Oberflächentechnologie

Forschungsprojekt

Zuckerderivate als Basis für Lack- und Klebstoffharze

Nachwachsende Rohstoffe können ihre fossilen Konkurrenten mittlerweile in vielen Bereichen ersetzen und das Spektrum der Anwendungsbereiche weitet sich immer mehr aus. Wir haben Acrylatdispersionen mit einem hohen Anteil an nachwachsenden Rohstoffen als Bindemittel für die Herstellung neuer wasserbasierender Lacke für Holz und Holzwerkstoffe untersucht. Das Ziel war die Herstellung von Acrylatdispersionen aus Saccharidkomponenten mit gleichwertigen, aber auch neuartigen, Eigenschaften gegenüber den gängigen petrochemischen Produkten.

© Fraunhofer WKI

Synthese des saccharidhaltigen Bindemittels.

© Fraunhofer WKI

Lackierte Muster (oben Klarlack, unten Lasur).

© Fraunhofer WKI

Prüfung der Dehnbarkeit des wasserbasierenden saccharidhaltigen Filmes.

Zu den wichtigsten nachwachsenden Rohstoffen gehören Saccharide und pflanzliche Öle. Das Monosaccharid Glucose wird vorwiegend aus Mais-, Kartoffel- und Weizenstärke gewonnen. Mit Glucose als Ausgangsstoff lässt sich in zwei Stufen ein radikalisch polymerisierbares Zuckermethacrylat herstellen und kann anschließend bei der Synthese von wässrigen Polymerdispersionen mittels radikalischer Emulsionspolymerisation eingesetzt werden.

Die Eigenschaften von Acrylatdispersionen lassen sich durch den Herstellungsprozess und die Rezeptur steuern. Für die Verwendung als Bindemittel für Holzimprägnierungen sind sehr feine und weiche Acrylatdispersionen mit einem Feststoffgehalt unter 15 % und niedriger Viskosität vorteilhaft. Für Holzbeschichtungen in der Innenanwendung (z. B. Möbel, Parkett) werden die Acrylatdispersionen mit einer Partikelgröße von 50 - 100 nm und mit einer Glasübergangstemperatur von 30 - 60 °C verwendet (siehe Abb. 2). Durch die Produktion von wasserbasierenden Beschichtungen reduziert sich die verwendete Menge an organischen Lösemitteln, so dass die Umweltbelastung verringert werden kann.

Das thermische Verhalten der Acrylatdispersionen spielt eine wichtige Rolle bei der Filmbildung. Die Glasübergangstemperatur beeinflusst die Mindestfilmbildetemperatur stark. Spezifisch für das polymerisierte Zuckermethacrylat ist seine hohe Glasübergangstemperatur bei 164 °C. Dementsprechend erhöht das Zuckermethacrylat als hartes Monomer die Glasübergangstemperatur des Copolymers. Durch die Comonomerauswahl werden Polarität, Beschichtungshärte und Elastizität beeinflusst. Die saccharidhaltigen Filme werden bei Raumtemperatur ohne Zusatz von Koaleszenzmittel gebildet. Grundsätzlich ist es auch möglich, über eine Hydroxyfunktionalisierung 2K-Polyurethanacrylate daraus herzustellen und so über die zusätzliche Vernetzung zu noch hochwertigeren Beschichtungsstoffen zu gelangen.

Die Haftung der saccharidhaltigen Beschichtung wurde nach DIN EN ISO 2409 auf Buchenholz untersucht. Die Gitterschnittkennwerte für die Nasshaftung erfüllen die Anforderungen für Holzaußenbeschichtungen. Ferner wurden die Dehnbarkeit und Elastizität der freien Lackfilme untersucht. Da Holz ein natürlicher und elastischer Werkstoff ist, sollte eine geeignete Holzbeschichtung in der Lage sein, auf Quellen oder andere geringe Verformungen des Holzes ohne Rissbildung reagieren zu können. Die Lackfilme wurden nach Klimatisierung künstlich durch Wasserlagerung gealtert. Ausgewählte saccharidhaltige Filme weisen eine Reißdehnung von über 20 % auf (siehe Abb. 3).

Die hohe Glasübergangstemperatur des Zuckermethacrylats kann Wege öffnen, formaldehydfreie Klebstoffe für Holzwerkstoffe zu entwickeln. Hierfür sind allerdings noch weitere Untersuchungen notwendig.

Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass radikalisch polymerisierbare, glucosehaltige Methacrylate eine technisch funktionierende Alternative zu synthetischen Grundstoffen für die Synthese von Acrylatdispersionen bildet. Es ist als hartes Monomer vorzugsweise als Rohstoff für Möbel- oder Parkettlacke geeignet. Inwieweit es möglich ist, formaldehydfreie Bindemittel für die Holzwerkstoffindustrie damit herzustellen, ist Gegenstand zukünftiger Forschungsarbeiten.

 

Förderung

Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz über die FNR (FKZ: 22002108)

Internationaler Verein für technische Holzfragen e. V. iVTH