Ziel der Entwicklung
Im Sinne einer verstärkt notwendigen und auch politisch gewollten CO2-neutralen Lebensweise ist der Einsatz des Werkstoffes Holz unverzichtbar und auch sein Schutz vor Einflüssen aus der Umwelt sollte auf Basis ökologisch nachhaltiger Materialien realisiert werden. Dem steht derzeit noch die relativ kurze Haltbarkeit von Beschichtungen entgegen, welche stark der Witterung ausgesetzt sind. Während klassische Kunstharzlacke und wasserbasierte Acryllacke auf petrochemischen Bindemitteln basieren, setzt der biologisch basierte Holzanstrich für Außen bereits heute auf einen hohen Anteil an Pflanzenölen. Diese härten oxidativ mit dem Luftsauerstoff aus, was lange Trockenzeiten beansprucht und deren industrielle Einsetzbarkeit herabsetzt. Insbesondere bei Anwendungen, in denen die natürliche Optik und Haptik des Holzes erhalten bleiben soll, ist der Einsatz deckend pigmentierter Lacke unerwünscht und eine Oberflächenbehandlung mit lasierenden Beschichtungen oder Ölen angezeigt. Dafür kommen in ökologisch unbedenklichen Holzbeschichtungen im wesentlichen naturbelassene Öle zum Einsatz. Auf Grund ihres chemischen Aufbaus sind naturbelassene Öle selbst allerdings nicht in der Lage, auf porösen Oberflächen dauerhafte, filmbildende Schichten zu erzeugen. Der relativ geringe Vernetzungsgrad, der durch die oxidative Härtung erreicht wird, erlaubt keinen wirksamen mechanischen Schutz und führt zu schneller Auskreidung und Abbauprozessen. Allerdings können diese Öle durchaus als naturbasierte Bindemittel für filmbildende Beschichtungsmittel eingesetzt werden, wenn die reaktiven Zentren der Öle chemisch modifiziert werden. Ziel des Projektes war daher die Entwicklung biozidfreier, strahlenhärtender Beschichtungen auf Basis von epoxidierten Pflanzenölen (EPO) für die Anwendung auf Holz im Außenbereich. Primärziel war die Erzeugung filmbildender Systeme, die sich durch hohe Flexibilität auszeichnen und behandelte Holzoberflächen dauerhaft gegen äußere Einflüsse schützen können. Ein sekundäres Ziel war weiterhin die Minimierung des Energieeintrages bei der Aushärtung der EPO-basierten Beschichtungen. Dabei sollte eine Erhöhung des Vernetzungsgrades mittels gezielter Variationen von Fotoinitatoren, Aushärtungsbedingungen, Zusatz von Reaktivverdünnern und Vernetzern erreicht werden. Möglichkeiten zur Beeinflussung der Härte und Flexibilität der Schichten sollten getestet und ein optimaler Schichtaufbau für eine hohe Dauerhaftigkeit im Außeneinsatz gefunden werden. Eine Acrylierung, der Epoxidgruppen, wie sie in der Literatur bereits mehrfach beschrieben wurde, war dabei nicht geplant.
Vorteile und Lösungen
Die Lösung umfasst vier Teilbereiche: 1. Chemisch-physikalische Charakterisierung von Rohstoffen und Ausgangsprodukten, Reaktivitätsermittlung: Epoxidierte Pflanzenöle mit unterschiedlichen Oxiranzahlen sollten einzeln oder als Mischung mit verschiedenen Reaktivverdünnern und Vernetzern auf ihre Eignung zur Schichtbildung untersucht und der Aushärtegrad anhand von Modellmessungen im Screeningverfahren mittels Oszillationsrheometrie mit UV-Kopplung untersucht werden. Dabei war die Frage zu beantworten, in welcher Art die Rezepturen zu gestalten sind, um bei höchstmöglichem Vernetzungsgrad eine hohe Flexibilität der Schichten zu gewährleisten (Struktur-Eigenschaftsbeziehung?) Ein wichtiger Teilaspekt hierbei war die Testung der Reaktivität der Systeme in Abhängigkeit verschiedener kationischer Fotoinitatoren, die sich sowohl in der Löslichkeit in den Ölen als auch ihrer Reaktivität, besonders in Verbindung mit verschiedenen Strahlungsquellen, unterscheiden. 2. Erstellung von Basisrezepturen und Untersuchung photochemischer Eigenschaften: Als Ergebnis dieser Voruntersuchungen waren Basisrezepturen auf Holzuntergründe zu applizieren. Dabei waren Rezepturen mit verschiedenen Viskositäten mit unterschiedlichen Applikationsverfahren (Spritzen, Streichen, Rollen, Walzen) zu testen und Hinweise zu geben, wie diese für die jeweiligen Verfahren zu verändern sind. Folgende Fragen galt es zu beantworten: a) Wie müssen Aushärteparameter (UV, UV-LED, ESH) gewählt werden, um hohe Vernetzungsgrade mit hoher Flexibilität der Schicht zu gewährleisten? b) Gibt es Systeme, die durch die Ausnutzung von natürlicher UV-Strahlung schichtbildend aushärten? 3. Optimierung des Schichtaufbaus: Ausgehend von einer unterschiedlichen Viskosität und Härte der applizierten Schichten in Abhängigkeit der Ausgangsparameter (Rezeptur/ Aushärteverfahren) waren Aussagen zu einem optimalen Schichtaufbau zu generieren, der sowohl die Haftung auf dem Holzuntergrund als auch eine ausreichende mechanische Widerstandsfähigkeit der Oberfläche unter den Bedingungen der Schnell- und Freibewitterung gewährleisten kann. Folgende Fragen waren zu beantworten: a) Wie müssen Schichten aufgebaut sein, um möglichst hohe Haftung und Standfestigkeit der Oberflächen unter Witterungseinflüssen zu erzielen? b) Welche Gesamtschichtdicke ist erforderlich? c) Eignen sich niedrigviskosere Rezepturvarianten mit Reaktivverdünner besser als Grundierungen, wenn sie Reaktivverdünner enthalten? c) Erhöht ein niedrigerer Aushärtegrad die Flexibilität und Haftung der Grundierung auf dem Holzuntergrund? d) Wie hoch sollte der Aushärtegrad an der Oberflächenschicht sein, damit eine gute Haftung auf dem Untergrund bei gleichzeitiger Flexibilität der Deckschicht gewährleistet ist?
4. Nachweis der Erreichbarkeit notwendiger Schichtanforderungen für eine Außenanwendung: Ausgewählte und optimierte Beschichtungsvarianten sollten mit genormten Testverfahren sowohl nach Schnellbewitterung (DIN EN ISO 16474-3:2021) als auch Freibewitterung (EN 927-3:2012) auf ihre Eignung für den Außeneinsatz getestet und verschiedene Oberflächeneigenschaften nach unterschiedlichen Zeitabschnitten geprüft werden. Folgende Fragestellungen waren dabei von weiterführendem Interesse: a) Hat das Aushärteverfahren eine Auswirkung auf die Lichtechtheit? b) Verfügen die Systeme aufgrund ihres Aushärtemechanismus über implizite Lichtschutzeigenschaften oder ist der Zusatz von Lichtschutzmitteln notwendig? c) Wie beeinflussen Lichtschutzmittel das Aushärtungsverhalten mit industriellen Verfahren beziehungsweise durch natürliche Belichtung? d) Welche Oberflächeneigenschaften zeigen die entsprechend beschichteten Holzuntergründe und welche Beständigkeit weisen sie gegenüber natürlichen Einflüssen auf? Ziel ist hierbei eine erhöhte Dauerhaftigkeit und Verringerung des notwendigen Reparaturintervalls von derzeit 2-3 auf 5 bis 10 Jahre.
Zielgruppe und Zielmarkt
Hauptzielmarkt ist das Segment der Bauelemente, insbesondere Fenster, Türen und Fassadenelemente aber auch der Garten-und Landschaftsbau sowie der Markt für Anstrichstoffe im handwerklichen Do-It-Yourself-Bereich. Die Projektergebnisse sind für das gesamte Holzgewerbe und den Holzbau interessant. Die Eigenschaften der entwickelten Oberflächen bieten Schutz gegen Dimensions- und Verformungsänderung durch Wasser und Feuchte und eine hohe Dauerhaftigkeit entsprechend des Freibewitterungstests nach EN 927-3. Vorteile sind insbesondere für hochwertige Produkte im Außenbereich interessant sowie für spezialisierte Produkte in neuen Anwendungen (auch im GaLa-Bereich). Die auf naturbasierten Rohstoffen aufbauenden Beschichtungen können sowohl industriell appliziert und ausgehärtet werden. Darüber hinaus wird auch der Do-It-Yourself-Bereich ein Produkt auf Pflanzenölbasis zur Verfügung gestellt, welches schichtbildend m Sonnenlicht aushärtet. Weiterhin können Lackhersteller ihr Portfolio um ein nachhaltiges Produkt ergänzen und dabei weitgehend auf chemische und biologisch aktive Inhaltsstoffe verzichten. Dies ermöglicht die Substitution teurer Nadel- und Tropenhölzer.
