Forschungsinstitut für Pigmente und Lacke, Stuttgart, FPL

Überprüfung der Kompatibilität von ausgewählten Decklacken mit dem Primer 900226/32

Auftraggeber: Zipperling Kessler & Co(GmbH & Co).

Autoren: Dr. T. Schauer, Dipl. Chem. A. Joos, E. Praschak

Stuttgart, 24.07.1996

1. Fragestellung und Ziel der Untersuchungen

Beim Korrosionsschutz von Stahl mit organischen Beschichtungen sind mehrere Faktoren von Bedeutung. Die Eigenschaften der Grundierung wie die Haftung, Porosität und die direkte Inhibition der Korrosionsreaktionen spielen hier die bestimmende Rolle. Solche Faktoren wie die Zwischenschicht-Haftung, Porosität und Härte des Decklacks sind ebenfalls als wichtige Einflußgrößen anzusehen.

Das Ziel dieser Arbeit war die Prüfung der Kompatibilität von Decklacken auf der Basis von unterschiedlichen Bindemitteln mit dem Polyanilinprimer. Gemessen werden soll die Pendelhärte, Trocken- sowie Naßhaftfestigkeit. Für ausgewählte Decklacke sollen zusätzlich der Salzsprühtest und die Freibewitterung durchgeführt werden.

2. Experimentelles

2.1 Substrat

Als Substrat dienten Karosseriestahl-Panels (150x80x1,5 mm) der Fa. Mercedes-Benz. Die Panels wurden mit Elektrokorund NK 1 Nr. 100 der Fa. Würth gestrahlt und anschließend in einem Gemisch aus Aceton, Ethylacetat und Xylol (1:1:1) entfettet.

2.2 Beschichtungen

Der Polyanilinprimer 900226/32 wurde durch Luftdruckspritzen aufgebracht. Die Schichtdicke nach dem Trocknen betrug durchschnittlich 27,7 ± 2,5 µm.

Die Decklacke wurden nach Trocknung der Grundierung (24 h) aufgespritzt. Die Rezepturen waren vorgegeben und wurden nur zur Verbesserung der Spritzbarkeit mit Verdünner ergänzt. In der Tabelle 1 sind Rezepturen der Decklacke und die Schichtdicken angegeben. Es wurden insgesamt sechs Zweischicht- und zwei Dreischicht-Systeme hergestellt.

2.3 Klimatisieren

Die beschichteten Panels wurden zur vollständigen Trocknung und Aushärtung der Beschichtungen in einem Klimaraum bei konstanter Temperatur 23°C und 55% r. F. gelagert. Der Zustand der Beschichtungen wurde durch Messung der Pendelhärte nach König (DIN 53 157, 1/87) beurteilt.

2.4 Messung der Trocken- und Naßhaftfestigkeit

Zur Messung der Trockenhaftfestigkeit wurden auf die Beschichtungen Stempel (7mm) mit einem 2K-Epoxidkleber fixiert und anschließend mit einem Abziehgerät der Fa. Instron abgezogen. Die Abreißkräfte wurden mit einem Meßwertaufnehmer erfaßt und aus fünf unabhängigen Messungen gemittelt.

Tabelle 1

Rezepturen und Schichtdicken von untersuchten Decklacken auf dem Polyanilinprimer

*Zwischenschichtdicke, **Gesamtschichtdicke

Zur Messung der Naßhaftfestigkeit wurden die Proben in destilliertem Wasser gelagert. Zu bestimmten Zeitpunkten wurden die Proben entnommen und analog zur Messung der Trockenhaftfestigkeit vermessen. Da durch die Wasserlagerung die Haftfestigkeit der Beschichtung abfällt, konnten bei dieser Messung die Stempel mit einem handelsüblichen Sekundenkleber auf der Beschichtung fixiert werden.

2.5 Salzsprühtest gemäß DIN 50021-SS

Drei Zweischicht-Systeme: 'Decklack 1', 'Decklack 5' und 'Decklack 6' wurden dem Salzsprühtest unterworfen. Jeweils zwei Panels für jedes System wurden mit einem Ritzstichel nach Sikkens eingeritzt. Die Rückseite der Proben wurde mit einer Klebfolie und die Kanten zusätzlich mit einem Schutzlack versehen. Die so vorbereiteten Panels wurden in einer Sprühkammer der Fa. Erichsen permanent mit einer NaCl-Lösung (50g NaCl pro 1l Wasser, pH 7) besprüht. Die Kammer wurde während des Tests auf 35°C erwärmt.

Zu bestimmten Zeitpunkten wurden die Panels entnommen und visuell die Unterwanderung (DIN 53 167), der Blasengrad (DIN 53 209) und der Rostgrad (DIN 53 210) beurteilt.

2.6 Freibewitterung

Jeweils zwei Panels von gleichen Decklacksystemen wie beim Salzsprühtest wurden am 03.05.96 in Hoeck van Holland dem dortigen Klima und sonstigen Umwelteinflüssen ausgesetzt. Die Beschichtungen wurden eingeritzt und die Panels auf der Rückseite mit einer Klebfolie und die Kanten zusätzlich mit einem Schutzlack versehen.

Für die Freibewitterung ist ein Zeitraum von mindestens zwei Jahren vorgesehen. Die erste Kontrolle der Panels wird in Oktober 1996 erfolgen und die Ergebnisse dem Auftraggeber vorgelegt.

3. Meßergebnisse

3.1 Pendelhärte nach König

Die gemessenen Pendelhärtewerte sind für Zweischicht-Lacksysteme in Abb.1 und für Dreischicht-Lacksysteme in Abb. 2 zusammengestellt.

Aus der Abb. 1 geht hervor, daß die Pendelhärte der untersuchten Lacksysteme stark vom jeweiligen Decklack abhängig ist. Es läßt sich eine bestimmte Reihenfolge der Decklacke nach ihrer Pendelhärte aufstellen:

'Decklack 1' > 'Decklack 4' > 'Decklack 6' > 'Decklack 5' > 'Decklack 3' > 'Decklack 2'

Betrachtet man die jeweiligen Bindemmitel, so stellt man fest, daß es sich keine allgemeine Abhängigkeit zwischen der Art des Bindemittels und der Pendelhärte aufstellen läßt, ein Epoxid-Decklack ('Decklack 1') weist z.B. die höchsten Pendelhärte-Werte auf, gleichzeitig ist ein anderer Epoxid-Decklack ('Decklack 2') durch die niedrigsten Pendelhärte-Werte charakterisiert.

Es ist ersichtlich, daß sowohl die zeitlichen Veränderungen wie die Endwerte der Pendelhärte für jeden eingesetzten Decklack unterschiedlich sind und müssen jeweils verfolgt werden.

3.2 Trocken- und Naßhaftfestigkeit

Die Ergebnisse der Trocken- und Naßhaftfestigkeits-Messungen sind in den Abbildungen 3 bis 6 graphisch zusammengestellt. Betrachtet man die Trockenhaftfestigkeit (Zeitpunkt der Messung: 0), so bilden die untersuchten Lacksysteme die folgende Reihe:

'Decklack 3' > 'Decklack 5' > 'Decklack 4' > 'Decklack 1'/'Decklack 4' > 'Decklack 2' > 'Decklack 1'/'Decklack 3' > 'Decklack 1'>'Decklack 6'.

Abb. 1 Pendelhärte nach König für die untersuchten Zweischicht-Lacksysteme

Abb. 2 Pendelhärte nach König für die untersuchten Dreischicht-Lacksysteme

Werden die Lacksysteme durch Tauchen in Wasser beansprucht und die Änderungen der Haftfestigkeit verfolgt, so erhält man zusätzliche Informationen über die Beständigkeit der untersuchten Systeme, wobei Aussagen über die Kompatibilität des Polyanilinprimers und des jeweiligen Lackes ebenfalls gemacht werden können.

In Abb. 3 sind die Abreißfestigkeitswerte für 'Decklack 3'- und 'Decklack 1'/'Decklack 3'-Lacksysteme dargestellt.

Abb. 3 Trocken- und Naßhaftfestigkeit von 'Decklack 3'- und 'Decklack 1'/'Decklack 3'-Lacksystemen; KD - Kohäsionsbruch im Decklack, KG - Kohäsionsbruch in der Grundierung, ZB - Zwischenschichtbruch im Bereich der Decklacke

Für den 'Decklack 3'-Decklack auf dem Polyanilinprimer konnten lediglich die Kohäsionsbrüche in der ersten Phase der Untersuchung festgestellt werden. Mit der Zeit zeigte sich eine steigende Tendenz zur Verschiebung der Bruchstelle in die Grundierung hinein. In der Endphase der Untersuchung wurden bereits 50% des Bruches in der Grundierung beobachtet, es fand allerdings kein Adhäsionsbruch statt. Die Ergebnisse weisen auf eine generell gute Kompatibilität des 'Decklack 3'/Polyanilinprimer-Systems auf. Für dieses System, jedoch mit einer zusätzlichen 'Decklack 1'-Zwischenschicht, wurde ebenfalls kein Adhäsionsbruch beobachtet; im Laufe der Messungen machte sich allerdings eine schwächere Zwischenschichthaftung zwischen 'Decklack 1'- und 'Decklack 3'-Decklack bemerkbar.

In Abb. 4 sind die Ergebnisse der Trocken- und Naßhaftfestigkeit für 'Decklack 4'- und 'Decklack 1'/'Decklack 4'-Lacksysteme zusammengestellt. Für diese Systeme konnte eine noch bessere Kompatibilität zwischen dem Polyanilinprimer und dem 'Decklack 4'-Decklack festgestellt werden, es konnten keine Adhäsionsbrüche nachgewiesen werden, die Enthaftung fand hauptsächlich im Bereich des Decklackes statt. Es wurde ebenfalls eine gute Haftung zwischen 'Decklack 1' und 'Decklack 4' festgestellt.

Abb. 4 Trocken- und Naßhaftfestigkeit von 'Decklack 4'- und 'Decklack 1'/'Decklack 4'-Lacksystemen; KD - Kohäsionsbruch im Decklack, KG - Kohäsionsbruch in der Grundierung

Für die Beschichtungssysteme 'Decklack 1' und 'Decklack 2' sind die Abreißfestigkeitswerte in Abb. 5 dargestellt. Für die beiden Systeme konnte eine gute Kompatibilität festgestellt werden, es traten keine Adhäsionsbrüche ein, wobei die Bruchstelle vorwiegend im Bereich des Decklackes lag.

Abb 6 stellt die Ergebnisse der Haftfestigkeitsmessungen für 'Decklack 5'- und 'Decklack 6'-Systeme dar. Für 'Decklack 5' wurde, trotz des hohen Trockenhaftfestigkeitswertes, eine deutliche Beeinträchtigung der Naßhaftfestigkeit des Polyanilinprimers festgestellt. In der Endphase der Untersuchung konnte fast ausschließlich der Adhäsionsbruch beobachtet werden, wobei die absoluten Werte der Abreißfestigkeit sich noch über der Grenze der vollständigen Delamination aufhielten.

Für das 'Decklack 6'-System wurden von vornherein relativ niedrige Abreißfestigkeitswerte, bei einem überwiegenden Kohäsionsbruch im Decklack erfaßt. Mit der Zeit verschob sich die Bruchstelle immer mehr in die Phase der Grundierung hinein. Die niedrigen Werte der Abreißfestigkeit zeigen, daß der Polyanilinprimer und der 'Decklack 6' nicht kompatibel sind und daß sich die schwache Stelle dieses Systems im Grenzbereich zwischen beiden Beschichtungen befindet. Dort diffundiert Wasser überwiegend hinein, und führt zu einem vorzeitigen Kohäsionsbruch. Bei diesem System ist eine beschleunigte Blasenbildung zu erwarten.

Abb. 5 Trocken- und Naßhaftfestigkeit von 'Decklack 1'- und 'Decklack 2'-Lacksystemen; KD - Kohäsionsbruch im Decklack, KG - Kohäsionsbruch in der Grundierung

Abb. 6 Trocken- und Naßhaftfestigkeit von 'Decklack 5'- und 'Decklack 6'-Systemen; KD - Kohäsionsbruch im Decklack, KG - Kohäsionsbruch in der Grundierung, AB - Adhäsionsbruch

3.3 Salzsprühtest

Der Salzsprühtest wurde an angeritzten Panels für drei Lacksysteme - 'Decklack 1', 'Decklack 5' und 'Decklack 6' durchgeführt. Beurteilt wurde die Unterwanderung, Blasenbildung und der Rostgrad. Die Ergebnisse dieses Tests sind in Tabelle 2 zusammengestellt.

Tabelle 2

Ergebnisse des Salzsprühtests nach DIN 50021-SS

*U - Unterwanderung (DIN 53 167), **B - Blasenbildung (DIN 53 209), ***R - Rostgrad (DIN 53 210), k**** - keine

Die Untersuchung zeigte, daß alle drei Lacksysteme einen sehr effizienten Korro-sionsschutz sowie eine vollständige Unterdrückung der Unterwanderung über die Dauer von über 1000 h gewährleisteten, dies ist als ein Indiz auf die guten Korrosionsschutzeigenschaften des Polyanilinprimers anzusehen. Für den 'Decklack 6' konnte allerdings eine erhebliche Neigung zur Blasenbildung festgestellt werden, die sich bereits nach 72 h bemerkbar machte. Das Gleiche betrifft den 'Decklack 5'-Decklack, wobei hier die Blasenbildung erst nach 337 h beobachtet werden konnte. Die Ergebnisse des Salzsprühtests weisen generell auf eine jeweils notwendige Überprüfung der Kompatibilität des Polyanilinprimers und des Decklackes hin.

4. Schlußfolgerung

1. Die Messungen der Haftfestigkeit von Beschichtungen mit dem Polyanilinprimer zeigten, daß diese Grundierung in der Regel auf der Stahloberfläche haftet. In den meisten Fällen der untersuchten Beschichtungssysteme fand ein Kohäsionsbruch statt und die Polyanilinprimer/Substrat-Bindung blieb gut erhalten. Während der andauernden Beanspruchung durch Immersion in Wasser traten keine Korrosionserscheinungen ein.
2. Der Polyanilinprimer zeigte eine unterschiedliche Kompatibilität mit verschiedenen Decklacken, anhand der durchgeführten Untersuchungen kann eine folgende Kompatibilitätsreihe aufgestellt werden:

   'Decklack 1'>'Decklack 2'='Decklack 4'>'Decklack 3'>'Decklack 5'>'Decklack 6'

   Die Ergebnisse weisen darauf hin, daß jedes Lacksystem mit dem Polyanilinprimer auf die Kompatibilität zwischen dem Primer und dem jeweiligen Decklack überprüft werden soll.
   

3. Die Ergebnisse des Salzsprühtests bestätigen, daß eine erhöhte Empfindlichkeit der Beschichtung gegenüber Wasser zu erwarten ist, wenn eine schlechte Kompatibilität zwischen dem Primer und dem Decklack vorliegt. Dies trat ein bei 'Decklack 5' und 'Decklack 6' und äußerte sich durch die schlechte Zwischenschichthaftung bzw. niedrigere Haftung zum Substrat sowie durch die Neigung der Lacke zur Blasenbildung. Dies kann in der Praxis zu einem frühzeitigen Versagen der Beschichtung führen.
4. Es wurde keine Korrosion der Substrate sowohl im Salzsprühtest als auch bei Naßhaftfestigkeitsuntersuchungen für alle untersuchten Lacksysteme festgestellt, dies weist auf die guten Korrosionsschutzeigenschaften des Polyanilinprimers hin.
5. Die Pendelhärtemessungen geben Aufschluß über den zeitlichen Ablauf der vollständigen Trocknung und Aushärtung der Beschichtungen, die absoluten Werte der Pendelhärte korrelieren allerdings weniger mit der Naßhaftung und Korrosionsbeständigkeit der Beschichtungen.

Home