Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Schweißbare UV-Lacke für PVC-Folien
In Kürze
PVC-Folien werden häufig mit Decklacken vor chemischen, mechanischen und Umwelteinflüssen geschützt. UV-Lacke schieden hierfür bisher aus, weil die dreidimensionale Vernetzung einer UV-Lackschicht das Schweißen der Folien nahezu unmöglich macht. Ein Forschungsprojekt sollte dieses Problem durch UV-Lacke mit eingebauten Retro-Diels-Alder-Gruppen (RDA) als »thermischem Reißverschluss« lösen.
Innovative UV-Lacke für mehr Schutz und bessere Weiterverarbeitung
PVC-Folien aus Weich-PVC werden in Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Langzeit- und Medienbeständigkeit eingesetzt – etwa als LKW-Planen, Abdeckungen, Werbeflächen oder Swimmingpool-Beläge. Um sowohl die Folien selbst als auch aufgebrachte Drucke oder Dekore dauerhaft vor Abrieb, Chemikalien und Witterungseinflüssen zu schützen, kommen Decklacke zum Einsatz. UV-Lacke wären dafür die bevorzugte Wahl, da sie:
- lösemittelfrei sind.
- besonders beständig gegenüber Chemikalien und mechanischen Einflüssen sind und
- schnell, energieeffizient und mit geringem Flächenbedarf verarbeitet werden können.
Aber es existiert ein Problem: UV-Lacke verhindern das thermische Schweißen!
Die Weiterverarbeitung von PVC-Folien erfolgt mittels Schweißen – meist durch handwerkliche Betriebe. Voraussetzung hierbei sind thermoplastische Eigenschaft in der Fügezone. Doch hier entsteht ein Zielkonflikt: UV-Lacke härten dreidimensional aus und sind anschließend nicht thermoplastisch. Folienhersteller greifen daher auf lösungsmittelhaltige, physikalisch trocknende Lacke zurück – obwohl diese weniger beständig, umweltbelastender und ineffizienter sind.
Projektidee: Reversibel lösbare UV-Lacke mit RDA-Technologie
Im Verbundprojekt »Schweißbare UV-Lacke mit reversibel lösbaren kovalenten Bindungen zur Anwendung auf PVC-Folien« wurde eine neuer Lösungsweg erprobt: UV-Lacke mit Retro-Diels-Alder-(RDA-)Gruppen.
Funktionsprinzip der RDA-Gruppen:
- Unter Wärmeeinwirkung spalten sich die kovalenten Bindungen.
- Beim Abkühlen werden sie zurückgebildet.
- Dieses Prinzip ist aus selbstheilenden Beschichtungen bekannt.
- Im Projekt sollte es als »thermischer Reißverschluss« dienen, um UV-Härtung und Schweißbarkeit in Einklang zu bringen.
Projektergebnisse
1. Herstellung & Formulierung der Lacke
Die Herstellung und Verarbeitung der RDA-Gruppen enthaltenden Bestandteile (Linker) war zunächst von Stabilitätsproblemen und Vergelungserscheinungen begleitet. Zudem traten bei der Aushärtung der UV-Lacke thermische Verformungen der dünnen PVC-Folien im UV-Strahlerfeld auf.
- Beide Herausforderungen konnten erfolgreich gelöst werden.
2. Bestätigung der Selbstheilungsfähigkeit
Die selbstheilenden Eigenschaften der Lacke ließen sich nachweisen – solange geeignete Formulierungen verwendet wurden und die Beschichtungen nicht zu hohen Temperaturen ausgesetzt waren.
3. Schweißbarkeit: Fortschritte & Grenzen
Bei den für das thermische Fügen notwendigen Temperaturen kam es zu unerwünschten Nebenreaktionen, die zu Nachvernetzung führten.
- Dadurch konnte die angestrebte Schweißbarkeit mittels RDA-Technologie nicht erreicht werden.
4. Überraschender Befund: Schweißbarkeit auch ohne RDA möglich
Die Schweißversuche zeigten jedoch: PVC-Folien mit UV-Lackbeschichtung können grundsätzlich schweißbar sein, wenn die Beschichtung in der Fügezone unter mechanischer und thermischer Belastung teilweise verdrängt wird.
- Dies konnte an mehreren Systemen sowohl mit als auch ohne RDA-Gruppen gezeigt werden.
Wege zu schweißbaren, UV-gehärteten Folienbeschichtungen
Das Projekt zeigt klar:
- UV-Lacke können trotz dreidimensionaler Vernetzung schweißbar verarbeitet werden.
- Hierfür sind optimierte Prozess- und Formulierungsparameter (sowohl hinsichtlich der Schweißtechniken und -parameter als auch der Lackzusammensetzung) erforderlich.
- RDA-basierte Systeme werden hierfür nicht benötigt und erscheinen infolgedessen aufgrund hohen Aufwandes auch nicht zielführend.
Damit wird der Weg frei für umweltfreundliche, effizient härtende und gleichzeitig schweißbare UV-Lackbeschichtungen für vielfältige PVC-Folienanwendungen.
Mehr Infos zum Projekt im Fachartikel »Schweißbarkeit von UV-gehärteten Folienbeschichtungen«
Einblicke ins Projekt
Dünnschnitte von lackierten, verschweißten Folienproben. PVC-Folie: dunkle Bereiche
UV-Lackschichten: helle, teilweise perforierte Bereiche in der Mitte (Beispiele).
Retro-Diels-Alder-Reaktion im Bereich eines im Polymernetzwerk eingebundenen Linkers mit
einer RDA-Gruppe (schematisch)
Erste und zweite DSC-Aufheizkurven einer UV-gehärteten Beschichtung mit RDA-Gruppen (Doppelproben) zeigen, dass die RDA-Reaktion beim zweiten Heizlauf nur noch schwach ausfällt.