Ziel der Entwicklung

Silikonelastomere finden aufgrund ihrer ausgezeichneten Temperatur-, UV- und Chemikalienbeständigkeit vielfältig Anwendung in der Textilbeschichtung. So werden silikonbeschichtete Textilien u. a. für Förderbänder, Brandschutzvorhänge, Airbags und Faltenbälge eingesetzt. Da Silikonelastomere eine sehr hohe Oberflächenklebrigkeit aufweisen, welche mit einer unangenehmen Haptik, hohen Reibung und starken Schmutzanfälligkeit verbunden ist, erfordern Silikonbeschichtungen eine Oberflächenbehandlung.
Etablierte Verfahren stellen dabei die Plasmabehandlung, Gasphasenfluorierung und Lackierung dar. Bei der Lackierung können durch die Applikation einer Lackschicht nicht nur die Beständigkeit und die Haptik des Materials, sondern auch die Optik beeinflusst werden. Diese Eigenschaften stellen insbesondere im Bereich der Polster- und Sitzmöbel wichtige Kriterien dar.
Auf dem Markt haben sich vorrangig polyurethan-, polyester-, epoxid- und polyacrylatbasierte Lacke etabliert. Die Applikation dieser Lacke auf Silikonoberflächen gestaltet sich aufgrund der geringen Oberflächenenergie von Silikon und des Fehlens reaktiver Gruppen auf dessen Oberfläche jedoch sehr schwierig. Lacke, die nicht auf Silikonbasis beruhen, weisen in der Regel eine ungenügende Haftung auf den Silikonsubstraten auf, was Ablöseerscheinungen nach sich zieht. Lacke, die auf Silikon basieren, haften hingegen gut auf Silikonoberflächen und benötigen keine Vorbehandlung des zu lackierenden Substrates. Kommerzielle Silikonlacke, welche eine Reduzierung des Reibungskoeffizienten um 50-70 % ermöglichen, finden bereits für silikonbeschichtete Airbags Anwendung. In der Regel weisen die erhältlichen Silikonlacke einen hohen Gehalt an Füllstoffen auf, welche sich verringernd auf die Reibung, Blockneigung und Schmutzanfälligkeit der Silikonoberflächen auswirken.
Jedoch können Füllstoffe bei mechanischer Beanspruchung wie Dehnung, Knicken oder Reibung „auskreiden“, d. h., es bilden sich weiße Flecken im Bereich der Beanspruchung auf der Lackoberfläche. Solche Effekte stellen einen Mangel dar und sind für Anwendungen im Bereich Bezugsmaterialien nicht akzeptabel. Zudem führt der Einsatz von Füllstoffen zu einer Reduzierung der Transparenz und des Glanzes. Jedoch sind bei Polster- und Sitzbezügen oftmals verschiedene Glanz- bzw. Mattgrade gewünscht, um eine breite Produktpalette abbilden zu können.
Silikonkunstleder ist aufgrund seiner sehr hohen Beständigkeit für verschiedenste Bezugsmaterialien geeignet. Zu den möglichen Anwendungen zählen Sitz- und Polstermaterialien für mobile Anwendungen und den medizinischen Bereich. Jedoch müssen dafür die haptischen, optischen und mechanischen Anforderungen für Bezugsmaterialien erfüllt werden. Dafür ist ein Lack notwendig, der eine angenehme, nicht-blockende Haptik aufweist und mechanischer Beanspruchung (Falten, Reiben) standhält.

Vorteile und Lösungen

Da die stark ausgeprägte Oberflächenklebrigkeit und Blockneigung von Silikonelastomeren auf die hohe Kettenbeweglichkeit von Dimethylsiloxan-Einheiten (Me2SiO) zurückgeführt wird, wurden Lackformulierungen mit Struktureinheiten geringerer Flexibilität entwickelt. Dabei wurden zwei verschiedene Lösungswege verfolgt:
Lackformulierungen mit Silikonharzstrukturen (quartäre Si-O-Einheiten) - silikonharzbasierter Lack
Lackformulierungen mit organischen Polymeren (Bildung von Silikoncopolymeren) -copolymerbasierter Lack
Im Forschungsvorhaben wurde eine kovalente Anbindung der Silikonharzstrukturen sowie der organischen Polymere angestrebt. Deshalb wurden für die Lackentwicklung Strukturen mit reaktiven Gruppen (Si-H-funktionelles Silikonharz, acrylat- oder methacrylatfunktionelles organisches Polymer) eingesetzt.
Es wurden kommerzielle Silikonlacke (RL1, RL2, RL3) von drei Silikonproduzenten beschafft, welche im Projekt als Referenz für die entwickelten Lacke dienten. Die Lackierung des gefertigten Kunstleders mit den kommerziellen Lacken RL1 und RL2 erfolgte dabei mittels Gravurwalze. Der niedrigviskose Lack RL3, für welchen im Datenblatt eine Sprühapplikation empfohlen wird, wurde mittels Spiralrakel appliziert. Die Referenzmuster wurden hinsichtlich ihrer mechanischen (Dauerfaltverhalten, Reibechtheit, Haftfestigkeit) und tribologischen Eigenschaften (Reibungskoeffizienten) geprüft. Der Fokus lag dabei auf der Haptik und den erzielten Reibungskoeffizienten.
Im Ergebnis wurden zwei lösungsmittelfreie Lacke erhalten, welche über eine Gravurwalze mittels Tiefdruck appliziert werden können. Die beiden Lacksysteme erfüllen die gestellten Anforderungen hinsichtlich einer hohen Gesamttransmission (> 90 %) sowie einer hohen Haftfestigkeit (in Anlehnung an ASTM D 3359 02) auf Silikonkunstleder. Durch die Applikation der Lacke kann der Reibungskoeffizient (dyn., stat.) des Kunstleders deutlich gesenkt werden. Der statische Reibungs¬koeffizient des Silikonkunstleders kann durch die Lackierung mit dem silikonharzbasierten System um 77 % gesenkt werden. Mit dem copolymerbasierten Lack kann eine Reduzierung um 82 % erzielt werden. Das lackierte Kunstleder erfüllt die geforderte Dauerfaltbeständigkeit (Note 0 nach 100.000 Faltungen) und weist zudem eine hohe Reibechtheit auf. Eine Haptikbeurteilung der lackierten Kunstledermuster ergab, dass Muster mit dem copolymerbasierten Lack CL als angenehmer wahrgenommen werden als Muster mit dem silikonharzbasierten Lacksystem HL. Die Haptikbeurteilung zeigte, dass durch die Applikation der entwickelten Lacke Silikonkunstledern eine deutlich angenehmere und weniger blockende Haptik verliehen werden kann. Beide Lacke weisen einen vergleichbaren, geringen Glanzgrad (1,8-1,9 GU) auf, wobei das silikonharzbasierte Lacksystem eine individuelle Glanzeinstellung ermöglicht. Durch die Anpassung des Gehaltes an Kieselsäure sowie die Variation der vorliegenden Vinylkomponente können Glanzgrade zwischen 1,9 und 7,0 GU eingestellt werden, ohne die Dauerfaltbeständigkeit und Reibechtheit des lackierten Kunstleders negativ zu beeinflussen. Da die Einarbeitung von Kieselsäure jedoch Einfluss auf die Oberflächenbeschaffenheit (Rauheit, Glattheit) hat, erfolgt eine leichte Erhöhung der Reibungskoeffizienten.

Zielgruppe und Zielmarkt

Für die entwickelten Lacke wird ein großer Nutzen für technische Textilien, insbesondere für Kunstleder, gesehen. Im Projekt wurde gezeigt, dass mit den Lacken eine hohe Beständigkeit (Dauerfaltbeständigkeit, Reibechtheit, Anschmutzresistenz) sowie eine deutliche Verbesserung der Haptik erzielt werden kann. Für das lackierte Silikonkunstleder wird hohes Potential im Bereich Polster- und Bezugsmaterialien in der Automobil- und Möbelindustrie, im Medizin- und Wellnesbereich und bei technischen Anwendungen wie Faltenbälgen gesehen.