverlacken mit Ausnahme der Klarlacke eingesetzt. Pigmente sorgen für einen deckenden Eindruck der Beschichtung und stellen den Farbton ein. Durch die Verarbeitungsbedingungen im Extruder und die hohen Einbrenntemperaturen bei der Härtung beschränkt sich die Auswahl an Pigmenten auf solche mit hoher Temperaturstabilität. Diese Auswahl ist stark von der restlichen Lackformulierung abhängig. Trotz der Beschränkung der Pigmentpalette sind nahezu alle Farbtöne darstellbar, die in lösemittelbasierten Lacken möglich sind.
Einfacher ist der Umgang mit anorganischen Pigmenten. Verwendet werden überwiegend Metalloxide und Mischphasenoxidpigmente vom Rutil- und Spinelltyp. Diese Pigmentgruppe zeichnet sich durch eine gröbere Teilchengröße und somit leichtere Dispergierbarkeit aus. Die Farbstärke dieser Gruppe ist meist kleiner als bei den organischen Pigmente, dafür besitzen sie ein größeres Deckvermögen und eine überwiegend größere Temperaturbeständigkeit. Im Vergleich zu organischen Pigmenten erzeugen anorganische Pigmentierungen einen trüberen Farbton. Die wichtigsten anorganischen Pigmente für Pulverlackanwendungen sind Titandioxid (Weiß), Eisenoxidpigmente (Gelb, Rot, Schwarz), Chromoxidgrün, Bismutvanadat (Gelb) und Cobaltoxide (Blau, Grün).