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Lehrbuch der Lacktechnologie

Farbe und Lack // Bibliothek

Thomas Brock
Michael Groteklaes
Peter Mischke
Bernd Strehmel

Lehrbuch der Lacktechnologie

5., vollständig überarbeitete Auflage

Farbe und Lack // Bibliothek

Thomas Brock
Michael Groteklaes
Peter Mischke
Bernd Strehmel

Lehrbuch der Lacktechnologie

5., vollständig überarbeitete Auflage

Auf ein Wort

Wer im Lackgebiet tätig ist, gleich ob bei Herstellern oder Verarbeitern, weiß – oder merkt es als Neuling rasch –, wie umfangreich das Wissen sein muss, um beim Einsatz dieses einzigartigen Schutz- und Veredelungsmaterials erfolgreich zu sein1). Zentrale Bedeutung hat dabei im weitesten Sinne die Lackchemie, vornehmlich darin die Polymer- und Pigmentkunde. Aber auch einige verfahrenstechnische Kenntnisse benötigt der Lackfachmann, so bei Planung, Betrieb und Optimierung von Produktions- oder Applikationsanlagen, ferner Werkstoffwissen in Bezug auf die Lackiersubstrat-Materialien sowie Kenntnisse zur Qualität(sprüfung) der Lacke und Oberflächen, und schließlich Vertrautheit mit der Situation bei Umweltschutz- und Sicherheitsregularien.

Nur wenige Ausbildungsstätten können zu solch ausgedehntem Wissensgebiet ein sachgerecht zugeschnittenes Lehrprogramm anbieten: Die Hochschule Niederrhein in Krefeld ist dabei eine Institution mit langer Tradition. So werden hier seit 1923 Ingenieure (heute: Bachelor und Master of Engineering) für den Schwerpunkt Lackingenieurwesen ausgebildet.

Über lange Zeit existierte kein Lehrbuch zum beschriebenen Gebiet. So entschlossen wir uns vor 18 Jahren, wesentliche Inhalte des Krefelder Ausbildungsprogramms als Lehrbuch der Fachwelt zur Verfügung zu stellen. Ziel war und ist ein Lehrbuch der aktuellen Lacktechnologie nach modernem Konzept, wobei die Autoren gemäß ihren Lehrgebieten zum Buchtext beigetragen haben. Das Ergebnis bietet – dank der einerseits soliden theoretischen Basis – noch „Vertiefungen“ bei Bedarf, andererseits einen konsequent engen Praxisbezug in der Themenbehandlung, stets verbunden mit dem Blick auf sich abzeichnende Entwicklungen in der nach wie vor dynamischen Lackbranche.

In diesem Buch wird aktueller Wissensstand vermittelt und das Verständnis für die Vielfalt der Zusammenhänge geweckt, die einer optimalen Nutzung von Lackmaterial zugrunde liegen. Das Buch enthält das Grundwissen über Rohstoffe, Herstellung, Applikation und Prüfung von Beschichtungsstoffen und Beschichtungen. Natürlich können beim vorgegebenen Umfang nur die wesentlichen Themen angesprochen werden; so wollen und können wir keinen Anspruch auf Vollständigkeit erheben.

Für wen ist das Buch geschrieben?

Es soll zum einen Auszubildenden oder Studierenden in lackchemischen und beschichtungstechnologischen Hochschulstudiengängen als begleitendes Lehrbuch jenes Basiswissen vermitteln, das einen soliden Grundstock für das vertiefte Studium der Lacktechnologie darstellt.

Fachlichen Querein- und Umsteigern wie Naturwissenschaftlern, Ingenieuren oder Kaufleuten, soll es als ein gut durchlesbares, nicht mit Einzelfakten und/oder Spezialisierungen überfrachtetes Lehrbuch das Kennenlernen dieses faszinierend vielfältigen, aber doch schwer zu überblickenden Gebietes erleichtern.

Fachleute aus der betrieblichen Lack- oder Beschichtungspraxis, die über ihre eigene Erfahrung hinaus die Frage „Warum“ oder „Was gibt es sonst noch“ stellen, können beobachtete Einzeleffekte besser einordnen und bei Problemen gezielter eingreifen.

Auch dem gestandenen Lackfachmann kann es zur Auffrischung oder Abrundung seines Wissens dienen. Und es erleichtert ihm den Blick über den „Gartenzaun“, wenn er sich über verwandte Gebiete informieren will, über die täglich von ihm eingesetzten Rohstoffe oder über die Applikation und Anwendungsbereiche der Lackmaterialien.

Schließlich sollen so besonders interessierte Laboranten, Techniker und Ingenieure aus dem Laborbereich ein tieferes Verständnis der Zusammenhänge in Lackchemie und -technologie erlangen können.

Die dritte Auflage, erschienen 2009, wurde für die vierte Auflage in 2012 gründlich überarbeitet, aktualisiert und erweitert. Neu aufgenommen bzw. erweitert wurden diverse aktuelle Entwicklungen insbesondere der Lackchemie, Lackherstellung und im gesetzlichen Umfeld (Arbeitssicherheit, VOC-Gesetzgebung) sowie Veränderungen im Bereich der Normen. Für die vorliegende fünfte Auflage wurde die vierte nochmals aktualisiert und korrigiert. Im Kapitel der radikalisch härtenden Beschichtungsstoffe wird nun auch auf die Lichtquellen auf LED-Basis eingegangen.

Sicherlich sind unter den Lesern Spezialisten, die zu bestimmten Themen Änderungen oder Ergänzungen vorschlagen können; für entsprechende Zuschriften sind die Autoren dankbar!

Krefeld, im August 2016

Thomas Brock,
Michael Groteklaes,
Peter Mischke,
Bernd Strehmel

 

1 Den Autoren fließt – wie sicherlich der Mehrzahl der Leser – der kurze, wenn auch nicht ganz umfassende und normengerechte Ausdruck „Lack“ leichter aus der Feder bzw. von der Zunge als „Beschichtungsstoffe“; daher sei schon hier um Verständnis dafür gebeten, dass im Buch meistens von Lacken stellvertretend für alle (organischen) Beschichtungsstoffe gesprochen wird.

Inhaltsverzeichnis

Peter Mischke:

1 Einleitung

1.1 Geschichtlicher Rückblick

1.2 Wirtschaftliche Bedeutung der Lacke und Farben

1.3 Einteilung und stofflicher Aufbau von Beschichtungsstoffen

1.4 Technologie der Lacke und Farben – „Lacktechnologie“

1.5 Literatur

2 Lackrohstoffe

Peter Mischke:

2.1 Filmbildner

2.1.1 Allgemeine Polymerkunde

2.1.1.1 Grundbegriffe

2.1.1.2 Polymerisationsgrad, molare Masse, Molmassenverteilung

2.1.1.3 Sekundär- und Aggregatstrukturen von Polymeren

2.1.1.4 Vernetzte Polymere

2.1.1.5 Allgemeines zu Polymerlösungen

2.1.1.6 Löslichkeit und Löslichkeitsparameter

2.1.1.7 Unverträglichkeiten

2.1.1.8 Viskosität von Polymerlösungen

2.1.1.9 Wässrige Systeme

2.1.1.10 Mechanisches Verhalten von Polymeren – Viskoelastizität

2.1.1.11 Messtechnische Erfassung der Viskoelastizität

2.1.1.12 Temperaturabhängigkeit des Polymerverhaltens – Glasübergangstemperatur

2.1.2 Natürliche Filmbildner

2.1.2.1 Naturharze

2.1.2.2 Öle, oxidative Trocknung

2.1.2.3 Bitumen, Asphalt, Pech

2.1.3 Modifizierte Naturstoffe

2.1.3.1 Modifizierte Naturharze

2.1.3.2 Modifizierte Öle

2.1.3.3 Cellulosederivate

2.1.3.4 Modifizierter Naturkautschuk

2.1.4 Synthetische Filmbildner

2.1.4.1 Gesättigte Polyester

2.1.4.2 Ungesättigte Polyester

2.1.4.3 Strahlenhärtende Acrylate

2.1.4.4 Alkydharze

2.1.4.5 Acrylharze/Acrylatharze

2.1.4.6 Kunststoffdispersionen

2.1.4.7 Formaldehyd-Kondensate

2.1.4.8 Epoxid-Systeme

2.1.4.9 Polyurethan-Systeme

2.1.4.10 Siliciumhaltige Filmbildner

2.1.4.11 Sonstige Filmbildner

2.1.5 Nachwachsende Rohstoffe für die Bindemittelchemie

2.1.5.1 Rohstoffquellen und Ausgangssubstanzen

2.1.5.2 Verfahren und Prozesse

2.1.5.3 Beispiele zu nachwachsenden Rohstoffen

2.1.5.4 Ausgewählte Beispiele für Bindemittel aus nachwachsenden Rohstoffen

Michael Groteklaes:

2.2 Lösemittel

2.2.1 Einteilung und Definitionen

2.2.2 Charakterisierung und Einteilung von Lösemitteln

2.2.2.1 Lösevermögen

2.2.2.2 Lösemittel, die sich nicht an Wasserstoffbrückenbindungen beteiligen

2.2.2.3 Lösemittel mit mäßig starker Wasserstoffbrückenbindung

2.2.2.4 Lösemittel mit starker Wasserstoffbrückenbindung

2.2.3 Eigenschaften

2.2.3.1 Flüchtigkeit

2.2.3.2 Polarität

2.2.3.3 Oberflächenspannung

2.2.3.4 Dichte

2.2.3.5 Viskosität

2.2.3.6 Weitere physikalische Eigenschaften

2.2.3.7 Physiologische Eigenschaften

2.2.4 Lösemittel in Beschichtungsstoffen

2.2.4.1 Lösemitteleinflüsse auf Lack- und Lackierungseigenschaften

2.2.4.2 Lösemittel in Low Solid- und Medium Solid-Lacken

2.2.4.3 Lösemittel in High Solid-Lacken

2.2.4.4 Lösemittel in Wasserlacken

2.3 Pigmente und Füllstoffe

2.3.1 Definitionen und Einteilung von Pigmenten

2.3.2 Physikalische Grundlagen

2.3.2.1 Pigmentmorphologie

2.3.2.2 Optik von Pigmenten

2.3.2.3 Wechselwirkungen zwischen Pigment und umgebendem Medium

2.3.3 Weißpigmente

2.3.3.1 Titandioxid-Pigmente

2.3.3.2 Andere Weißpigmente

2.3.4 Schwarzpigmente

2.3.4.1 Einteilung

2.3.4.2 Pigmentruße

2.3.5 Anorganische Buntpigmente

2.3.5.1 Allgemeine Eigenschaften

2.3.5.2 Oxidische und Oxidhydroxid-Pigmente

2.3.5.3 Cadmiumpigmente

2.3.5.4 Chromat-Pigmente

2.3.5.5 Bismutvanadat-Pigmente

2.3.5.6 Eisenblau-Pigmente

2.3.5.7 Ultramarin-Pigmente

2.3.6 Organische Buntpigmente

2.3.6.1 Allgemeine Eigenschaften

2.3.6.2 Einteilung von orgwanischen Pigmenten

2.3.6.3 Optische Eigenschaften organischer Pigmente

2.3.6.4 Anwendungsgebiete für organische Pigmente

2.3.7 Effektpigmente

2.3.7.1 Metalleffektpigmente

2.3.7.2 Perlglanz- und Interferenz-Pigmente

2.3.7.3 Einarbeitung von Effektpigmenten in Lacke

2.3.7.4 Effektausbildung

2.3.8 Funktionelle Pigmente

2.3.8.1 Korrosionsschutzpigmente

2.3.8.2 Leitfähige Pigmente

2.3.9 Füllstoffe

2.3.9.1 Definition und Einteilung von Füllstoffen

2.3.9.2 Herstellung von Füllstoffen

2.3.9.3 Einige häufig verwendete Füllstoffe

2.3.9.4 Nanopartikel

2.3.10 Farbstoffe

2.4 Additive

2.4.1 Einteilung und Definition

2.4.2 Grenzflächenaktive Additive

2.4.2.1 Entschäumer und Entlüfter

2.4.2.2 Oberflächenadditive

2.4.3 Rheologieadditive

2.4.3.1 Allgemeines

2.4.3.2 Verdickungsmittel

2.4.3.3 Thixotropierungsmittel

2.4.4 Lichtschutzmittel

2.4.5 Biozide

2.4.6 Netz- und Dispergiermittel

2.4.7 Katalysatoren und Sikkative

2.4.8 Mattierungsmittel

2.5 Literatur

3 Lacksysteme, Rezeptierung, Filmbildung

Michael Groteklaes:

3.1 Zusammensetzung von Beschichtungsstoffen

3.2 Grundlegende Rezepturparameter

3.3 Pigmentvolumenkonzentration und Filmeigenschaften

3.4 Lösemittelbasierende Beschichtungsstoffe

3.4.1 Low Solid- und Medium Solid-Systeme

3.4.2 High Solids

3.5 Wässrige Beschichtungsstoffe

3.5.1 Wasserlösliche und emulgierbare Systeme

3.5.2 Dispersionsfarben

3.6 Radikalisch härtende Beschichtungsstoffe

3.6.1 Allgemeines

Bernd Strehmel:

3.6.2 Vertiefende Darstellung der photonisch initiierten radikalischen Härtung

Michael Groteklaes:

3.7 Pulverlacke

3.7.1 Filmbildner

3.7.2 Additive

3.7.3 Pigmente

3.8 Anorganische Beschichtungsstoffe

3.8.1 Wasserglasfarben

3.8.2 Alkylsilikatfarben

3.9 Rezeptierung des Mahlansatzes

3.9.1 Allgemeines

3.9.2 High Solid-Systeme

3.9.3 Wässrige Systeme

Peter Mischke:

3.10 Filmbildung

3.10.1 Allgemeines

3.10.2 Physikalische Trocknung

3.10.2.1 Trocknung gelöster Bindemittel

3.10.2.2 Trocknung von Primärdispersionen

3.10.2.3 Trocknung von Polyurethandispersionen

3.10.3 Härtung (Vernetzung) flüssiger Beschichtungsstoffe

3.10.3.1 Allgemeine Prinzipien

3.10.3.2 Besonderheiten bei High Solids

3.10.3.3 Vernetzung wässriger Filmbildner

3.10.3.4 Vernetzung mit Strahlen

3.10.4 Härtung von Pulverlacken

3.11 Literatur

Thomas Brock:

4 Herstellung von Beschichtungsstoffen

4.1 Vorbemerkung

4.2 Allgemeines zur Lackherstellung – Struktur einer Lackfabrik

4.3 Verfahrensabläufe der Lackherstellung

4.4 Produktionsstrategien und Rezepturbeispiel

4.5 Apparative Aspekte der Lackproduktion

4.6 Der Pulverlack-Herstellungsgang

4.7 Ergänzendes zum Mischen und Lösen

4.8 Kneten

4.9 Dispergieren, Dispergierapparate

4.9.1 Allgemeines zum Dispergieren

4.9.2 Beanspruchungsmechanismen beim Dispergieren

4.9.3 Dispergieren mit dem Dissolver

4.9.4 Dispergieren mit der Dreiwalze

4.9.5 Dispergieren mit Rührwerkskugelmühlen

4.9.5.1 Dispergiermechanismus in Gegenwart von Mahlkörpern

4.9.5.2 Aufbau und Betriebsparameter von Rührwerkskugelmühlen

4.9.5.3 Verweilzeitverteilung in einer Rührwerkskugelmühle

4.9.5.4 Passagen- und Zirkulationsverfahren

4.9.6 Dispergieren im Extruder bei der Pulverlack-Herstellung

4.10 Filtrieren

4.11 Ergänzendes zur Herstellung wasserverdünnbarer Lacke und Farben

4.12 Literatur

Michael Groteklaes:

5 Untergründe und ihre Vorbehandlung

5.1 Allgemeines

5.2 Grundlagen der Haftung

5.3 Metalluntergründe

5.3.1 Metalle und ihre Oberflächen

5.3.2 Die wichtigsten Metalluntergründe

5.3.2.1 Stahl

5.3.2.2 Zink, verzinkter Stahl

5.3.2.3 Aluminium

5.3.2.4 Weitere metallische Werkstoffe

5.3.3 Beseitigung festhaftender Schichten

5.3.3.1 Mechanische Verfahren, Strahlen

5.3.3.2 Flammstrahlen

5.3.3.3 Beizen

5.3.4 Reinigen, Entfetten

5.3.5 Aufbringen von Konversionsschichten

5.3.6 Handwerkliche Vorbereitung von Metalluntergründen

5.4 Kunststoffuntergründe

5.4.1 Kunststoffe, Kunststoffoberflächen und ihre Lackierbarkeit

5.4.2 Vorbehandlung von Kunststoffen

5.5 Holz und Holzwerkstoffe als Untergründe

5.5.1 Holz

5.5.2 Holzwerkstoffe

5.5.3 Vorbehandlung von Holz und Holzwerkstoffen

5.5.3.1 Planbearbeiten und Glätten

5.5.3.2 Einige Hinweise zum Holzschutz

5.6 Mineralische Untergründe

5.6.1 Zusammensetzung und Eigenschaften

5.6.2 Vorbehandlung mineralischer Untergründe

5.7 Literatur

6 Applikation und Trocknung

Thomas Brock:

6.1 Applikationsarten und Einsatzkriterien

6.2 Streichen, Rollen, Ziehen, Wischen

6.3 Gießen

6.4 Walzen

6.5 Tauchen, Fluten und verwandte Verfahren

6.6 Elektrotauchlackierung

6.6.1 Elektrochemische Grundlagen

6.6.2 Anlagentechnik und Badsteuerung

6.6.3 Entwicklungstrends und Einsatzgebiete

6.7 Spritzverfahren

6.7.1 Zerstäubungsarten ohne elektrostatische Aufladung

6.7.1.1 Pneumatische Zerstäubung

6.7.1.2 Hydraulische Zerstäubung

6.7.1.3 Neuere Verfahrensvarianten

6.7.2 Elektrostatische Zerstäubung

6.7.3 Hochrotations-Zerstäubung

6.7.4 Filmbildung nach der Spritzapplikation

6.7.5 Zweikomponenten-Anlagentechnik bei der Spritzapplikation

6.7.6 Anwendungsbereiche

6.8 Pulverbeschichten

6.8.1 Pulversinterverfahren

6.8.2 Elektrostatisches Pulverbeschichten

6.9 Lackier-Anlagentechnik

6.9.1 Kabinenluft-Technik

6.9.2 Abluftreinigung

6.9.3 Lackversorgung

6.9.4 Automatisierung von Lackierprozessen

6.9.5 Fördersysteme

Peter Mischke:

6.10 Trocknung, Härtung

6.10.1 Einbrennbedingungen

6.10.2 Überblick über Trocknungsverfahren

6.10.3 Umluft (Konvektions)-Trocknung

6.10.4 Infrarot-Trocknung

6.10.5 Strahlenhärtung

6.10.6 Elektrische Trocknungsverfahren

6.11 Literatur

Thomas Brock:

7 Lackierprozesse

7.1 Farben und Lacke: Markt und Einsatzbereiche

7.2 Autoserienlackierung

7.3 Autoreparaturlacke

7.4 Industrielle Kunststofflackierung

7.5 Lackierung von Schienenfahrzeugen

7.6 Bandbeschichtung/Coil Coating

7.7 Elektroisoliersysteme und Elektroniklacke

7.8 Andere Metalllackierungen

7.9 Lackierung von Holz und Holzwerkstoffen

7.10 Bautenschutz/Beschichtung mineralischer Untergründe

7.11 Abtrennung, Aufbereitung und Verwertung von Lack- und Lackierrückständen

7.12 Entlacken

7.13 Qualitätsmanagement, Prozess- und Qualitätssicherheit

7.14 Literatur