Prüfung von Farbbeschichtungen

Spezialisten für Materialcharakterisierungen bei Exeter Advanced Technologies benutzten die EZ20 Prüfmaschine, um das Verhalten von einem Anstrich zu messen.
Prüfung von Farbbeschichtungen
Einführung
Im schlimmsten Falle ist ein Außenanstrich schnell nicht mehr in Ordnung, wenn er anspruchsvollen Wetterbedingungen ausgesetzt ist. Während viele Unternehmen Langzeittests unter anspruchsvollen Bedingungen durchführen, kann das Problem gegebenenfalls durch Auswertung des Produktverhaltens unter simulierten Bedingungen im Labor innerhalb einer kürzeren Zeitspanne gelöst werden. Werkstoffcharakterisierungs-Spezialisten von Exeter Advanced Technologies (X-AT) der Universität Exeter tun genau dies, indem Sie die Auswirkungen von Umweltbedingungen auf die mechanischen Eigenschaften von Standard-Bandbeschichtungen von Beckers Industrial Coatings (BIC) im Rahmen eines dreijährigen Forschungsprojekts untersuchen.

Was sind Bandbeschichtungen?
Bandbeschichtungen sind flüssige Beschichtungen, die unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen auf Metallbänder – meist verzinkter Stahl oder Aluminium – aufgetragen werden. Die Farbe wird mit energieeffizienten Öfen, oft innerhalb kurzer Zeit (20 Sekunden), ausgehärtet und verdampfte Lösungsmittel werden auf umweltfreundliche Weise verbrannt. Die beschichteten Bänder werden anschließend wieder aufgewickelt und an eine Rollenformmaschine oder eine verarbeitende Maschine weitergeleitet, wo das lackierte Metall weiterverarbeitet wird. Dank der erstklassigen mechanischen Eigenschaften von Bandbeschichtungen kann der Anwender das Metall schneiden und zum Endprodukt umformen, ohne dass die Lackoberfläche reißt oder sonstige Schäden davon trägt. Es ist äußerst wichtig, derartige Produkte zu testen, um sicherzustellen, dass die Oberflächenbeschichtung nicht reißt, wenn das beschichtete Metallband gerollt, geknickt oder profiliert wird.

Anspruchsvolle Anwendungen
Bandbeschichtungen werden verwendet, um interne und externe Gebäudeverkleidungen, Gehäuse von Haushaltsgeräten, Kfz-Karosserieteile und viele andere industrielle Anwendungen zu schützen. Gebäude können allen möglichen Umweltbedingungen ausgesetzt werden, wie zum Beispiel: extremer Hitze und Kälte, hoher und niedriger Luftfeuchtigkeit sowie korrosionsfördernden Bedingungen. Letzteres trifft vor allem auf Gebiete in Küstennähe zu.

Außenlacke müssen daher korrosionsbeständig sein, Farbstabilität aufweisen, auch wenn sie starker UV-Einstrahlung ausgesetzt sind, und haltbar sein, wozu auch die Resistenz gegen Delaminierung gehört. Schmutzabweisende Eigenschaften sind für manche Gegenden eine weitere wichtige Voraussetzung für Außenbeschichtungen. Für den Einsatz bei Haushaltsgeräten muss der Lack resistent gegen Stöße und Flecken sein und sich nahtlos verformen lassen, ohne zu reißen.

Die Auswahl an Beschichtungen, die BIC herstellt, ist vorwiegend für industrielle und bautechnische Anwendungen auf der ganzen Welt vorgesehen. Ihre Bandbeschichtungsprodukte sind so erfolgreich, dass BIC bereits seit Jahren Europas Hersteller Nummer eins für diese Art von Farben ist.

Das Projekt
Um das Verhalten von Außenbeschichtungen, egal wo sie verwendet werden und wie das Klima dort aussieht, zu verstehen, sollten sie im Idealfall vor Ort getestet und untersucht werden. Dies ist jedoch nicht immer möglich, sodass das Einholen bedeutsamer Informationen über das Verhalten unter bestimmten Umständen kritisch ist. 

Beckers ist insbesondere darauf bedacht, ein gutes Verständnis für die Effekte extremer Umweltbedingungen auf ihre Produkte zu entwickeln, besonders bei Bandbeschichtungen. Das Langzeit-Entwicklungslabor (engl. Long Term Development Laboratory, LTD) des Unternehmens hat sich entschieden, dies durch die Unterstützung einer Universität bei der Entwicklung einer Klimakammer, die um Proben in einer Zugversuchsmaschine errichtet werden kann, umzusetzen. Für die nötigen Spezialisten, das Know-how und die Ausrüstung wandte sich das Unternehmen an Exeter Advanced Technologies (X-AT) an der Universität Exeter. 

Das Werkstoffprüflabor von X-AT verfügt über verschiedene Werkstoffprüfgeräte wie zum Beispiel die Universalprüfmaschine EZ20 von Lloyd Instruments. Neben einer stattlichen Kapazität von 20 kN beträgt die Datenabtastrate dieser Maschine 1.000 Hz und bietet somit konkurrenzlose Empfindlichkeit bei Versuchen mit dünnen Farbfilmproben, auf die BIC angewiesen war. Darüber hinaus sorgt der robuste Doppelsäulenrahmen dafür, dass die Genauigkeit nicht beeinträchtigt wird, wenn das Gerät mit den eigenen thermischen Schränken und Klimakammern verwendet wird. Es ist daher möglich, Zugversuche an dünnen Beschichtungen unter präzise geregelten Feuchtigkeits- und Temperaturbedingungen im Bereich von -30 bis +60 ºC durchzuführen.

Ziele
BIC erhofft sich Folgendes von den Prüfungen in dem Labor:
• Ermittlung der Art und des Ausmaßes der Feuchtigkeitseinwirkung auf die mechanischen Eigenschaften der derzeit verwendeten Beschichtungssysteme.
• Aufzeigen von Beziehungen zwischen Schwierigkeiten bei der Verarbeitung beschichteter Werkstoffe und Änderungen der Werkstoffeigenschaften. Dazu gehören Risse während des Formens, aneinander klebende Lackschichten auf dem wieder aufgerollten Band (Blockierung) und schlechte Abriebfestigkeit.
• Aufzeigen von Beziehungen zwischen der Leistungsfähigkeit während des Gebrauchs und Änderungen der Werkstoffeigenschaften; d. h. Verwitterung in feuchten Klimas und schmutzabweisende Eigenschaften.
• Herstellen einer Beziehung zwischen den Zugversuchsdaten, der Glasübergangstemperatur und Übergängen zwischen Sprödigkeit und Härte.

Lösung
Durch die Anpassung der Klimakammern und der Vorrichtungen für die thermischen Schränke sind Spezialisten im Exeter Labor in der Lage, die Umgebungsbedingungen, denen die Teile letzten Endes ausgesetzt werden, genau zu replizieren. Die Auswirkungen von Feuchtigkeit und Flüssigkeitskontakt auf die physikalischen Eigenschaften des Systems können so vorhergesagt werden, sodass bereits vor der Verwendung in extremen Bedingungen, wie Feuchtigkeit, extremen Temperaturen, hoher UV-Einstrahlung und Luftverschmutzung, Änderungen vorgenommen werden können.

Um unterschiedliche Feuchtigkeitsbedingungen sowie wechselnde Temperaturbedingungen zu simulieren, werden die Proben auch in einer speziell dafür entwickelten Feuchtigkeitskammer geprüft, die sich wiederum innerhalb eines thermischen Schrankes befindet. Darüber hinaus wurde ein mit Wasser befüllbarer Ofen entwickelt, um Nässe zu simulieren.

Dank einer speziellen Tauchvorrichtung können Proben so Zugversuchen unter Wasser unterzogen werden. Ferner verwendet Exeter auch die leistungsstarke NexygenPlus Werkstoffprüfsoftware von Lloyd Instruments, um die EZ20 zu steuern. Dieses beliebte, voll mit Windows® kompatible Softwarepaket bietet unvergleichliche Flexibilität und umfasst eine riesige Sammlung internationaler Standard-Prüfverfahren, um die Einhaltung von Standards zu gewährleisten. 

Bei der Prüfung von Bandbeschichtungen werden zwei Arten von Versuchen durchgeführt: ein Zugversuch und ein Schälversuch. Zugprüflinge von gerade einmal 30 Mikrometern Länge werden durch Auftragen einer Antihaftbeschichtung, die übliche Aushärtung, anschließende Entnahme des Prüflings und Einklemmen mit speziellen Zugversuchshalterungen vorbereitet. Zu den Prüfungen gehören Zug- und Kriechversuche unter kontrollierten Belastungen. Die Versuche werden unter verschiedenen Umgebungsbedingungen wiederholt und die Daten werden gespeichert und mit den Standard Zugversuch-Verfahren der NEXYGENPlus Werkstoffprüfsoftware analysiert. An den Lackschichten werden darüber hinaus Schälversuche durchgeführt.

Die Norm erfüllen
BIC arbeitet unter Einhaltung proprietärer interner Normen. Im Rahmen des Projekts sollen letztendlich interne Prüfstandards festgelegt werden, die zukünftig von der Firma entwickelte Bandbeschichtungsformeln erfüllen müssen.

Andere internationale Normen für die physikalischen Prüfungen von Farben, Lacken und Beschichtungen sind unter anderem:
• ISO 4624:1978 - Farben und Lacke: Abzugsprüfung
• BS EN 24624:1993 - Farben und Lacke: Abzugsprüfung für die Haftung
• ASTM D 4541 - Beschichtungen: Abzugsprüfung für die Haftung

Fazit
Ein derartig flexibler Ansatz für Laboruntersuchungen ist ideal für alle Hersteller von Farben, Beschichtungen und Druckfarben oder jede andere Branche, in der leistungsfähige und empfindliche Werkstoffprüflösungen die Produktentwicklung fördern würden. BIC sendet auch weiterhin Fachleute zu Prüfstandorten rund um den Globus, allerdings läuft das Forschungs- und Entwicklungsprogramm des Unternehmens dank der neuen Fähigkeit, Umweltbedingungen direkt im Labor zu simulieren, schneller und kostengünstiger als je zuvor.

Bislang hat das Projekt gezeigt, dass Feuchtigkeit einen erheblichen Einfluss auf die Glasübergangstemperatur der Farbsysteme hat, was seinerseits die mechanischen Eigenschaften beeinflusst. Letztlich ist zu hoffen, dass anhand der Daten Prüfprotokolle erstellt werden können, nach denen alle weiteren Produkte getestet werden können.