Treffen Sie die richtige Wahl für die Metallbeschichtung für die richtige Anwendung

Von Patrick Curran | 2. Juni 2016

vonAlan Cain, Gruppenleiter/Forschungschemiker, Chemline, Inc.

Metalle ermöglichen die Herstellung vielfältiger Produkte, beispielsweise industrieller Produktionsanlagen, Automobile, Flugzeuge oder Unterhaltungselektronik. Die Korrosion, der Metalle unterliegen, ist jedoch ein Problem. Vorbeugende Maßnahmen, wie zum Beispiel die richtige Beschichtung, können Korrosion verzögern oder verhindern.

Die jährlichen Korrosionskosten betragen weltweit 3 ​​bis 4 % des globalen Bruttoinlandsprodukts oder mehr als 3,0 Billionen US-Dollar. In der Vergangenheit wurde Korrosion in unkritischen Industrien als Reparatur- und Wartungsproblem behandelt. In jüngerer Zeit werden jedoch durch vorbeugende Maßnahmen die Korrosionskosten deutlich gesenkt. Zu diesen Maßnahmen gehören die geeignete Materialauswahl, sorgfältige Komponentenkonstruktion und Korrosionsschutz.

Gusseisenrohr mit Polyurethanbeschichtung zum Schutz vor Unterwassereinwirkung. Foto: Chemline

Beim aktiven Korrosionsschutz wird anstelle des Metallsubstrats ein Opfermaterial (häufig Zink) verwendet, das an Korrosionsreaktionen beteiligt ist. Beim passiven Schutz wird ein Barrierematerial aufgebracht, das verhindert, dass korrosive Reagenzien und Wasser die Oberfläche des Metallsubstrats erreichen. Diese Beschichtungen und Folien bieten oft auch zusätzlichen Schutz vor Stößen, Abrieb und anderen mechanischen Beschädigungen.

Angesichts der sehr breiten Verwendung von Metallen und der breiten Palette an Metallarten unterscheiden sich die Leistungserwartungen erheblich, ebenso wie das akzeptable Kosten-/Gleichgewichtsverhältnis. Unterschiedliche Beschichtungstechnologien erfüllen die unterschiedlichen Anforderungen; Die Auswahl der besten Beschichtungstechnologie für eine Anwendung kann eine Herausforderung sein. Hier sind mehrere Richtlinien.

Konventionelle Technologie: EpoxidharzeEs gibt zwei Hauptklassen von Beschichtungstechnologien, die für ihre schützenden Eigenschaften bekannt sind: Epoxidharze und Systeme vom Typ Polyurethan, zu denen Polyurethane, Polyharnstoffe und Hybride dieser beiden Chemikalien gehören.

Epoxidharze werden häufig als Korrosionsschutzbeschichtungen für werkseitig aufgebrachte Metallanwendungen verwendet, da sie eine hervorragende Haftung auf Metallen aufweisen und eine hohe Feuchtigkeits-, Chemikalien- und Schlagfestigkeit bieten. Sie werden nach wie vor häufig als Grundierungen (manchmal reich an Zink) in Mehrschichtsystemen verwendet, einschließlich solcher mit unterschiedlicher Deckschichtchemie (Acryl für leichte Anwendungen, Epoxidharze, Silikone, Polyurethane und Polyharnstoffe für mittlere bis schwere Anwendungen). . Bei den meisten heute verwendeten Epoxidbeschichtungen handelt es sich um Formulierungen mit hohem Feststoffgehalt oder 100 % Feststoffgehalt, die strenge Umweltvorschriften hinsichtlich der Emission flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) erfüllen.

Es gibt jedoch Einschränkungen bei Epoxidbeschichtungen, die das Interesse an alternativen Technologien zum Korrosionsschutz geweckt haben. Insbesondere sind Epoxidbeschichtungen nicht sehr flexibel und können bei Anwendungen, die mit Untergrundbewegungen, hohem Verschleiß oder starken Stößen einhergehen, reißen. Sie funktionieren auch bei niedrigen Temperaturen nicht gut (werden spröde) und vergilben mit der Zeit bei Außenanwendungen aufgrund der Zersetzung durch UV-Strahlung.

Aus diesen Gründen werden Polyurethan- und abgeleitete Beschichtungstechnologien aufgrund ihrer größeren Flexibilität in Kombination mit hoher Haftung und hoher Beständigkeit gegen Feuchtigkeit, chemische Angriffe und Stöße zunehmend als Korrosionsschutzbeschichtungen für OEM-Metallanwendungen eingesetzt.

Chemie von Polyurethanen und Polyharnstoffen Isocyanate werden zur Synthese von Polyurethan- und Polyharnstoffharzen verwendet. Polyurethane entstehen, wenn Diisocyanate (oder Polyisocyanate) mit Polyolen reagieren, während Polyharnstoffe entstehen, wenn sie mit Aminen reagieren. In Hybridsystemen werden Isocyanate mit einer Mischung aus Aminen und Polyolen umgesetzt. Für viele Polyurethane (außer beispielsweise feuchtigkeitshärtende Systeme) ist ein Katalysator erforderlich, um eine schnelle Reaktion der Isocyanat- und Polyolkomponenten sicherzustellen. Andererseits reagieren Isocyanate schnell mit Aminen, sodass für die Bildung von Polyharnstoffen kein Katalysator erforderlich ist.

Für die Synthese von Polyurethanen, Polyharnstoffen und Hybriden steht eine Reihe von Isocyanat-, Polyol- und Aminreaktanten zur Verfügung. Isocyanate können aliphatisch oder aromatisch sein. Aromatische Verbindungen (z. B. Diphenylmethandiisocyanat (MDI) und Toluylendiisocyanat (TDI)) enthalten Bindungen, die UV-Strahlung absorbieren können, was zu deren Abbau und der unerwünschten Vergilbung der Beschichtungen führt. Daher werden aliphatische Isocyanate (wie Hexamethylendiisocyanat (HDI) und Isophorondiisocyanat (IPDI)), die diese Bindungen nicht aufweisen, häufig für die Synthese von Polyurethan/Polyharnstoff-Bindemitteln für die Formulierung von Außenbeschichtungen bevorzugt.

Polyether, Polyester und Polycarbonate sind die Polyoltypen, die am häufigsten für die Herstellung von Polyurethan und Hybridpolymeren verwendet werden. In manchen Fällen enthält das Polyol mehr als eine Bindungsart. Für einige Anwendungen werden spezielle Polyole wie Polycaprolactone bevorzugt. Die Länge der Polyolkette hat einen erheblichen Einfluss auf die Härte (kurz) und Flexibilität (lang) der Beschichtung, während die Art des Polyols Eigenschaften wie Chemikalien- und Feuchtigkeitsbeständigkeit beeinflusst.

Elektrischer Schaltkasten für die Eisenbahn, behandelt mit Polyurea-Hybrid für eine robuste, dicke Schutzschicht. Foto: Chemline

Die zur Herstellung reiner Polyharnstoffe und Hybride verwendeten Diamine sind typischerweise Polyamine. Häufig werden zwei unterschiedliche Typen verwendet: aminterminierte Polymerharze, typischerweise Polyetheramine, und aminterminierte Kettenverlängerer, im Allgemeinen reine Polyamine. Es können sowohl primäre als auch sekundäre Amine verwendet werden, wobei sekundäre Amine langsamer reagieren. Hybride können durch die Reaktion von Isocyanaten mit einer physikalischen Mischung aus Polyolen und Diaminen oder durch den Einbau von Hydroxylgruppen in das Polyamin (häufig das Kettenverlängerungsmittel) gebildet werden.

Polyurethane Während es sich traditionell um lösemittelbasierte Zweikomponenten-Beschichtungssysteme (2K) handelt, sind Polyurethane auch als wasserbasierte 1K-PU-Dispersionen, wasserbasierte 2K-Systeme sowie 2K-Formulierungen mit hohem und 100 % Feststoffgehalt erhältlich. Ursprüngliche Systeme auf Wasserbasis zeigten keine so gute Leistung wie ihre lösungsmittelbasierten Gegenstücke und litten außerdem unter Anwendungsproblemen. Fortschritte in der PU-Technologie haben jedoch zur Entwicklung vieler PU-Dispersionen geführt, deren Anwendungseigenschaften denen von lösungsmittelbasierten Systemen näher kommen. Auch die Systeme mit 100 % Feststoffen stellten anfangs Schwierigkeiten bei der Anwendung dar, aber auch hier konnten diese Herausforderungen dank Fortschritten bei den Anwendungstechniken und der Ausrüstung überwunden werden.

Die bei der PU-Filmbildung auftretende Vernetzung verleiht diesen Beschichtungen spezifische Eigenschaften. Sie zeichnen sich durch eine hervorragende Glanz- und Farbbeständigkeit aus (für pigmentierte Formulierungen; auch klare Decklacke sind möglich), kombiniert mit einer guten Chemikalien- und Feuchtigkeitsbeständigkeit, selbst bei dünnen Filmaufbauten, was für Anwendungen, bei denen es auf das Gewicht ankommt (z. B. in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie), von entscheidender Bedeutung ist Branchen). Aliphatische PUs sind auch für Außenanwendungen beständig gegen UV-Licht. Zu den mechanischen Eigenschaften von PU-Beschichtungen gehört eine hohe Schlag-, Abrieb- und Kratzfestigkeit.

Da Polyurethane aus zwei unterschiedlichen Komponenten bestehen – dem Polyisocyanat- und dem Polyol-Anteil – sind ihre Eigenschaften durch die Auswahl verschiedener Isocyanat- und Polyol-Bausteine ​​einstellbar. Dadurch ist es möglich, PU-Beschichtungen von sehr flexibel (elastomer) bis sehr steif zu erzielen. Darüber hinaus können PU-Beschichtungen mit einer einzigartigen Kombination aus Flexibilität/Dehnung und Biegsamkeit formuliert werden, die mit Epoxid-Acryl-Systemen nicht erreichbar ist. Darüber hinaus weisen sie eine hervorragende Haftung auf verschiedenen Untergründen, einschließlich Metall, auf. Somit kann eine Produktlinie oft für mehrere Anwendungen verwendet werden, was die Lagerhaltungskosten senken kann. Darüber hinaus können Polyurethane für leichte bis mittelschwere Anwendungen als Einzelbeschichtungen direkt auf Metall verwendet werden, wodurch die Notwendigkeit einer Grundierung entfällt, was ebenfalls die Material- und Arbeitskosten senkt.

Polyurethanbeschichtungen härten auch bei niedrigeren Temperaturen relativ schnell aus, die meisten erfordern jedoch einen Katalysator. Eine Ausnahme bilden feuchtigkeitshärtende Systeme, bei denen das Wasser in der Luft als Katalysator fungiert. Diese Systeme sind für den Einsatz in feuchten Umgebungen geeignet. Andererseits sind die meisten PU-Beschichtungen mit 100 % Feststoffgehalt empfindlicher gegenüber Feuchtigkeit (anfällig für Blasenbildung) als andere Technologien, einschließlich Epoxidharze, Polyharnstoffe und PU/Polyharnstoff-Hybride, da ein Katalysator erforderlich ist. Lösungsmittelbasierte PU-Beschichtungen werden typischerweise als dünne Filme (< 5 mil Trockenfilmdicke) mit herkömmlichen Airless-Sprühgeräten aufgetragen, während 100 % Feststoffsysteme in dickeren Filmschichten (> 20 mil Trockenfilmdicke) aufgetragen werden können, aber die Verwendung von erfordern Mehrkomponenten-Sprühtechnologie, die die Harz- und Katalysatorkomponenten vor dem Sprühen automatisch mischt. Der Betrieb dieser komplexen Ausrüstung erfordert geschulte/lizenzierte Anwender.

OEM-Anwendungen für Polyurethanbeschichtungen decken ein breites Branchenspektrum ab. Werkseitig aufgetragene, lösungsmittelbasierte Systeme (einschließlich Formulierungen mit hohem Feststoffgehalt) werden häufig in der Möbel-, Möbel- und Bodenbelagsindustrie eingesetzt. PU-Beschichtungen werden in gewissem Umfang auch in der Automobilindustrie für Unterboden-, Innen- und Außenanwendungen (Grundierung, Grundierung, Decklack) sowie für LKW-Ladeflächenauskleidungen (sowohl im Werk als auch im Ersatzteilmarkt) verwendet. Alle Arten von PU-Beschichtungen finden in allgemeinen industriellen Metall-, Schwermaschinen- und Kunststoffgrundierungs-, Decklack- und Klarlackanwendungen Verwendung. Harte Direkt-auf-Metall-PU-Systeme werden für OEM-Rohrbeschichtungen und Stahllagertankanwendungen verwendet, während Elastomersysteme, die als Hartschaumbeschichtung aufgetragen werden, für Wasserdichtigkeit und Haltbarkeit bei Architekturverkleidungen, themenbezogenen Unterhaltungsanwendungen und gelegentlich bei Bauplatten sorgen.

Die weiche, geschnitzte EPS-Schaumstoffplatte ist mit einer Polyharnstoff-Einkapselung geschützt, um eine haltbare und überstreichbare Oberfläche zu bilden. Foto: Chemline

Polyharnstoff-Elastomere Polyurea-Beschichtungen bestehen zu 100 % aus Feststoffen und enthalten keine VOCs. Sie härten schnell (in nur 30 Sekunden) aus, ohne dass ein Katalysator oder Hitze erforderlich ist, selbst bei niedrigen Temperaturen (bis zu -20 °C). Aufgrund der Art der Harnstoffverknüpfung sind sie unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit; Selbst wenn Polyharnstoffe in Gegenwart von flüssigem Wasser auf Substrate aufgetragen werden, kommt es zu keiner Blasenbildung. Wie bei Polyurethanen verleiht die Bildung vernetzter Netzwerke in Polyharnstofffilmen hervorragende mechanische Eigenschaften, aber die verbesserte Hartblock-/Weichblock-Segmentierung in Polyharnstoffen führt zu einer verbesserten Härte/Steifheit, Reiß- und Abriebfestigkeit sowie Witterungs-, Thermoschock- und Schlagfestigkeit. Die Harnstoffverbindungen tragen auch zu einer verbesserten Chemikalien- und Wasserbeständigkeit bei. Die Kombination aus Isocyanat- und aminterminierten Polyolsegmenten bietet eine attraktive Kombination aus Flexibilität und Härte.

Zum Schutz der Audiobox vor Beschädigungen durch Handhabung, Stöße und Witterungseinflüsse wird eine Polyurethanbeschichtung aufgetragen. Foto: Chemline

Im Gegensatz zu Polyurethanen können Polyharnstoffe in sehr hohen Schichtdicken aufgetragen werden. Dadurch können sie nicht nur als schützende Beschichtungsschichten dienen, sondern auch zur strukturellen Integrität eines Substrats beitragen. Sie haften auf einer Reihe von Substraten, darunter Beton, Metalle, Holz, Verbundwerkstoffe, Schaumstoff und andere.

Die Arbeit mit Polyharnstoffen bringt jedoch Herausforderungen mit sich. Bei ihrer Einführung litten Polyharnstoffe häufig unter Substratbenetzung, Zwischenschichthaftung und Problemen mit Oberflächendefekten. Entwicklungen sowohl bei den Rohstoffen als auch bei den Anwendungsgeräten haben dazu beigetragen, diese Mängel zu überwinden. Dennoch ist das richtige Mischen entscheidend für eine optimale Filmbildung und Haftung. Wie bei PUs mit 100 % Feststoffgehalt sind für die Anwendung von Polyharnstoffen Mehrkomponenten-Hochdrucksprühgeräte erforderlich, und eine Schulung der Applikatoren ist erforderlich, um sicherzustellen, dass die Bediener verstehen, wie sie optimale Misch- und Sprühbedingungen ermitteln. Polyharnstoff-Elastomere sind typischerweise ungeeignet für Anwendungen, die dünne (< 5 mil) Beschichtungen erfordern.

Im Allgemeinen werden Polyharnstoffbeschichtungen als Deckbeschichtungen für schnell aushärtende Anwendungen (kurze Durchlaufzeiten) bevorzugt, da das beschichtete Substrat extremen Bedingungen ausgesetzt ist und das Aussehen keine entscheidende Rolle spielt. Darüber hinaus werden sie in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine dünnere Deckschicht (PU oder anders) beschädigt werden kann, was zu möglichen Korrosions- und Qualitätsproblemen führen kann. Polyharnstoffe werden auch häufig als Ersatz für Epoxidharze in Anwendungen ausgewählt, bei denen Dehnung und Schlagfestigkeit wichtig sind, da Epoxidharze unter solchen Bedingungen häufig reißen und sich ablösen. Beispiele hierfür sind OEM-Abdichtungsanwendungen sowie Schienen- und Binnenschiffsbeschichtungen. Generell werden Polyharnstoffe aufgrund ihrer Unempfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit und Temperatur häufig im Feld eingesetzt. Zu den Anwendungen vor Ort gehören Dach-, Rohr- und Tankbeschichtungen, LKW-Ladeflächenauskleidungen, Auskleidungen für große Tanks (Frachtschifflinien, Massentransportwaggons), Autoparkdecks, Brücken und Offshore-Schutz.

Polyasparaginsäureester-basierte Polyharnstoffbeschichtungen stellen eine neuere Technologie dar, die auf der Reaktion von Isocyanaten mit aliphatischen Polyasparaginsäureestern (aliphatischen Diaminen) basiert. Diese Beschichtungen härten im Allgemeinen langsamer aus als Polyharnstoffe und können in dünneren Filmschichten aufgetragen werden. Sie werden wie Polyurethane mit herkömmlichen Airless-Spritzgeräten aufgetragen. Daher werden sie häufig in denselben Anwendungen eingesetzt, in denen PUs verwendet werden können.

Hybriden – das Beste von beidem Der Einsatz von Mischungen amin- und hydroxylterminierter Polyole eröffnet noch mehr Möglichkeiten zur Feinabstimmung der Eigenschaften von Hybridbeschichtungen. Nicht nur das Aussehen, die Härte/Flexibilität und die mechanischen Eigenschaften, sondern auch die Reaktivität dieser Beschichtungen kann durch die Wahl verschiedener Isocyanate, Polyetheramine und Polyole angepasst werden. Durch die Kontrolle der Aushärtungszeit können Sie glatte bis strukturierte Filme mit dem gewünschten Oberflächenaussehen entwickeln, kombiniert mit der höheren Leistung von Polyharnstoffen.

Bei Hybriden handelt es sich in der Regel um Formulierungen mit 100 % Feststoffgehalt, die schnell aushärten (Katalysator erforderlich) und in großen Filmschichten aufgetragen werden können. Sie zeichnen sich durch eine gute Dehnbarkeit und Flexibilität bei gleichzeitig hervorragender Chemikalien- und Lösungsmittelbeständigkeit sowie Abrieb- und Schlagfestigkeit aus. Sie können wie Polyharnstoffe bei niedrigen Temperaturen aufgetragen werden. Allerdings ist die Anwendung von Hybridbeschichtungen weniger komplex (einfacheres Aufprallmischen) als die von Polyharnstoffen, obwohl eine Mehrkomponenten-Sprühausrüstung und eine Schulung des Applikators weiterhin erforderlich sind.

Die Anpassbarkeit von Polyurethan/Polyharnstoff-Hybridbeschichtungen hat zu ihrem Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen geführt, bei denen sowohl die hohe Leistung von Polyharnstoffen als auch ein attraktives Finish erwünscht sind. Daher werden sie häufig Polyharnstoffbeschichtungen vorgezogen, da Hybride diese Anforderungen erfüllen und dennoch schnelle Durchlaufzeiten bieten können, und das zu geringeren Kosten als reine Polyharnstoffbeschichtungen. Die häufigsten OEM-Anwendungen sind Korrosionsschutz- und Abdichtungsanwendungen, bei denen die hohe Leistung von Polyharnstoffen nicht erforderlich ist und Hybride attraktivere Lösungen auf Kosten-Leistungs-Basis bieten. In einigen Fällen werden Hybride bevorzugt, da sie einzigartige Eigenschaften bieten, die mit einem reinen PU- oder Polyurea-System nicht erreicht werden können. Hybride finden auch in sekundären Eindämmungsanwendungen über Beton und Geotextilien Verwendung.

Die richtige Wahl treffen Für praktisch jede erdenkliche OEM-Beschichtungsanwendung stehen Polyurethan-, Polyharnstoff- und PU/Polyharnstoff-Hybridbeschichtungstechnologien zur Verfügung. Diese Chemikalien bieten eine Reihe von Eigenschaften, die für unterschiedliche Anwendungsbedingungen und Leistungsanforderungen geeignet sind. Zu den Faktoren, die bei der Auswahl einer Schutzbeschichtung für eine bestimmte Anwendung berücksichtigt werden müssen, gehören: die Art des Untergrunds, die Anwendungstechnologie, die Bedingungen, unter denen die Beschichtung funktionieren muss, die Aushärtungszeit, die gewünschte Filmdicke und die Leistungsanforderungen (Haftung, Aussehen, und mechanische und Widerstandseigenschaften).

Auch die Kosten sind eindeutig ein entscheidender Faktor bei der Auswahl einer Beschichtungstechnologie. Polyurethanbeschichtungen sind am kostengünstigsten, Polyharnstoffe am teuersten und Hybridbeschichtungen liegen dazwischen. Polyurethane gelten oft als der beste Kompromiss zwischen Kosten und Leistung. Hybride hingegen bieten 80 % der Vorteile von Polyharnstoffen bei etwa 50 % der Mehrkosten im Vergleich zu Polyurethanen.

Dünnschicht-Polyurethane eignen sich für Anwendungen, bei denen Leistung und ein hochwertiges Finish erforderlich sind. Bei weniger anspruchsvollen Anwendungen können sie als Einzelschicht aufgetragen werden (z. B. direkt auf Metall), werden jedoch häufig als Deckschicht verwendet, wenn das beschichtete Substrat vor extremeren Bedingungen geschützt werden muss.

Polyharnstoffe, die unter schlechten Bedingungen wie extremen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit versprüht werden können, werden häufig für Anwendungen im Freien oder vor Ort verwendet. Polyurethane und Hybride, die zur Aushärtung Katalysatoren benötigen, sind hier nicht geeignet. Kostengünstigere Hybride werden für OEM-Anwendungen bevorzugt, bei denen die leistungsfähigeren Härtungseigenschaften von Polyharnstoffen nicht erforderlich sind, aber ähnliche Eigenschaften des aufgetragenen Films gewünscht sind.

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