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34 CoatIng & bonDIng teChnologIeS 333 Materials zusammen mit Partnern ausführlich untersucht. Der Grundgedanke dabei: Matte UV- Lacke erfreuen sich zwar einer steigenden Nachfrage, ihre Formulierung beruht aber oftmals auf Intuition und Erfahrung, da zusammenfassende wissenschaftliche Modelle zur Beschreibung der Zusammenhänge fehlen. Zudem steht nur ein sehr schmales Fenster für die Festlegung der Parameter zur Verfügung. Einfaches Modell für komplexe Zusammenhänge Den ersten Parameter, den die Entwickler unter die Lupe genommen haben, ist die Teilchengröße des Mattierungsmittels. Untersucht wurden zwei herkömmliche Mattierungs-Kieselsäuren, deren mittlere Agglomerat-Teilchengröße bei 4,5 µm (ACEMATT® OK 607) bzw. bei 14,5 µm (ACEMATT® HK 440) liegt. Anhand eines einfachen, den gesamten Teilchengrößenbereich von Kieselsäure-Mattierungsmitteln abdeckenden Modells, das die Projektmitarbeiter erarbeitet haben, lässt sich der Einfluss der Teilchengröße beschreiben. Im Modell repräsentieren Kugeln gleicher Größe in der dichtestmöglichen Packung die Partikel der Kieselsäure. Agglomeratverteilung und Morphologie der Kieselsäure bleiben dabei unberücksichtigt. Die im flüssigen Lack gleichmäßig verteilten Kieselsäureagglomerate bilden eine Mattierungsmittelmatrix, die während der Härtung weniger stark schrumpft als die umgebende Bindemittelmatrix. Der sogenannte Volumenschrumpf des Lackes beim Härten – er kann in der Praxis bis zu 15 Prozent betragen – wird dabei hauptsächlich durch das Bindemittel verursacht, da sich die Abstände zwischen den Bindemittelketten beim Härten deutlich verkürzen. Über die Größe der Mattierungsmittelteilchen, so die Überlegung der Lackexperten, sollte sich damit in gewissen Grenzen die Mattierung steuern lassen. Die Lackbranche unterscheidet in der Praxis zwischen dünnen Schichten, die in der Regel in Mengen von weniger als 20 bis 25 Gramm pro Quadratmeter aufgetragen werden, und dicken Schichten, deren Auftragsgewicht darüber liegt. Dickschichtige UV-Lacke: Kleine Teilchen mattieren besser Enthält ein dickschichtiger UV-härtender Lack ein Mattierungsmittel, dessen Teilchen mit 14,5 µm relativ groß sind, bilden sich gemäß dem Kugelmodell an der Lackfilmoberfläche infolge des Volumenschrumpfs beim Aushärten wenig ausgeprägte, langwellige Strukturen. Sie bewirken nur eine geringe Rauheit – also eine niedrige Mattierung. Mit feinteiligeren Mattierungsmitteln mit einer Teilchengröße von nur 4,5 µm entsteht dagegen, entsprechend dem Modell, eine Lackfilmoberfläche, die eine ausgeprägte kurzwellige Struktur aufweist – ideal für eine starke Streuung des einfallenden Lichts, <strong>elements36</strong> Ausgabe 3|2011 Abbildung 1 Modell zur Mattierung dickschichtiger UVLacke durch den Volumenschrumpf Applikationsschichtdicke: 55 µm Volumenschrumpf: ca. 8 % Wirkungsgrad Schrumpf: ca. 50 % Effektiver Schrumpf: ca. 2 µm Grobteiliges Mattierungsmittel ACEMATT® HK 440/d 50 = 14,5 µm Abbildung 2 Feinteiliges Mattierungsmittel ACEMATT® OK 607/d 50 = 4,5 µm Darstellung der virtuellen Oberflächenstrukturen eines ausgehärteten dicken Lackfilms. Die wenig ausgeprägten, langwelligen Strukturen mit grobteiligen Mattierungsmitteln sorgen für den unerwünscht hohen Glanz Grobteiliges Mattierungsmittel ACEMATT® HK 440/d 50 = 14,5 µm Ableitung aus Modell Höhendifferenz: ca. 2,0 µm bei niedriger Aufrauung Hoher Glanz bei beiden Messwinkeln Feinteiliges Mattierungsmittel ACEMATT® OK 607/d 50 = 4,5 µm Ableitung aus Modell Höhendifferenz: ca. 2,0 µm bei höherer Aufrauung Niedriger Glanz bei Messwinkel 60°, aber hoher Glanz bei Messwinkel 85° Abbildung 3 Oberflächentopogramme von dickschichtig applizierten mattierten UVLacken (TSD = Trockenschichtdicke) Lackformulierung: #1 TSD: ca. 75 µm Feinteiliges Mattierungsmittel ACEMATT® OK 607 1,35 µm Lackformulierung: #3 TSD: ca. 75 µm Grobteiliges Mattierungsmittel ACEMATT® HK 440 1,55 µm 0,5 µm 0,5 µm Volumenschrumpf hat großen Einfluss auf die Mattierungswirkung Werte aus der Praxis 60°Reflektometerwert: 46,1 85°Reflektometerwert: 86,0 Max. Rauheitsprofilhöhe Rz: 0,77 µm Arithm. Mittenrauwert Ra: 0,08 µm Werte aus der Praxis 60°Reflektometerwert: 22,6 85°Reflektometerwert: 77,8 Max. Rauheitsprofilhöhe Rz: 1,20 µm Arithm. Mittenrauwert Ra: 0,14 µm 60°Reflektometerwert: 24,9 85°Reflektometerwert: 84,8 0,5 µm 60°Reflektometerwert: 46,2 85°Reflektometerwert: 87,9 0,5 µm Applikation auf PMMAPlatte UVTrocknung: HgStrahler Band: 100 W/cm, 5 m/min
Abbildung 4 Modell zur Mattierung dünnschichtiger UVLacke bei Annäherung der Teilchengröße des Mattierungsmittels an die Schichtdicke des getrockneten Lacks Applikationsschichtdicke: 10 µm Volumenschrumpf: ca. 8% Wirkungsgrad Schrumpf: ca. 50% Effektiver Schrumpf: < 0,5 µm Grobteiliges Mattierungsmittel ACEMATT® HK 440/d 50 = 14,5 µm Abbildung 5 Feinteiliges Mattierungsmittel ACEMATT® OK 607/d 50 = 4,5 µm Darstellung der virtuellen Oberflächenstrukturen eines ausgehärteten dünnen Lackfilms. Im Modell bilden die groben Teilchen an der Filmoberfläche eine stark ausgeprägte Struktur, was eine hohe Rauheit bedeutet Grobteiliges Mattierungsmittel ACEMATT® HK 440/d 50 = 14,5 µm Ableitung aus Modell Höhendifferenz: > 2,0 µm bei hoher Aufrauung Niedriger Glanz bei beiden Messwinkeln Feinteiliges Mattierungsmittel ACEMATT® OK 607/d 50 = 4,5 µm Abteilung aus Modell Höhendifferenz: < 1,0 µm bei niedriger Aufrauung Hoher Glanz bei beiden Messwinkeln Abbildung 6 Werte aus der Praxis 60°Reflektometerwert: 31,0 85°Reflektometerwert: 49,2 Max. Rauheitsprofilhöhe Rz: 3,92 µm Arithm. Mittenrauwert Ra: 0,21 µm Werte aus der Praxis 60°Reflektometerwert: 46,8 85°Reflektometerwert: 83,8 Max. Rauheitsprofilhöhe Rz: 0,86 µm Arithm. Mittenrauwert Ra: 0,08 µm Oberflächentopogramme von dünnschichtig applizierten mattierten UVLacken Lackformulierung: #1 TSD: ca. 15 µm Feinteiliges Mattierungsmittel ACEMATT® OK 607 1,93 µm 0,5 µm Lackformulierung: #3 TSD: ca. 15 µm Grobteiliges Mattierungsmittel ACEMATT® HK 440 5,97 µm 0,5 µm Volumenschrumpf ist nur von sekundärer Bedeutung 60°Reflektometerwert: 33,9 85°Reflektometerwert: 72,5 0,5 µm 60°Reflektometerwert: 30,9 85°Reflektometerwert: 46,8 0,5 µm Applikation auf PMMAPlatte UVTrocknung: HgStrahler Band: 100 W/cm, 5 m/min CoatIng & bonDIng teChnologIeS 35 also eine hohe Mattierung (Abb. 1, 2). Dies macht sich in einem niedrigen Glanz im 60°-Winkel bemerkbar. Allerdings zeigt der Glanz im 85°-Winkel wegen der geringen Höhendifferenzen an der Lackfilmoberfläche einen hohen Wert. Gestützt werden die theoretischen Annahmen im Mo dell durch die mit einem taktilen Rauheitsmessgerät ermittelten Topogramme (Abb. 3). Insgesamt lässt sich aus den Untersuchungen ablesen, dass sich feinteilige Mattierungs-Kieselsäuren mit mittleren Agglomerat-Teilchengrößen von weniger als 5,5 µm sehr gut eignen, um dickschichtige UV-Lacke zu mattieren. Dicke Teilchen für dünne Schichten Bei der Mattierung dünner Schichten profitiert der Lackformulierer dagegen nur eingeschränkt vom polymerisationsbedingten Volumenschrumpf, weil die Schichtdicken einfach zu gering sind. Grundsätzlich schneiden bei dünnen Schichten daher grob teiligere Kieselsäuren besser ab als feinteilige, wenn ihre Teilchengröße ungefähr der Schichtdicke entspricht. Auch hierfür liefert das Modell eine Erklärung: Die groben Teilchen bilden an der Filmoberfläche eine stark ausgeprägte Struktur, was eine hohe Rauheit bedeutet. Dagegen haben feinteilige Mattierungsmittel bei dünnen Schichten wenig ausgeprägte Strukturen zur Folge, die einfallendes Licht kaum streuen (Abb. 4, 5, 6). Für dünne Lackschichten heißt das: Die mittleren Agglomerat-Teilchengrößen der Mattierungskieselsäure sollten ungefähr beim 0,5- bis Einfachen der Lackfilmdicke liegen. Breites Verarbeitungsfenster mit neuer Kieselsäure Ein Ergebnis, das sich in der Praxis bestätigt, wie Abbildung 7 zeigt: Dicke Lackfilme lassen sich besser mit der feinteiligen Kieselsäure ACEMATT® OK 607 mit einer mittleren Agglomerat-Teilchengröße von 4,5 µm mattieren. Dünnere Schichten dagegen werden mit der grobteiligeren Kieselsäure ACEMATT® HK 440 besser mattiert, deren mittlere Agglomerat- Teilchengröße bei 14,5 µm liegt. Zugleich wird deutlich, dass das neue, speziell zur Mattierung von UV-härtenden Lacken entwickelte Produkt ACEMATT® 3600 über nahezu alle Schichtdicken hinweg eine signifikant höhere Mattierungswirkung besitzt. Das Heißt: Mit ACEMATT® 3600 steht dem Formulierer ein deutlich breiteres Anwendungsfenster zur Verfügung – obwohl die mittlere Agglomerat-Teilchengröße von ACEMATT® 3600 nur geringfügig von der des feinteiligen ACEMATT® OK 607 abweicht (Abb. 7). Bei seiner Entwicklung griffen die Anwendungstechniker zu einem Trick: ACEMATT® 3600 basiert auf einer Kieselsäure, die mit Polydimethylsiloxan (PDMS) nachbehandelt wurde. Diese Nachbehandlung verbessert zum einen die Mattierungswirkung, 333 <strong>elements36</strong> Ausgabe 3|2011
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