Faktoren, die die Trocknungseffizienz von Polyurethanlacken auf Wasserbasis beeinflussen

Wässrige Polyurethanlacke (WPU) ersetzen aus Gründen des Umweltschutzes nach und nach die traditionellen lösungsmittelhaltigen Lacke. Im Gegensatz zu Farben auf Basis organischer Lösungsmittel wird bei wasserbasierten Farben Wasser als Dispergier- und Verdünnungsmittel verwendet. Da Wasser jedoch im Vergleich zu organischen Lösungsmitteln deutlich weniger flüchtig ist, muss die Trocknung von Wasserlacken während der industriellen Produktion erhitzt werden. Nur wenige Großanlagen, die nicht heizen können, oder Hersteller mit geringeren Anforderungen an die Produktionseffizienz entscheiden sich für die natürliche Lufttrocknung. Welche Faktoren beeinflussen die Trocknungseffizienz von Polyurethanlacken auf Wasserbasis? Heute werden wir uns mit diesem Thema befassen und uns dabei auf Polyurethan auf Wasserbasis konzentrieren.

Wässriges Polyurethan, auch bekannt als wasserdispergierbares Polyurethan oder Polyurethan auf Wasserbasis, ersetzt organische Lösungsmittel durch Wasser als Dispersionsmedium. Es bietet Vorteile wie Ungiftigkeit, Sicherheit, hervorragende mechanische Eigenschaften, gute Kompatibilität und einfache Modifizierbarkeit. Polyurethan (PU) ist eine Polymerverbindung, die in ihrer Hauptkette Urethanbindungen enthält. Wässriges Polyurethan (WPU) bezieht sich auf PU-Emulsionen, die in Wasser gelöst oder dispergiert sind. Da WPU auf Wasserbasis hergestellt wird, ist es ungiftig, nicht entflammbar und umweltfreundlich und eignet sich daher für Anwendungen in der Textil-, Leder-, Papier-, Gummi-, Automobil- und Möbelindustrie für dekorative und schützende Zwecke. Es hat nach und nach die lösungsmittelhaltigen PU-Farben ersetzt.

In wässrigen Polyurethanlacken kommen Wassermoleküle in drei Formen vor: freies Wasser, gebundenes Wasser und Gelwasser. Im Vergleich zu lösemittelbasierten PU-Lacken ist der Trocknungsprozess von WPU durch einen höheren Anfangstemperaturpunkt für die Wasserverdampfung gekennzeichnet. In Umgebungen mit einer bestimmten Luftfeuchtigkeit muss der Dampfdruck des Wassers innerhalb des Lackfilms den Dampfdruck der Umgebung übersteigen, damit eine Verdunstung stattfinden kann. Diese Eigenschaften tragen dazu bei, dass wässrige Polyurethanlacke im Vergleich zu lösungsmittelbasierten Lacken langsamer trocknen, was ihre breitere Anwendung teilweise behindert hat. Daher ist die Verbesserung der Trocknungsgeschwindigkeit von Farben auf Wasserbasis für die Marktexpansion von wesentlicher Bedeutung und erfordert weitere Forschung.

1. Auswirkung des Feststoffgehalts: Der Gehalt an freiem Wasser ist eng mit dem Feststoffgehalt verbunden. Ein höherer Feststoffgehalt in der Emulsion verringert den Gehalt an freiem Wasser, wodurch sich die Verdunstungszeit verkürzt und die Trocknungsrate von WPU verbessert. Studien haben gezeigt, dass die Trocknungsgeschwindigkeit von WPU mit der von herkömmlichen lösemittelhaltigen PUs vergleichbar ist, wenn der Feststoffgehalt 50% übersteigt und die Umgebungstemperatur durch Erhitzen mit Kohlefaserheizelementen auf 40°C-60°C erhöht wird. Die Kontrolle des Feststoffgehalts durch die Lackformulierung ist für die Produktion von entscheidender Bedeutung.
2. Einfluss des Gehalts an hydrophilen Gruppen: Um die Dispersion von WPU zu verbessern, werden häufig hydrophile Ionengruppen in die PU-Molekülkette eingeführt. Ein erhöhter Gehalt an hydrophilen Gruppen erschwert jedoch die Trocknung und verringert die Trocknungsgeschwindigkeit. Gebundenes Wasser, das sich durch Wasserstoffbrückenbindungen und intermolekulare Kräfte mit hydrophilen PU-Gruppen bildet, verdunstet viel langsamer als freies Wasser. Daher führt ein höherer Gehalt an hydrophilen Gruppen zu mehr gebundenem Wasser in der Emulsion und behindert die Verdunstung. Um die Stabilität der Emulsion zu gewährleisten, ist es wichtig, die hydrophilen Gruppen zu minimieren.
3. Einfluss des Inhalts des harten Segments: Ein höherer Gehalt an Hartsegmenten beschleunigt die Trocknungsgeschwindigkeit, da die Kompatibilität zwischen weichen und harten Segmenten verbessert wird, was die Verdrängung von Wassermolekülen während der Molekülkettenbewegung erleichtert. Ein übermäßiger Gehalt an Hartsegmenten (ca. 46%) kann jedoch während des Trocknens zur Bildung einer Oberflächenhaut führen, die eine Barriere bildet, die die Feuchtigkeitsverdunstung verlangsamt und zu Defekten wie Orangenschalen oder schlechter Haftung führen kann.
4. Wirkung des Neutralisierungsgrads: Carbonsäuregruppen weisen eine schwache Hydrophilie auf, während die durch Neutralisation gebildeten Carbonsäureanionen eine stärkere Hydrophilie besitzen. Ein höherer Neutralisationsgrad erhöht die Hydrophilie der Molekülketten, wodurch der Gehalt an gebundenem Wasser steigt und die Trocknungsgeschwindigkeit von WPUs beeinträchtigt wird. Darüber hinaus erhöht ein höherer Neutralisationsgrad die Viskosität der Farbe, was die Bildung von Oberflächenhäuten fördert und die Verdunstung von Feuchtigkeit im Inneren behindert, wodurch sowohl die Trocknungsgeschwindigkeit als auch die Produktqualität beeinträchtigt werden.
5. Einfluss des Substrats auf die Filmbildung: Die Oberflächeneigenschaften der Substrate beeinflussen die intermolekularen Kräfte zwischen den Wassermolekülen erheblich und wirken sich somit auf die Trocknungsgeschwindigkeit der Farbe aus. Beispielsweise trocknet WPU-Farbe schneller, wenn sie auf Glassubstrate aufgetragen wird, als auf Verbundplatten, was auf Unterschiede in der Oberflächenspannung und der Wechselwirkung zwischen Emulsion und Substrat zurückzuführen ist. Substrate mit einer geringeren Oberflächenspannung, wie z. B. Holz, weisen eine stärkere Wechselwirkung mit Wasser auf, was die Verdunstung von Feuchtigkeit erschwert.

Nachdem wir nun die intrinsischen Faktoren untersucht haben, die sich auf die Trocknungseffizienz von wässrigen Polyurethanlacken auswirken, ist es offensichtlich, dass die Optimierung dieser Faktoren durch Anpassungen der Lackformulierung entscheidend ist, um eine hohe Produktionseffizienz und wirtschaftliche Rentabilität dieser innovativen Lacke zu erreichen. Künftige Diskussionen werden sich mit den externen Faktoren befassen, die die Trocknungsraten von wässrigen Polyurethanlacken beeinflussen.

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