1. Das vielfältige Entwicklungsmuster von Beschichtungen
Heutige Beschichtungen lassen sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Form hauptsächlich in drei Kategorien einteilen: Beschichtungen auf Basis organischer Lösungsmittel, Beschichtungen auf Wasserbasis und Pulverlacke.
(1) Organische Lacke auf Lösungsmittelbasis: die versteckten Sorgen hinter dem Glanz
Organische Beschichtungen auf Lösungsmittelbasis werden mit organischen Lösungsmitteln als Verdünnungsmittel hergestellt. Nach jahrelanger Entwicklung haben sie sich zu einer neuen Art von Baumaterial entwickelt, das hohe dekorative Eigenschaften, lang anhaltenden Schutz, Vielseitigkeit und Vielfältigkeit vereint. Beschichtungen auf der Basis organischer Lösungsmittel spielen eine unverzichtbare Rolle im modernen industriellen Aufschwung, beim Aufbau einer modernen Landesverteidigung und in Spitzenbereichen wie der Informationstechnologie, der Biochemie und den neuen Materialien. In der Luft- und Raumfahrtindustrie beispielsweise muss die Außenbeschichtung von Flugzeugen eine ausgezeichnete Wetterbeständigkeit und einen hervorragenden Schutz aufweisen. Organische Beschichtungen auf Lösungsmittelbasis können der Erosion des Flugzeugkörpers durch die extremen Umweltbedingungen in großen Höhen wirksam widerstehen. Bei der Erschließung von Meeresressourcen können die Schutzbeschichtungen für Offshore-Bohrplattformen und Schiffsrümpfe wegen ihrer guten Haftung und Korrosionsbeständigkeit nicht auf Beschichtungen auf Basis organischer Lösungsmittel verzichten.
Diese Art von Farbe hat jedoch während der Filmbildungsphase ernsthafte Nachteile. Wenn die Beschichtung aufgetragen wird, verflüchtigt sich das Lösungsmittel in die Atmosphäre. Die meisten organischen Lösungsmittel enthalten giftige Bestandteile und stellen eine direkte Bedrohung für die menschliche Gesundheit dar. Einschlägigen Umweltüberwachungsdaten zufolge können die Auswirkungen flüchtiger Lösungsmittel bei der Verwendung von Farben auf der Basis organischer Lösungsmittel auf die Luftqualität in einigen traditionellen industriellen Ballungsgebieten mehrere Kilometer weit reichen, was zu einem erheblichen Anstieg des Gehalts an flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) in der Luft führt. Außerdem kommt es nach der vollständigen Verdunstung der Lösungsmittel nicht nur zu einer ungerechtfertigten Verschwendung von Ressourcen, sondern auch zu einem erheblichen Energieverlust. Dies ist in einer Zeit, in der Umweltschutz und nachhaltige Entwicklung propagiert werden, zweifellos ein enormer Entwicklungsengpass.
(2) Pulverbeschichtungen: Nebeneinander von Vorteilen und Einschränkungen
Pulverbeschichtungen werden aus festen Harzen hergestellt, die mit Pigmenten, Füllstoffen und Additiven zu einem festen Pulver vermischt werden. Das Besondere an Pulverlacken ist, dass sie Luft als Verdünnungsmittel verwenden und in Form von winzigen Pulvern vorliegen, wodurch sie sich leicht in der Luft verteilen. Pulverbeschichtungen weisen eine große Flexibilität in Bezug auf die Anwendungsmethoden auf und können mit einer Vielzahl von Verfahren wie elektrostatischem Sprühen, Walzen und Duschen aufgetragen werden. Bei der Herstellung von Metallmöbeln beispielsweise kann die elektrostatische Pulverbeschichtung das Pulver gleichmäßig auf der Metalloberfläche anhaften lassen und so eine glatte und haftende Beschichtung bilden. Außerdem können 100% des Overspray-Pulvers zurückgewonnen werden, was die Materialausnutzung erheblich verbessert und die Produktionskosten senkt. Im Hinblick auf die Eigenschaften des Beschichtungsfilms haben Pulverbeschichtungen viele Vorteile, wie z. B. gute Haftung, hervorragende Witterungsbeständigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit sowie ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. Darüber hinaus sind sie während des gesamten Produktions- und Nutzungszyklus frei von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) und stellen somit ein Musterbeispiel für umweltfreundliche Beschichtungen dar.
Die Nachteile von Pulverbeschichtungen sollten jedoch nicht außer Acht gelassen werden. Bei der Herstellung und Beschichtung entsteht eine große Menge an Staub. Trotz der ständigen Weiterentwicklung der bestehenden Entstaubungstechniken ist eine vollständige Reinigung immer noch schwierig zu erreichen. Ein Teil des ultrafeinen Staubs entweicht in die Atmosphäre und beeinträchtigt die Luftqualität. Nehmen wir als Beispiel einen großen Pulverbeschichtungshersteller. Obwohl er mit fortschrittlichen Entstaubungsanlagen ausgestattet ist, wird jedes Jahr immer noch eine gewisse Menge an Ultrafeinstaub emittiert, was die Feinstaubbelastung in der Umgebung bis zu einem gewissen Grad verschlimmert. Darüber hinaus erfordert der Aushärtungsprozess von Pulverbeschichtungen hohe Temperaturen, was einen höheren Energieverbrauch bedeutet. Gleichzeitig ist die Anwendung von Pulverlacken auf nichtmetallischen Substraten, übergroßen Metallteilen und Metallteilen mit komplexen Formen mit vielen technischen Herausforderungen verbunden. Bei der Oberflächenbeschichtung einiger großer Skulpturen zum Beispiel haben Pulverlacke aufgrund ihrer komplexen Formen und der meist nichtmetallischen Materialien Schwierigkeiten, gleichmäßig zu haften und einen idealen Beschichtungseffekt zu erzielen.
(3) Beschichtungen auf Wasserbasis: Potenziale, aber auch Herausforderungen
Wasserlacke verwenden Wasser als Dispergier- oder Lösemittel. Je nach verwendetem Bindemittel lassen sie sich in Kunstharz-Wasserlacke und natürliche Wasserlacke auf Basis von Mineralien und Naturstoffen unterteilen. Ihr wesentlicher Vorteil sind die niedrigen Kosten. Im Vergleich zu Beschichtungen auf der Basis organischer Lösungsmittel sind sie wesentlich sicherer, stellen keine Entflammbarkeits- oder Explosionsgefahr dar und können in feuchten Umgebungen direkt aufgetragen werden. Ob durch Sprühen, Streichen oder elektrophoretische Beschichtung, sie lassen sich leicht kontrollieren und eignen sich für Objekte aus verschiedenen Materialien und Formen. Sie sind relativ wenig durch die Beschichtungsmethode und die Aushärtungsbedingungen eingeschränkt. Im Bereich der Innendekoration zum Beispiel werden Farben auf Wasserbasis häufig für Wandanstriche verwendet. Ihre gute Luftdurchlässigkeit erschwert es den Wänden, Blasen zu bilden oder zu schimmeln, und die lockeren Anforderungen an den Feuchtigkeitsgehalt der Grundschicht verringern auch die Schwierigkeiten beim Bau.
Die Verwendung von Wasser als Rohstoff für Wasserlacke bringt jedoch auch einige Probleme mit sich. Wasser verdunstet langsam, was bedeutet, dass Farben auf Wasserbasis höhere Trocknungstemperaturen oder längere Trocknungszeiten erfordern, was den Energieverbrauch erhöht. Experimentellen Daten zufolge kann die Trocknungszeit von Wasserlacken bei gleicher Beschichtungsfläche 30% - 50% länger sein als die von Lacken auf der Basis organischer Lösungsmittel. Darüber hinaus ist Farbe auf Wasserbasis empfindlich gegenüber der Luftfeuchtigkeit in der Spritzkabine. Wenn die relative Luftfeuchtigkeit 85% übersteigt, verlangsamt sich die Geschwindigkeit der Oberflächentrocknung erheblich. Ist die Luftfeuchtigkeit gesättigt (I>90%), kann der Lackfilm sogar verlaufen, was den Beschichtungseffekt erheblich beeinträchtigt. Daher erfordert die Verwendung von Wasserlacken ein gutes Luftzirkulationssystem und eine strenge Kontrolle der Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen in der Spritzkabine. Darüber hinaus ist es für Farben auf Wasserbasis in hochdekorativen Situationen, wie z. B. bei der Außenlackierung hochwertiger Autos oder der Beschichtung von Gehäusen hochwertiger Elektronikprodukte, derzeit schwierig, die feinen dekorativen Effekte zu erzielen, die Farben auf Basis organischer Lösungsmittel aufweisen.
2. Das Geheimnis der Farbfilmbildung: die Synergie von Physik und Chemie
Der Prozess der Filmbildung oder Aushärtung von Farbe ist im Wesentlichen der Prozess, bei dem sich die Farbe nach dem Auftragen auf eine feste Oberfläche von einer Flüssigkeit in einen festen Film verwandelt, während das Lösungsmittel verdampft und die Vernetzungs- und Aushärtungsreaktion fortschreitet.
Die drei wichtigsten Lackarten - lösemittelhaltige, wasserhaltige und Pulverlacke - sind alle in der Lage, einen physikalischen Film zu bilden. Die physikalische Filmbildungsmethode von Pulverlacken unterscheidet sich jedoch erheblich von den beiden anderen. Pulverlacke haften auf der Oberfläche des Substrats hauptsächlich durch elektrostatische Anziehung oder durch Wärmeenergie. Dann werden sie über die Schmelztemperatur hinaus erhitzt, wobei der geschmolzene Polymerklebstoff unter der Wirkung der Oberflächenspannung fließt und sich ausgleicht. Nach dem Abkühlen bildet sich ein fester Lackfilm. Bei der Pulverbeschichtung von Metalltüren und -fenstern beispielsweise wird das Pulver zunächst mit einer elektrostatischen Spritzpistole gleichmäßig auf die Oberfläche der Türen und Fenster aufgebracht und dann in einen Hochtemperatur-Härteofen geschickt. Nach einer Reihe von Schritten wie Erhitzen und Schmelzen, Egalisieren und Abkühlen entsteht schließlich eine glatte, glänzende Beschichtung mit guten Schutzeigenschaften.
Die physikalische Filmbildung von Farben auf Wasserbasis und Farben mit organischen Lösemitteln hängt dagegen hauptsächlich von der Verdunstung der Lösemittel ab. Dabei kommen die Partikel der Emulsion zusammen, verformen sich und lagern sich allmählich dicht aneinander. Mit zunehmender Trocknungstemperatur diffundieren und verschmelzen die Teilchen miteinander und bilden schließlich einen durchgehenden festen Film. Nehmen wir als Beispiel eine Dispersionsfarbe auf Wasserbasis. Nach dem Streichen der Wand beginnt das Wasser langsam zu verdampfen, und die Partikel der Emulsion verbinden sich allmählich. Wenn ein bestimmter Trocknungsgrad erreicht ist, verschmelzen die Teilchen miteinander und bilden einen dichten Anstrichfilm.
Es ist erwähnenswert, dass Farben auf Wasserbasis und Farben mit organischen Lösungsmitteln auch chemisch einen Film durch eine chemische Reaktion zwischen reaktiven Gruppen bilden können, wobei ein Film mit einer vernetzten Netzwerkstruktur entsteht. Diese chemische Filmbildungsmethode kann die Leistungsindikatoren des Beschichtungsfilms, wie Härte, Verschleißfestigkeit und Chemikalienbeständigkeit, erheblich verbessern. So wird beispielsweise bei einigen Hochleistungs-Industriebeschichtungen durch eine spezielle chemische Vernetzungsreaktion eine hochgradig vernetzte Netzwerkstruktur gebildet, die in rauen Industrieumgebungen gute Schutzeigenschaften beibehält.
3. Die künftige Ausrichtung der Lackindustrie: innovationsgetriebener Wandel und Durchbrüche
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine eingehende Analyse des Entwicklungsstandes und der Filmbildungsmechanismen der gängigen Beschichtungen die derzeitige Landschaft und die Herausforderungen der Beschichtungsindustrie klar erkennen lässt. Obwohl Wasserlacke und Pulverbeschichtungen offensichtliche Vorteile in Bezug auf den Umweltschutz haben, ist es für sie aufgrund ihrer jeweiligen Einschränkungen schwierig, die dominierende Stellung von Beschichtungen auf Basis organischer Lösungsmittel kurzfristig vollständig zu ersetzen.
Obwohl Beschichtungen auf der Basis organischer Lösungsmittel eine hervorragende Leistung aufweisen, muss die von ihnen verursachte Umweltverschmutzung dringend angegangen werden. In Zukunft sollten sich die Forscher auf die Verbesserung des Vorbereitungsprozesses und der Filmbildungsmethoden konzentrieren, die Verwendung von ungiftigen oder wenig giftigen organischen Lösemitteln erforschen und die Lösemittelrückgewinnung und Recyclingtechnologie während des Filmbildungsprozesses optimieren, um die Schadstoffemissionen zu minimieren und eine grüne und nachhaltige Entwicklung zu erreichen. So versuchen beispielsweise einige wissenschaftliche Forschungseinrichtungen, neue Formulierungen für organische Lösungsmittel zu entwickeln, um die Flüchtigkeit und Toxizität von Lösungsmitteln zu verringern und gleichzeitig ihre Verwendung während des Filmbildungsprozesses zu verbessern.
Beschichtungen auf Wasserbasis sind ein wichtiger Vertreter umweltfreundlicher Beschichtungen, aber ihre Unfähigkeit, hohe dekorative Anforderungen zu erfüllen, schränkt ihre weitere Anwendungsbreite ein. Daher sollte sich die künftige Forschung auf die Modifizierung von Wasserlacken durch die Einführung neuer funktioneller Additive und die Optimierung der Harzstruktur konzentrieren, um ihre dekorativen Eigenschaften zu verbessern und sie in die Lage zu versetzen, sich in hochdekorativen Anwendungen zu bewähren. Durch die Zugabe von nanoskaligen Pigmenten und Füllstoffen können beispielsweise die Farbbrillanz und der Glanz von Wasserlacken verbessert werden, während gleichzeitig die Härte und die Verschleißfestigkeit des Lackfilms erhöht werden.
Bei Pulverbeschichtungen geht es in erster Linie darum, die technischen Schwierigkeiten bei der Staubbehandlung zu überwinden, effizientere Entstaubungsanlagen und -verfahren zu entwickeln und dafür zu sorgen, dass die Staubemissionen während der Produktion und des Lackiervorgangs ein niedrigeres Niveau erreichen. Gleichzeitig wird der Aufbereitungsprozess von Pulverlacken optimiert, um die Aushärtungstemperatur zu senken, den Energieverbrauch zu reduzieren und den Anwendungsbereich auf nichtmetallischen Untergründen, übergroßen Metallteilen und Metallteilen mit komplexen Formen zu erweitern. So kann beispielsweise durch den Einsatz neuer Niedrigtemperatur-Härter die Aushärtungstemperatur von Pulverlacken gesenkt und der Energieverbrauch reduziert werden. Außerdem wurden spezielle Vorbehandlungsverfahren entwickelt, um die Haftung von Pulverlacken auf nichtmetallischen Substraten zu verbessern.
Kurz gesagt, die Beschichtungsindustrie befindet sich an einem Scheideweg der innovativen Entwicklung. Nur wenn wir kontinuierlich technische Engpässe durchbrechen und bestehende Probleme lösen, können wir in einer Zeit immer strengerer Umweltschutzanforderungen und immer vielfältigerer Marktanforderungen eine nachhaltige Entwicklung erreichen und bessere, umweltfreundlichere und leistungsfähige Beschichtungsprodukte für viele Bereiche wie Bau, Industrie und Verkehr anbieten.
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