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W´Pur Si – silanfunktionelle

Polyurethane für vielfältige

Anwendungen

Dr. Anke Wiegand

Lars Ossenschmidt

2018-09-25/26

Bad Neuenahr – Ahrweiler/Hiddenhausen

I 2 I

Agenda

1. Einleitung

2. chemischer Aufbau

3. Vernetzung und Vororientierung der Bindemittel

4. grundsätzliche Eigenschaften

5. Anwendungsbeispiele

6. Zusammenfassung

7. verfügbare Produkte

I 3 I

Einleitung

Alkydharz 2 K PU

2 K EP 2 K Urea

alternative Vernetzung

Isocyanate chem. Beständigkeit

Sikkative /

Antihautmittel

Trocknung /

Vernetzung

Lichtbeständigkeit Kennzeichnung

Lösemittelanteil

Topf- und

Verarbeitungszeit

I 4 I

Vorgaben

• Trocknung bei Raumtemperatur

• festkörperreich

• verfügbare Rohstoffbasis

• akzeptable Topf- bzw. Verarbeitungszeiten

• gute Trocknungseigenschaften

• gute Beständigkeitseigenschaften

• Nutzung bestehender Verfahren und Rohstoffe zur Formulierung von

Lacken und Farben

I 5 I I 5 I

Chemischer Aufbau

I 6 I I 6 I

Chemischer Aufbau

W‘Pur Si sind silanmodifizierte Poly(urethanurea)verbindungen

Blockcopolymere mit Hart- und Weichsegmenten

anorganisch – organisches Hybridsystem

N C

O

N R N

H H H

C O R O C N

O O

H

R N

H

C

O

N

H

Si(OEt)3RR(OEt)3Si

Hartsegment: starre Urethan / Urea – Gruppen

Zugfestigkeit, Härte, Abriebfestigkeit

Weichsegment: flexible Polyol – Gruppe

Thermoplastische Eigenschaften

Chemikalien-, Hydrolysebeständigkeit, Kälteflexibilität

Urea / Harnstoff Urea / Harnstoff Urethan

Alkoxysilan Alkoxysilan

I 7 I I 7 I

g-Silanterminiert langsamere Reaktion als a-Silanterminierte PU

höhere Flexibilität, Hydrophobizität und thermische

Stabilität

Ethoxysilangruppen Freisetzen von Ethanol anstelle von Methanol bei

der Hydrolyse

langsamere Hydrolyse als Methoxysilan

bessere Lagerstabilität

Chemischer Aufbau von W‘Pur Si

a OCH

3

OCH3

OCH3

Si

a

N CH2

H

R

b

g a OC

2H

5

OC2H5

OC2H5

Si

N

H

R

a

I 8 I I 8 I

mögliche Polyole

W´Pur Si Alkydharz

Polyester

Polycaprolacton Polycarbonat

Polyether

Acrylat

I 9 I I 9 I

Alkyd Polyester Polycaprolacton Polycarbonat Polyether Acrylat

Lösemittelbeständigkeit Gering Gut Gut Hoch Gering Gut

Hydrolysebeständigkeit Gering Gering Gut Hoch Gut Gut

Lichtbeständigkeit Gering Mittel Gut Hoch Gering Mittel

Härte Niedrig Mittel Niedrig Mittel Niedrig Mittel

Flexibilität Hoch Gut Hoch Gut Hoch Gut

Polyole – Vergleich der Eigenschaften

I 10 I I 10 I

Alkyd Polyester Polycaprolacton Polycarbonat Polyether Acrylat

Lösemittelbeständigkeit Gering Gut Gut Hoch Gering Gut

Hydrolysebeständigkeit Gering Gering Gut Hoch Gut Gut

Lichtbeständigkeit Gering Mittel Gut Hoch Gering Mittel

Härte Niedrig Mittel Niedrig Mittel Niedrig Mittel

Flexibilität Hoch Gut Hoch Gut Hoch Gut

Polyole – Vergleich der Eigenschaften

I 11 I I 11 I

Vernetzung und Vororientierung

der Bindemittel

I 12 I I 12 I

Hydrolyse

Polykondensation

Kondensation mit Alkohol (Si-OH > H2O)

Kondensation mit Wasser (H2O > Si-OH)

Silanvernetzung – Sol / Gel-Prozeß

Si OR + H2O

Hydrolyse

Veresterung

Si OH + ROH

Si+Si OH + ROHRO Si O Si

Alkoholkondensation

Alkoholyse

Si+Si OH +Si O SiHO H2O

Wasserkondensation

Hydrolyse

I 13 I I 13 I

Katalysator – W´Add VP 2100 / 2110

Brönstedt Säure

Diester der Phosphorsäure

Katalyse der Hydrolyse und Kondensation

Vernetzung abhängig von

Art und Menge Katalysator

untergeordnet abhängig von

Wassermenge, Hydrophobizität Bindemittel,

Diffusionsgeschwindigkeit des Wassers im Film

Silanvernetzung - Katalysator

P

O

HO O

O

CH3

H3C

H3C

H3C

I 14 I I 14 I

Phasenseparation bei der Filmbildung – thermoplastisches Polymer TPU

Bildung von kristallinen / glasartigen harten Bereichen in elastomerer /

weicher Matrix (flexibles Polyol) durch die Ausrichtung der polaren Hart-

segmente (starre Urethan / Ureagruppen)

→ Ungewöhnliche Eigenschaften von W‘Pur Si z. B. Chemikalienbeständigkeit

http://www.whatischemistry.unina.it/en/pu6.jpg

https://www.tpu.covestro.com/~/media/Product%20Center/TPU/Images/Technologies/English/chemico_physical_structure_2.jpg

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/eb/Polymerstruktur-TPE-teilkristallin.svg/140px-Polymerstruktur-TPE-teilkristallin.svg.png

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/98/Polymerstruktur-TPE-teilkristallin_gestreckt.svg/250px-Polymerstruktur-TPE-teilkristallin_gestreckt.svg.png

Bildung von Überstrukturen

I 15 I I 15 I

Harnstoff / Urea – Gruppen im Vergleich zu Urethangruppen zwei Möglich-

keiten zur Bildung von Wasserstoffbrücken

Urethan einzähnig Urea einzähnig zweizähnig

Phasenseparation ausgeprägter, Schmelzbereich der Hartsegmente größer,

intermolekulare Polymerwechselwirkung stärker und damit verbunden

Zugfestigkeit höher als bei Polyurethanen

Bildung von Überstrukturen

O

N

H

O

N

H

O

N

H

O

N

H

H

H

N

N

O

N

H

O

N

H

H

H

N

N

I 16 I I 16 I

Verbrückung der einzelnen Polymerketten über die Wasserstoffbrücken

Leitersprossen

Bildung von Überstrukturen

O

N

H

O

N

H

H

H

N

NN

H

O

O

N

H

O

O

N

N

H

H

NN

NN

HH

HH

O

O

O

N

H H

NN

H

OO

N

H

NN

HH

O

Vorteil: Höhere Vororientierung des Films vor der Vernetzung

Sehr beständiger Film

Nachteil: Höhere Viskosität als bei reinen Urethanen

I 17 I I 17 I

Eigenschaften der Bindemittel

I 18 I

Grundsätzliche Eigenschaften

• isocyanatfreie Härtung (NISO)

• sehr schnelle Trocknung / Vernetzung

• frühe chemische und mechanische Belastbarkeit

• lange Verarbeitungszeiten

• Verdopplung der Viskosität bedeutet nicht Ende der

Verarbeitungszeit

I 19 I

Trocknung in verschiedenen Schichtdicken

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

100 µm

150 µm

250 µm

400 µm

Minuten

Trockengrad 4 und 6 eines 2 K Industriedecklackes

TG 6 TG 4

I 20 I

2 K Industrielack – Härteentwicklung

40

60

80

100

120

140

160

180

2 h 24 h 48 h 72 h 1 Woche 2 Wochen

Pe

nd

elh

ärt

e [

sec

]

Pendelhärte Industriedecklack 2 K W´Pur Si vs. 2 K PU

W´Pur Si 2 K PU HS 4,5%

I 21 I

2 K Industrielack – Härteentwicklung

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

1 h RT 24 h RT 1 W RT 1 h RT 24 h RT 1 W RT

Pe

nd

elh

ärt

e [

sec

]

Pendelhärte Industriedecklack 2 K W´Pur Si vs. 2 K PU

W´Pur Si 2 K PU HS 4,5%

30 min 60°C 30 min 80°C

I 22 I

frühe chemische Beständigkeit

2 K Decklack silanmodifiziertes Polyurethan Basis Carbonatdiol

Trocknung bei Raumtemperatur

MEK Beständigkeit, Doppelhübe

6 h RT > 200 DH

24 h RT > 200 DH

1 Woche RT > 200 DH

Prüfungen wurden nach 6 h, 24 h und 1 Woche Trocknung

durchgeführt

Belastungszeit

Superbenzin 2 h keine Veränderung der Oberfläche, keine Erweichung

Diesel 24 h keine Veränderung der Oberfläche, keine Erweichung

Ethanol 2 min keine Veränderung der Oberfläche, keine Erweichung

Getriebeöl 7 Tage 80°C keine Veränderung der Oberfläche, keine Erweichung

I 23 I

2 K Klarlack – Viskositätsanstieg nach Zugabe Katalysator

80

90

100

110

120

130

140

Start 2 h 6 h 24 h 48 h 1 Woche 2 Wochen 3 Wochen 4 Wochen 5 Wochen 7 Wochen

Au

sla

ufz

eit [

sec

]

Viskositätsanstieg 4 mm Auslaufbecher

I 24 I

2 K Klarlack – Viskositätsanstieg Industriedecklack

10

20

30

40

50

60

Start 2 h 4 h 6 h 24 h 48 h 1 Woche

Au

sla

ufz

eit [

sec

]

Viskositätsanstieg Industriedecklack 2 W´Pur Si vs. 2 K PU

W´Pur Si 2 K PU 4,5%

I 25 I

Anfangs- und Endhärte nach Lagerung

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

Start Start 1 Woche 1 Woche 2 Wochen 2 Wochen 4 Wochen 4 Wochen 7 Wochen 7 Wochen

Pe

nd

elh

ärt

e [

sec

]

Lagerdauer

Härteentwicklung Klarlack

I 26 I I 26 I

Anwendungsbeispiele

I 27 I

Anwendungsbeispiele

• grundsätzlich eignen sich die W´Pur Si Bindemittel zum Einsatz in

nahezu allen Lackanwendungen, wo lösemittelhaltige Bindemittel

zum Einsatz kommen

Soft-Feeling Lack

Industrielack

Anti-Graffiti Lack

Anti-Rutsch Lack

Möbellack

Autoreparaturlack

Einbrennlack Lasur

Klarlack Maler- und Bautenlack

Schnellrenovierfarbe

Schwimmbadfarbe

Fahrzeuglack

Parkettlack

Fußbodenlack

Containerlack

I 28 I I 28 I

2 K Ultra High Solid Decklack

- Industrie -

I 29 I

2 K UHS Decklack – Vorgaben

• nfA´s > 85% angestrebt

• Einsparung von Lösungsmitteln

• Applikation höherer Schichtdicken zur Einsparung von Arbeitsgängen

• schnelle Trocknung notwendig

I 30 I

2 K UHS Decklack, seidenglänzend – Rezeptur

Rohstoff Anteil

W´Pur VP Si 4011 80% 21,25 silanfunktionelles Polyurethan, flexibel

W´Pur VP Si 2021 75% 11,00 silanfunktionelles Polyurethan, hart

Tetraethylorthosilikat 15,10 Reaktivverdünner

Hi-Sil T 800 0,05 Antiabsetzmittel

Blanc fixe micro 22,00 Füllstoff

Kronos 2360 20,00 Titandioxid

Finntalc M 15 8,00 Füllstoff

Monarch 430 0,02 Ruß

Hansa Add 4090 0,05 Oberflächenadditiv

W´Add 6236 0,50 Entschäumer

Ethoxypropanol 2,03 Lösungsmittel

W´Add VP 2100 1,60 Katalysator

I 31 I

2 K UHS Decklack – technische Daten

Methode Wert

Nichtflüchtiger Anteil ca. 90% (inklusive RV)

Dichte, 20°C 1,57 g/cm³

VOC - Gehalt < 160 g/l

Auslaufzeit DIN 53211-4, 20°C 130 sec

Auslaufzeit DIN 53211-6, 20°C 30 sec

Rheometer RS 1, 20°C < 1000 mPas

Verarbeitungszeit > 24 Stunden

Haftung auf gestrahltem Stahl,

phosphatiertem Stahl

sehr gut

I 32 I

2 K UHS Decklack – Trocknungseigenschaften

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Trocknung RT

Min

ute

n

Trocknung 200 µm Naßfilm ~ ca. 80 µm DFT

staubtrocken klebfrei TG 4 TG 6 TG 7

I 33 I

2 K UHS Decklack – chemische Beständigkeit

Substanz Belastungszeit Ergebnis

Superbenzin 1 h keine Veränderung

Diesel 24 h keine Veränderung

Bremsflüssigkeit 24 h keine Veränderung

Kühlerfrostschutz 24 h keine Veränderung

Hydrauliköl 24 h keine Veränderung

Isopar L 24 h keine Veränderung

Ethylacetat 5 min keine Veränderung

Xylol 5 min keine Veränderung

Aceton 5 min keine Veränderung

Schmiermittel 24 h keine Veränderung

I 34 I I 34 I

2 K Seidenglanzlack

- Malerlack -

I 35 I

Malerlack – Vorgaben

• schnelle Trocknung

• frühe Belastbarkeit

• geringe Vergilbung

• möglichst keine Aldehydabspaltung

• gute Ausbildung des Glanzgrades

I 36 I

Malerlack – Rezeptur

Rohstoff Anteil

W´Pur VP Si 1021 70% 45,00 silanfunktionelles Polyurethan, Alkyd basiert

W´Pur VP Si 4021 75% 4,80 silanfunktionelles Polyurethan, Carbonatdiol

W´Add 810 P 10% 2,50 Antiabsetzmittel

Kronos 2360 30,00 Titandioxid

Acematt TS 100 2,00 Mattierungsmittel

DowSil 205 SL 0,05 Oberflächenadditiv

entaromatisierte KW 160-200 10,65 Lösungsmittel

Ethoxypropanol 5,00 Lösungsmittel

W´Add VP 2110 0,55 Katalysator

I 37 I

Malerlack – technische Daten

Methode Wert

Nichtflüchtiger Anteil ca. 67%

Dichte, 20°C 1,21 g/cm³

VOC - Gehalt < 400 g/l

Grenzwert ChemVOCFarb Kat A/i 500 g/l

Viskosität CAP 1000 L, Spd.4, 20°C ca. 5 Poise

Verarbeitungszeit 24 – 48 Stunden

I 38 I

Malerlack – Trocknung

0 50 100 150 200 250

hochwertiges HS Alkyd

W´Pur VP Si 1021

time [min]

Drying Recorder seidenglänzender Malerlack Basis hochwertiges HS Alkyd vs. W´Pur VP Si 1021

Verlaufspur Grundspur Aufrissphase Oberflächenspur

I 39 I

Malerlack – Härteentwicklung

22

26

30

34

38

42

46

4 h 6 h 24 h 48 h 72 h 1 Woche

Pen

del

här

te [

sec]

Pendelhärte seidenglänzender Malerlack hochwertiges HS Alkyd vs. W´Pur VP Si 1021

hochwertiges HS Alkyd W´Pur VP Si 1021

I 40 I

Malerlack – Glanzausbildung

30

35

40

45

50

55

60

65

70

6 h 24 h 48 h 1 Woche

Gla

nzg

rad

60

° M

essw

inke

l

Glanzgrad seidenglänzender Malerlack hochwertiges HS Alkyd vs. W´Pur VP Si 1021

hochwertiges HS Alkyd W´Pur VP Si 1021

I 41 I

Malerlack – Vergilbung

66

70

74

78

82

86

Start 2 h 4 h 6 h 8 h

Wh

ite

Ind

ex

Schnellvergilbung 80°C seidenglänzender Malerlack hochwertiges Alkydharz vs. W´Pur VP Si 1021

normales HS Alkyd W´Pur VP Si 1021

I 42 I I 42 I

2 K Möbellack

- Industrie / Handwerk -

I 43 I

2 K Möbellack – Vorgaben

• schnelle Trocknung

• frühe Überarbeitbarkeit

• gute Schleifbarkeit

• lange Verarbeitungszeiten

• gute chemische Beständigkeit

I 44 I

2 K Möbellack – Rezeptur

Rohstoff Anteil

W´Pur VP Si 2031 75% 46,15 silanfunktionelles Polyurethan, Polyester

CAB 551-0,2 25% 6,00 Co-Bindemittel, Cellulose-Aceto-Butyrat

Acematt TS 100 2,25 Mattierungsmittel

DowSil 56 0,15 Oberflächenadditiv

Ethoxypropanol 16,70 Lösungsmittel

Butylacetat 26,50 Lösungsmittel

n - Propanol 2,25 Lösungsmittel

W´Add VP 2100 1,25 Katalysator

I 45 I

2 K Möbellack – technische Daten

Methode Wert

Nichtflüchtiger Anteil 37%

Dichte, 20°C 0,96 g/cm³

VOC - Gehalt 605 g/l

Auslaufzeit DIN 53211-4, 20°C 20 sec

Verarbeitungs- / Topfzeit ca. 1 Woche

I 46 I

2 K Möbellack – Trocknungseigenschaften

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Trocknung RT

Min

ute

n

Trocknung 100 µm Naßfilm

staubtrocken klebfrei TG 4 TG 6

I 47 I

2 K Möbellack – Härteentwicklung

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

2 h 6 h 24 h 48 h 1 Woche

Pe

nd

elh

ärt

e [

sec

]

Pendelhärte 2 K Möbellack

I 48 I

2 K Möbellack – Topf- / Verarbeitungszeit

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

Start 2 h 6 h 24 h 48 h 1 Woche 2 Wochen

Au

sla

ufz

eit [

sec

]

Viskositätsanstieg 4 mm Auslaufbecher

I 49 I

2 K Möbellack – chemische Beständigkeit

Substanz Belastungszeit Ergebnis

Essigsäure 1 h keine Veränderung

Zitronensäure 1 h keine Veränderung

Ammoniakwasser 2 min keine Veränderung

Ethanol 1 h sehr leichte Veränderung

Rotwein 6 h keine Veränderung

Kaffee 16 h keine Veränderung

Kondensmilch 16 h keine Veränderung

Wasser 16 h keine Veränderung

Benzin 2 min sehr leichte Veränderung

Aceton 10 sec keine Veränderung

Butylacetat 10 sec keine Veränderung

Senf 6 h sehr leichter Gelbstich

I 50 I I 50 I

Zusammenfassung

I 51 I

Zusammenfassung

• die Produkte der W´Pur Si – Reihe eignen sich grundsätzlich zur

Formulierung von hochwertigen Lacken und Farben

• man erreicht sehr kurze Trocknungs- und Vernetzungszeiten

• aufgrund der Vororientierung (Überstrukturen) und schnellen

Vernetzung erhält man chemisch und mechanisch früh belastbare

Lackfilme

• die Topf- und Verarbeitungszeiten sind in der Regel deutlich länger

als bei anderen 2 K Systemen

• grundsätzlich bedeutet eine Verdoppelung der Viskosität nicht das

Ende der möglichen Verarbeitung

I 52 I

Zusammenfassung

• aufgrund der breiten Auswahl an verschiedenen Polyolen lassen sich

Bindemittel für verschiedenste Anwendungen entwickeln

• es lassen sich konventionelle und auch sehr festkörperreiche Lacke

formulieren, ggf. ist der Einsatz von Reaktivverdünnern notwendig

• es können übliche Lackrohstoffe und Herstellungsverfahren

verwendet werden

• die Härtung erfolgt isocyanatfrei (NISO)

I 53 I I 53 I

verfügbare Produkte

I 54 I I 54 I

Welche Produkte haben wir aktuell?

Bezeichnung Lieferform Basispolyol Anwendungen

W´Pur VP Si 1021 70% in entaromat. KW 180-220 / Dowanol DPM

Alkyd, nichttrocknend Malerlacke, Lasuren, Klarlacke, Öle, Parkett Lacke

W´Pur VP Si 4021 75% in entaromat. KW 180-220 / Dowanol DPM

Carbonatdiol Malerlacke, Lasuren, Klarlacke, Öle, Parkett Lacke, Fliesenlacke

W´Pur VP Si 2021 75% in Butylacetat / n-Propanol Polyester, Hartsegment modifiziert

Industrielacke, Holzlacke, Glaslacke

W´Pur VP Si 2031 75% in Butylacetat / n-Propanol Polyester Industrielacke, Holzlacke, Glaslacke

W´Pur VP Si 4011 80% in Butylacetat / n-Propanol Carbonatdiol Industrielacke, Holzlacke, Glaslacke, Bodenbeschichtungen

W´Pur VP Si 5011 75% in Butylacetat / n-Propanol Polyether Soft-Feeling, Anti-Rutsch, Holz- und Industrielacke

I 55 I I 55 I

Welche Produkte haben wir aktuell?

Bezeichnung Lieferform spezielle Eigenschaften

W´Pur VP Si 1021 70% in entaromat. KW 180-220 / Dowanol DPM

- für streichfähige Lacke gegen Alkydharze - nicht vergilbend - sehr geringe Aldehydabspaltung

W´Pur VP Si 4021 75% in entaromat. KW 180-220 / Dowanol DPM

- schnell trocknend - nicht vergilbend - keine Aldehydabspaltung - gute Haftungseigenschaften - Kombinationspartner für Alkyd basierte, silanfunktionelle Polyurethane

W´Pur VP Si 2021 75% in Butylacetat / n-Propanol - Hartsegment modifiziert - sehr hohe Anfangs- und Endhärte

W´Pur VP Si 2031 75% in Butylacetat / n-Propanol - gute Balance zwischen Härte und Flexibilität - gut für Einbrennlacke geeignet

W´Pur VP Si 4011 80% in Butylacetat / n-Propanol - hohe Flexibilität - gute Haftungseigenschaften

W´Pur VP Si 5011 75% in Butylacetat / n-Propanol - gummiartige Oberfläche - sehr kratzfest

I 56 I I 56 I

Vielen Dank für

Ihre Aufmerksamkeit!

Fragen?

Sämtliche Lieferungen und/oder Leistungen erfolgen ausschließlich auf Grundlage unserer Allgemeinen Geschäftsbedingungen in der jeweils gültigen Fassung, die wir Ihnen auf Nachfrage gern zur Verfügung stellen und im Internet unter www.worlee.de/AGB abgerufen werden können.