Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ressourcen- und Energieeinsparungen bei UV-härtenden Lacksystemen

07.04.2016

Projektpartner: Mankiewicz Gebr. & Co. (GmbH & Co. KG), Hamburg –
Fördersumme DBU: 125.000 Euro

Kunststoffbauteile für Innenraumanwendungen im Automobilbereich werden zunehmend mit Hochglanzlacken beschichtet, wofür standardmäßig lösemittelhaltige 2-Komponentenlacke eingesetzt werden. UV-härtbare Lacksysteme hätten für diesen Einsatzzweck bessere technische Eigenschaften (höhere Kratzfestigkeit) und würden zur Ressourcenschonung beitragen (wesentlich geringere Ausschussquote, keine Lösemittel, 100 % Recycling des Oversprays möglich, deutlich geringerer Energieverbrauch bei der Trocknung).

Weil die sichere Aushärtung auf den oft stark strukturierten Bauteilen aufgrund der heute noch hohen erforderlichen UV-Dosis schwierig ist, kommen UV-Lacke in der Praxis hier nicht zum Einsatz. Das Ziel des im Januar abgeschlossenen Förderprojektes der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) bestand in der Entwicklung UV-härtender Beschichtungen, die für eine sichere Aushärtung mit einer um bis zu 90 % verminderten UV-Strahlungsdosis auskommen. Damit wird ein prozesssicheres Durchhärten auch auf komplexen Bauteilen möglich.

Zielsetzung:

Verfügbare UV-Lacke in diesen Anwendungen benötigen eine Dosis von 1,5 - 2 J/cm2 in Verbindung mit einer Intensität von 0,7 - 2 W/cm2 für eine definierte Durchhärtung. Das Ziel des Projektes lag in der Entwicklung einer UV-Lacktechnologie, die eine rein UV-induzierte Härtung der Lackschicht auch bei geringen UV-Leistungsdichten ermöglicht und gleichzeitig eine kratzfeste Oberflächenschicht auf Kunststoffen ergibt.

Mit dem neuen System sollte die kritische Dosis auf 0,2 J/cm2 in Verbindung mit einer Intensität von 0,2 W/cm2 reduziert werden. Der favorisierte Lösungsansatz war in zwei Stufen aufgebaut. In der ersten Stufe wurden mit völlig neuen Rezepturen die Grundlagen entwickelt, um auch mit gängigen UV-Lampen bei reduzierter UV-Leistung eine gute Durchhärtung des Lackes zu erreichen, so dass insbesondere dreidimensionale Kunststoffoberflächen gut gehärtet werden können.

Diese erste Entwicklungsstufe war Bestandteil des Projektes. In einer zweiten Stufe (Folgeprojekt) sollen diese Ergebnisse dann auf die Besonderheiten von LEDs als Lichtquelle übertragen werden, die eine einfache Nachführung der Lampen entsprechend der Bauteilgeometrie zulassen und damit die Anwendungsmöglichkeiten weiter verbreitern können.

Einschätzung:

Die Substitution der lösemittelhaltigen durch UV-härtbare Lacke für Hochglanzbeschichtungen auf Kunststoffbauteilen für den Automobilinnenraum bietet viel zukünftiges Potenzial für Umweltentlastungen. Hier sind folgende Aspekte zu sehen. Die Reduktion von VOC-Emissionen aus der Lackierung trägt direkt zum Klimaschutz bei. Der Einsatz UV-härtbarer Systeme ist zudem mit etwa um den Faktor 5 verringertem Energieverbrauch verbunden, da die thermische Trocknung und die Abluftreinigung entfallen. Besonders gravierend ist der Aspekt der Materialeffizienz.

Bei Standard 2-K Lacken ist kein Oversprayrecycling möglich, während dies bei UV-Lacken problemlos ist. Allein hierdurch kann der Lackverbrauch um bis zu 60 % reduziert werden. Dazu kommt eine verringerte Ausschussquote. In sehr anspruchsvollen Anwendungen wie Hochglanzlackierungen liegt sie aufgrund der relativ langen Offenzeit der lösemittelhaltigen Lacke bei bis zu 80 %. Die Beschichtungen mit UV-Systemen liegen dagegen in der Serie bei Ausschussquoten unter 10 %. Falls es also gelingt, UV-Lacke zu entwickeln, die auch unter derart schwierigen Umständen ihre Anforderungen erfüllen, ergeben sich erhebliche zusätzliche Anwendungsperspektiven.

Arbeitsschritte und angewandte 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 Kunststoffoberflächen 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 sollten 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 wurden 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.

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.

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 auch mit UV-LEDs, die hinsichtlich des Emissionsspektrums und der erzielbaren Leistungsdichte weitere Einschränkungen haben, übertragen werden können. 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.

Fazit:

Das Projekt wurde insgesamt sehr erfolgreich durchgeführt. 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.

Die erreichten Ergebnisse zeigen, dass auch bei je nach Anwendung um 50 - 90 % abgesenkter UV-Intensität und einer geringen UV-Dosis stabile Prozessfenster gefunden werden können, in denen speziell angepasste UV-Lacke höchsten Anforderungen genügen können. 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. Diese wesentlichen Grundentwicklungen haben einen großen Anwendungsbereich für Kunststoffbeschichtungen. Der anspruchsvollste Markt liegt in der Automobilindustrie. Die bisher verwendeten 2K-Lacksysteme können dabei vollständig durch ökologisch sinnvollere 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. Der Bewilligungsempfänger arbeitet an der Markteinführung der neuen Lacke. Für die UV-Härtung mit LED-Strahlern, wo es technisch vollständig andere chemisch-technische Rahmenbedingungen gibt, wird in einem aktuell noch laufenden DBU-Projekt eine analoge Lösung entwickelt.


Ansprechpartner zum Projekt:

Projekttitel

Energieeffiziente UV-Lacktechnologie für den Einsatz auf komplex geformte Kunststoffoberflächen

Projektpartner/Stadt/Bundesl.:

Mankiewicz Gebr. & Co. (GmbH & Co. KG), Hamburg

Name: Dr. De Rossi

Vorname: Umberto

Tel., Fax: 040/751030, 040/75103375

AZ: 30681
Fördersumme DBU: 125.000 Euro

Weitere Informationen:

https://www.dbu.de/index.php?menuecms_optik=&menuecms=123&objektid=36702...

Franz-Georg Elpers | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Förderungen Preise:

nachricht 1,6 Millionen Euro für den Aufbau einer Forschungsgruppe zu Quantentechnologien
20.08.2018 | Leibniz Universität Hannover

nachricht EU-Millionenförderung für Deep-Learning-Projekt in Leipzig
15.08.2018 | Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften (MPIMIS)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Förderungen Preise >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Die Mischung macht‘s: Jülicher Forscher entwickeln schnellladefähige Festkörperbatterie

Mit Festkörperbatterien sind aktuell große Hoffnungen verbunden. Sie enthalten keine flüssigen Teile, die auslaufen oder in Brand geraten könnten. Aus diesem Grund sind sie unempfindlich gegenüber Hitze und gelten als noch deutlich sicherer, zuverlässiger und langlebiger als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Jülicher Wissenschaftler haben nun ein neues Konzept vorgestellt, das zehnmal größere Ströme beim Laden und Entladen erlaubt als in der Fachliteratur bislang beschrieben. Die Verbesserung erzielten sie durch eine „clevere“ Materialwahl. Alle Komponenten wurden aus Phosphatverbindungen gefertigt, die chemisch und mechanisch sehr gut zusammenpassen.

Die geringe Stromstärke gilt als einer der Knackpunkte bei der Entwicklung von Festkörperbatterien. Sie führt dazu, dass die Batterien relativ viel Zeit zum...

Im Focus: It’s All in the Mix: Jülich Researchers are Developing Fast-Charging Solid-State Batteries

There are currently great hopes for solid-state batteries. They contain no liquid parts that could leak or catch fire. For this reason, they do not require cooling and are considered to be much safer, more reliable, and longer lasting than traditional lithium-ion batteries. Jülich scientists have now introduced a new concept that allows currents up to ten times greater during charging and discharging than previously described in the literature. The improvement was achieved by a “clever” choice of materials with a focus on consistently good compatibility. All components were made from phosphate compounds, which are well matched both chemically and mechanically.

The low current is considered one of the biggest hurdles in the development of solid-state batteries. It is the reason why the batteries take a relatively long...

Im Focus: Farbeffekte durch transparente Nanostrukturen aus dem 3D-Drucker

Neues Design-Tool erstellt automatisch 3D-Druckvorlagen für Nanostrukturen zur Erzeugung benutzerdefinierter Farben | Wissenschaftler präsentieren ihre Ergebnisse diese Woche auf der angesehenen SIGGRAPH-Konferenz

Die meisten Objekte im Alltag sind mit Hilfe von Pigmenten gefärbt, doch dies hat einige Nachteile: Die Farben können verblassen, künstliche Pigmente sind oft...

Im Focus: Color effects from transparent 3D-printed nanostructures

New design tool automatically creates nanostructure 3D-print templates for user-given colors
Scientists present work at prestigious SIGGRAPH conference

Most of the objects we see are colored by pigments, but using pigments has disadvantages: such colors can fade, industrial pigments are often toxic, and...

Im Focus: Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt

Forschende der Universitäten Bern und Genf haben erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten Eisen und Titan nachgewiesen. Die Existenz dieser Elemente in Gasform wurde von einem Team um den Berner Astronomen Kevin Heng theoretisch vorausgesagt und konnte nun von Genfern Astronominnen und Astronomen bestätigt werden.

Planeten in anderen Sonnensystemen, sogenannte Exoplaneten, können sehr nah um ihren Stern kreisen. Wenn dieser Stern viel heisser ist als unsere Sonne, dann...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Dialog an Deck, Science Slam und Pong-Battle

21.08.2018 | Veranstaltungen

LaserForum 2018 thematisiert die 3D-Fertigung von Komponenten

17.08.2018 | Veranstaltungen

Aktuelles aus der Magnetischen Resonanzspektroskopie

16.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Zukünftige Informationstechnologien: Wärmetransport auf der Nanoskala unter die Lupe genommen

21.08.2018 | Physik Astronomie

Bedeutung des „Ozeanwetters“ für Ökosysteme

21.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

Auf dem Weg zur personalisierten Medizin

21.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics