Historischer Rückblick zu Polyurethanlacken

Das erste Auftreten von Polyurethan lässt sich gut datieren. 1937 entwickelte Otto Bayer mit dem von Heinrich Rinke entwickelten Hexamethylen-diisocyanat über eine Polyaddtionsreaktion mit einem Dialkohol das erste Polyurethan, nützlich vor allem für Fasern. Der Umweg der Vernetzung von Alkydsystemen mit Isocyanaten machte die 2-Komponenten Reaktion für die Lackindustrie interessant. Die Trocknung der so modifizierten Alkydharze war schneller und die Lacke widerstandsfähiger. Die 40er und 50 Jahre brachten wenig Fortschritt. Der Krieg und Rohstoffknappheit verhinderten eine schnelle Verbreitung in der Lackindustrie.

Erste Probleme mit Isocyanaten

Die ersten Systeme waren auf monomeren Diisocyanaten aufgebaut. Schnell war klar, dass diese stark reizenden Stoffe im Alltag schlecht einzusetzen sind. Es gibt Allergien und sogar ein Krebsrisiko. Erst eine Derivatisierung von aromatischen und aliphatischen Diisocyanaten zu Biuret, Trimer oder Präpolymeren mit sehr niedrigem Restmonomergehalt machte eine breite Anwendung im Lack möglich. Gleichzeitig sind die Funktionalitäten in solchen Derivaten erhöht, was eine höhere Vernetzungsdichte im späteren Lack ermöglicht.

Seit den 1960er Jahren sind die Entwicklungen so weit, dass 2K-PUR-Lacke die klassischen, alkydbasierten Großfahrzeuglacke ersetzen. Der große Vorteil ist hier zum Beispiel verbesserte Eigenschaften ohne Einbrennvorgang. Da dieser Prozess bei großen Teilen wie Schienenfahrzeugen, Bussen etc. schlicht nicht möglich ist, lebten alle damit. Da war es das perfekte erste große Einsatzgebiet für Polyurethanlacke.Der steigende Anspruch der Endanwender und damit auch der Lackierer und Lackhersteller, ließ den Markt für Polyurethanlacke trotz des höheren Preises wachsen: Vom Automobilreparaturlack in den 1970ern zu den Automobil-OEM-Lacken in der Mitte der 80er. Die Topfzeit von 2K-Systemen hatte hier eine frühere Ablösung der Alkydsysteme verhindert.

Kurze Topf- und Trockenzeit

Für größere industrielle Anwendungen kamen PUR-Lacke erst in Frage, als die Zweikomponenten-Dosiertechnologie entwickelt wurde. Dies ermöglicht dem Lackierer sehr reaktive Systeme mit kurzer Topf- und Trockenzeit zu nutzen, ohne zu viel Ausschuss nach Ablauf der Topfzeit zu generieren.Die letzten drei Jahrzehnte der Entwicklung waren mit neuen Polyolen, Erhöhung der Festkörper und der Weiterentwicklung der wässrigen Systeme gewidmet.

Gerade Letzteres stellt große Herausforderungen an die Entwickler, da die Isocyanat-Wasser Reaktion nicht zu unterschätzen ist. Um einen bestmöglich vernetzten Lack zu erhalten, müssen die reaktiven Gruppen nah genug zusammenkommen. Dies geschieht entweder mechanisch oder über hydrophilere Isocyanate. 

Eine Variante dazu stellen die recht hochmolekularen PU-Dispersionen dar. Dabei wird die Polyaddition vom Augenblick des Mischens und der Applikation auf die Herstellung des Produktes verlegt. Die besondere Morphologie der Polymerketten bleibt auch hier erhalten. Wasserstoffbrückenbindungen geben allen PU-Lackfilmen ihre charakteristischen mechanischen Eigenschaften, die hohe Vernetzungsdichte bei 2K-Systemen die nötige Beständigkeit. Entwickler in aller Welt arbeiten heutzutage an neue Polyolen, nutzen nachwachsende Rohstoffe oder verbessern die Einarbeitung von Polyisocyanaten, um sich dem Markt immer wieder anzupassen.  

Von Nina Musche

Eventtip

Im FARBEUNDLACK Seminar zu Polyurethanlacken am 14.05 in Kassel lernen Sie welche Polyisocyanate und welche Polyole momentan relevant sind und wie sie das Lacksystem beeinflussen. Auch die Unterschiede, die bei der Formulierung von 1K, 2K sowie wässrigen