Sie haben Ihrer wasserbasierten Beschichtungsformulierung bereits verschiedene Verlaufsmittel zugesetzt, doch die Krater treten weiterhin auf. Sobald die Krater beseitigt sind, entsteht stattdessen Orangenhaut.

Sie testen Verlaufsmittel von drei oder vier verschiedenen Anbietern. Jedes Produkt wird als „besonders leistungsfähig“ bezeichnet. Nach der Zugabe entstehen jedoch entweder Verträglichkeitsprobleme wie Trübung oder Ausscheidungen, oder die Verlaufswirkung hält nur kurze Zeit an. Sobald der Lackfilm getrocknet ist, treten die Oberflächenfehler erneut auf.

Noch problematischer ist, dass manche Verlaufsmittel die Überlackierbarkeit erheblich beeinträchtigen. Beim Auftragen der zweiten Lackschicht kann sich die Beschichtung an den Rändern zurückziehen oder es kann sogar zur Delamination zwischen den Schichten kommen.

In vielen Fällen liegt das Problem nicht darin, ob ein Verlaufsmittel grundsätzlich „gut“ oder „schlecht“ ist. Entscheidend ist, ob das ausgewählte Produkt zum Beschichtungssystem und zum vorhandenen Oberflächenfehler passt.

Wasserbasierte Beschichtungen haben in der Regel eine deutlich höhere Oberflächenspannung als lösemittelhaltige Systeme. Dadurch ist die Benetzung des Substrats schwieriger. Wird ein Verlaufsmittel ausschließlich nach dem Preis ausgewählt, ohne die technischen Parameter und die Verträglichkeit mit der Formulierung zu berücksichtigen, sind Probleme fast unvermeidlich.

Als Anbieter von Komplettlösungen entlang der Silikon-Wertschöpfungskette bietet Iota Silicone Oil Anhui Co., Ltd. verschiedene etablierte Additive für Beschichtungen an. Dieser Leitfaden erklärt die Wirkungsweise von Silikon-Verlaufsmitteln und zeigt, wie das richtige Produkt für wasserbasierte Beschichtungen ausgewählt wird.

1. Wirkungsweise von Silikon-Verlaufsmitteln: mehr als nur eine Senkung der Oberflächenspannung

Viele Formulierer verstehen unter einem Verlaufsmittel hauptsächlich ein Additiv zur Senkung der Oberflächenspannung. Tatsächlich beeinflussen Silikon-Verlaufsmittel mindestens drei physikalische Prozesse innerhalb einer Beschichtung.

1.1 Senkung der Oberflächenspannung und Verbesserung der Substratbenetzung

Die Oberflächenspannung wasserbasierter Beschichtungen liegt normalerweise zwischen 50 und 72 mN/m. Damit ist sie deutlich höher als bei lösemittelhaltigen Beschichtungen, deren Werte üblicherweise zwischen 25 und 35 mN/m liegen.

Polyethermodifizierte Silikonöle können eine Oberflächenspannung von etwa 20 bis 25 mN/m erreichen. Bereits eine Zugabemenge von 0,1 bis 0,5 % kann die gesamte Oberflächenspannung einer Beschichtung auf unter 30 mN/m reduzieren.

Liegt die Oberflächenspannung der Beschichtung unterhalb der kritischen Oberflächenspannung des Substrats, kann sich die Beschichtung besser benetzen und gleichmäßig ausbreiten.

Bei unzureichender Benetzung kann sich eine wasserbasierte Beschichtung auf niederenergetischen Oberflächen wie Kunststoffen oder ölverschmutzten Metalloberflächen zu Tropfen zusammenziehen. Dies führt häufig zu Kratern, Randrückzug oder einer unvollständigen Abdeckung.

1.2 Unterdrückung von Bénard-Zellen durch den Marangoni-Effekt

Während der Filmtrocknung kann eine ungleichmäßige Verteilung der Oberflächenspannung Konvektionsströmungen innerhalb des Beschichtungsfilms erzeugen.

Die Flüssigkeit bewegt sich von Bereichen mit niedriger Oberflächenspannung zu Bereichen mit höherer Oberflächenspannung. Dadurch können sechseckige Strömungsmuster entstehen, die als Bénard-Zellen bezeichnet werden. Nach der Trocknung zeigen sich diese Strukturen häufig als Orangenhaut oder ungleichmäßige Oberfläche.

Nach der Migration an die Oberfläche kann ein Silikon-Verlaufsmittel eine gleichmäßige Schicht mit niedriger Oberflächenspannung bilden. Dadurch werden Unterschiede in der Oberflächenspannung reduziert und die Bildung von Bénard-Zellen unterdrückt.

In der Produktbeschreibung von IOTA 2H-57 wird die Vermeidung von Bénard-Zellen ausdrücklich erwähnt. Dies zeigt, dass das Produkt gezielt für diesen Wirkmechanismus entwickelt wurde.

1.3 Verbesserung von Gleitfähigkeit und Antiblocking-Eigenschaften

Polyethermodifizierte Silikonöle können an der Oberfläche des Beschichtungsfilms eine siloxanreiche Schicht bilden und dadurch den Reibungskoeffizienten deutlich reduzieren.

Dies verbessert nicht nur die Haptik und Gleitfähigkeit der Oberfläche, sondern kann auch das Verkleben der Beschichtungsfilme während der frühen Trocknungsphase verhindern.

Im technischen Datenblatt von IOTA 2H-810 wird zusätzlich eine Antiblocking-Wirkung angegeben. IOTA 2520H geht noch einen Schritt weiter: Seine Hydroxylgruppen können an der Vernetzung teilnehmen und dadurch eine dauerhafte Gleitwirkung bei geringerer Migration ermöglichen.

Wenn diese drei Wirkmechanismen verstanden werden, wird die Auswahl eines geeigneten Verlaufsmittels deutlich einfacher. Es geht nicht darum, das „stärkste“ Produkt auszuwählen, sondern das Produkt, das zum jeweiligen Beschichtungsfehler passt:

• Bei Kratern sollte die Substratbenetzung verbessert werden.

• Bei Orangenhaut sollten Fließverhalten und Verlauf verbessert werden.

• Bei Problemen mit der Haptik sollte die Oberflächengleitfähigkeit optimiert werden.

• Bei Nadelstichen sollten zusätzlich Entschäumung und Luftfreisetzung überprüft werden.

2. Auswahl eines Silikon-Verlaufsmittels für wasserbasierte Beschichtungen: die Drei-Schritte-Methode

Vor der Produktauswahl muss zunächst der tatsächliche Beschichtungsfehler bestimmt werden. Mit der folgenden Drei-Schritte-Methode lässt sich die Auswahl schnell eingrenzen.

Schritt 1: Art des Beschichtungsfehlers bestimmen

Fließ- und Verlaufsprobleme bei wasserbasierten Beschichtungen treten hauptsächlich in vier Formen auf:

• Krater: Kreisförmige Vertiefungen im Beschichtungsfilm

• Orangenhaut: Wellenförmige, unebene Oberfläche ähnlich einer Orangenschale

• Nadelstiche: Kleine Öffnungen, die häufig nach dem Platzen von Luftblasen zurückbleiben

• Randrückzug: Zurückweichen der Beschichtung von den Kanten des Substrats

Krater und Randrückzug stehen häufig mit einer zu hohen Oberflächenspannung und einer unzureichenden Substratbenetzung in Verbindung. In diesem Fall sollte zuerst ein Benetzungsadditiv geprüft werden.

Orangenhaut entsteht häufig durch Unterschiede in der Oberflächenspannung und ein ungleichmäßiges Fließverhalten während der Trocknung. Hier ist normalerweise ein Verlaufsmittel die geeignetere Wahl.

Nadelstiche stehen häufig mit Schaum, eingeschlossener Luft, Wasser- oder Lösemittelfreisetzung sowie den Trocknungsbedingungen in Zusammenhang. In solchen Fällen muss möglicherweise der Entschäumer oder das Entlüftungsadditiv angepasst werden, anstatt lediglich mehr Verlaufsmittel hinzuzufügen.

Schritt 2: Verträglichkeit mit dem wasserbasierten System prüfen

Wichtige Parameter in wasserbasierten Systemen sind Wasserlöslichkeit, Dispergierbarkeit und Trübungspunkt.

Die Wasserlöslichkeit eines polyethermodifizierten Silikonöls hängt vom Verhältnis und von der Struktur der Polyethersegmente ab:

• EO-Segmente verbessern normalerweise die Wasserlöslichkeit.

• PO-Segmente beeinflussen Hydrophobie, Schaumkontrolle und Formulierungsverträglichkeit.

IOTA 245 ist ein wasserlösliches, polyethermodifiziertes Silikonöl mit einem Trübungspunkt von 50 bis 60 °C. Es besitzt bei Raumtemperatur eine gute Wasserlöslichkeit, kann jedoch bei höheren Verarbeitungs- oder Lagertemperaturen eine Trübung entwickeln.

Wenn die Formulierung über einen breiteren Temperatur- oder pH-Bereich stabil bleiben muss, kann IOTA 2141F geprüft werden. Dabei handelt es sich um ein anionisches Silikon-Tensid, das im pH-Bereich von 2 bis 12 stabil und frei von APEO ist.

Schritt 3: Zugabemenge und Aktivgehalt berücksichtigen

Verschiedene Verlaufsmittel besitzen unterschiedliche Aktivgehalte. Dies beeinflusst unmittelbar die tatsächlichen Additivkosten pro Kilogramm der fertigen Beschichtung.

Die folgende Tabelle vergleicht fünf häufig verwendete IOTA-Produkte:

Die Auswahl ist vergleichsweise einfach.

Wenn Krater das Hauptproblem einer wasserbasierten Beschichtung sind, sollten zunächst IOTA 245 oder IOTA 2141F geprüft werden. Beide Produkte besitzen eine gute Wasserverträglichkeit und können die Oberflächenspannung schnell reduzieren. Sie eignen sich deshalb zur Verbesserung von Kratern, die durch unzureichende Substratbenetzung verursacht werden.

Wenn Orangenhaut und unzureichender Verlauf im Vordergrund stehen, können IOTA 2H-850 oder IOTA 2H-810 geprüft werden. Beide Produkte sind Verlaufsmittel mit einem Aktivgehalt von 100 % und vergleichsweise niedrigen empfohlenen Zugabemengen.

Wenn gleichzeitig Orangenhaut und ungleichmäßiger Glanz auftreten, kann IOTA 2H-57 die geeignetere Wahl sein, da das Produkt speziell zur Unterdrückung von Bénard-Zellen entwickelt wurde.

3. Warum ist eine höhere Dosierung nicht automatisch besser?

Ein häufiger Fehler bei der Formulierung besteht in der Annahme, dass eine höhere Zugabemenge automatisch zu einem besseren Verlauf führt.

Bei IOTA 2H-850 können Zugabemengen von mehr als 0,3 % in bestimmten wasserbasierten Systemen Verträglichkeitsprobleme verursachen. Mögliche Folgen sind eine Trübung des Beschichtungsfilms und ein geringerer Glanz.

IOTA 2H-57 besitzt zwar einen Aktivgehalt von mindestens 95 %, die empfohlene Zugabemenge liegt jedoch zwischen 0,3 und 1,0 %. Das Produkt muss innerhalb eines geeigneten Konzentrationsbereichs eingesetzt werden, um die vorgesehene Wirkung zu erreichen.

Eine zuverlässigere Vorgehensweise besteht darin, mit dem Mittelwert des im TDS empfohlenen Dosierungsbereichs zu beginnen und die Zugabemenge anschließend entsprechend den Ergebnissen auf der Prüfplatte schrittweise anzupassen.

Die endgültige Dosierung sollte durch Aufzugs- oder Spritzversuche bestimmt werden. Dabei sollten folgende Eigenschaften bewertet werden:

• Kraterreduzierung

• Verlauf

• Glanz

• Trübungsneigung

• Schaumstabilität

• Zwischenhaftung

• Überlackierbarkeit

• Gleitfähigkeit

• Kratzfestigkeit

4. IOTA-Produktprogramm für Verlaufsmittel und technische Daten

IOTA bietet ein vollständiges Additivprogramm für wasserbasierte Beschichtungen. Es umfasst Produkte für Substratbenetzung, Fließverhalten, Verlauf, Gleitmodifizierung und Kontrolle der Oberflächeneigenschaften.

Die folgenden technischen Angaben basieren auf veröffentlichten Produktdatenblättern.

IOTA 2H-850

IOTA 2H-850 ist ein polyethermodifiziertes Siloxan-Verlaufsmittel.

Wichtige technische Parameter:

• CAS-Nummer: 157479-55-5

• Aussehen: Farblose bis blassgelbe Flüssigkeit

• Viskosität bei 25 °C: 50–150 mm²/s

• Aktivgehalt: 100 %

• Dichte: 1,01–1,04 g/cm³

• Brechungsindex: 1,40–1,46

• Empfohlene Zugabemenge in wasserbasierten Systemen: 0,05–0,3 %

Das Produkt eignet sich für wasserbasierte, lösemittelhaltige und UV-härtende Systeme. Es wird besonders für wasserbasierte Holzbeschichtungen und Industrielacke empfohlen.

Zu seinen wichtigsten Vorteilen zählen die hohe Verträglichkeit, ein sehr geringes Trübungsrisiko und der geringe Einfluss auf die Überlackierbarkeit.

IOTA 2H-810

IOTA 2H-810 ist ein leistungsfähiges silikonbasiertes Verlaufsmittel.

Wichtige technische Parameter:

• CAS-Nummer: 128192-17-6

• Viskosität: 200–1.000 mm²/s

• Aktivgehalt: 100 %

• Empfohlene Zugabemenge: 0,05–0,5 %

• Maximale Zugabemenge in bestimmten Druckfarben: bis zu 1,0 %

Im Vergleich zu IOTA 2H-850 besitzt IOTA 2H-810 eine höhere Viskosität und eine größere Molekülstruktur. Dadurch kann das Produkt eine länger anhaltende Verlaufswirkung und zusätzliche Antiblocking-Eigenschaften bieten.

IOTA 2H-57

IOTA 2H-57 ist ein Silikon-Verlaufsmittel zur Verbesserung von Fließverhalten, Glanz und Oberflächengleichmäßigkeit.

Wichtige technische Parameter:

• CAS-Nummer: 70914-12-4

• Viskosität bei 25 °C: 40–200 mm²/s

• Aktivgehalt: mindestens 95 %

• Dichte: 1,01–1,03 g/cm³

• Empfohlene Zugabemenge in wasserbasierten Systemen: 0,3–1,0 %

Die Hauptfunktion besteht in der Unterdrückung von Bénard-Zellen, die während der Filmbildung durch Unterschiede in der Oberflächenspannung entstehen. Das Produkt eignet sich für Systeme mit Orangenhaut, ungleichmäßigem Glanz oder unzureichendem Oberflächenverlauf.

IOTA 245

IOTA 245 ist ein wasserlösliches, polyethermodifiziertes Silikonöl-Benetzungsmittel, das speziell für wasserbasierte Systeme entwickelt wurde.

Wichtige technische Parameter:

• Aktivgehalt: >99,8 %

• Viskosität: 10–100 cP

• Dichte: 1,025–1,049 g/cm³

• Trübungspunkt: 50–60 °C

• Wasserlöslichkeit: wasserlöslich

• Empfohlene Zugabemenge: 0,1–0,5 %

Das Produkt besitzt eine gute Verträglichkeit mit wasserbasierten Polyurethan-, Acryl- und Alkydharzsystemen.

IOTA 245 kann als grundlegende Lösung für Krater geprüft werden, die durch eine unzureichende Substratbenetzung in wasserbasierten Beschichtungen entstehen.

IOTA 2141F

IOTA 2141F ist ein anionisches Silikon-Tensid.

Wichtige technische Parameter:

• Feststoffgehalt: 77 ± 2 %

• Viskosität: 100–200 cP

• Oberflächenspannung: 21,0 ± 2,0 dyn/cm in einer 0,1%igen wässrigen Lösung

• Stabiler pH-Bereich: 2–12

• APEO-Gehalt: APEO-frei

• Empfohlene Zugabemenge: 0,1–1,0 %

Das Produkt eignet sich für wasserbasierte Beschichtungen und Druckfarben mit hohen Anforderungen an Umweltverträglichkeit und Formulierungsstabilität.

5. Vergleich der IOTA-Verlaufs- und Benetzungsmittel

Die folgende Tabelle vergleicht die wichtigsten technischen Parameter von fünf IOTA-Beschichtungsadditiven:

Aus der Tabelle lassen sich mehrere wichtige Unterschiede erkennen.

Erstens besitzen IOTA 2H-850 und IOTA 2H-810 einen Aktivgehalt von 100 %. Bei ihrer Zugabe werden keine zusätzlichen Trägerlösemittel eingebracht. Dies ist besonders für wasserbasierte Beschichtungen mit niedrigen VOC-Zielwerten wichtig.

Zweitens reicht der Viskositätsbereich von 10 cP bei IOTA 245 bis zu 1.000 mm²/s bei IOTA 2H-810. Damit werden unterschiedliche Anforderungen von einer schnellen Substratbenetzung bis hin zu einem länger anhaltenden Verlauf abgedeckt.

Drittens besitzt IOTA 2141F in einer 0,1%igen wässrigen Lösung eine Oberflächenspannung von etwa 21 dyn/cm. Dadurch bietet das Produkt besondere Vorteile auf schwer benetzbaren Substraten wie Kunststofffolien oder Metalloberflächen mit geringfügiger Ölverunreinigung.

6. Anwendungsbeispiele

IOTA 2H-850 wird in wasserbasierten Holzbeschichtungen, wasserbasierten Industrielacken und wasserbasierten Fahrzeuglacken eingesetzt.

In einer typischen wasserbasierten Acryl-Holzbeschichtung kann die Zugabe von 0,15 % IOTA 2H-850 dazu beitragen, durch Substratverunreinigungen verursachte Krater zu reduzieren und gleichzeitig eine gute Überlackierbarkeit aufrechtzuerhalten.

In einer wasserbasierten Polyurethanbeschichtung für Leder kann eine Kombination aus 0,3 % IOTA 245 und 0,2 % IOTA 2520H die Substratbenetzung verbessern, Krater reduzieren und eine dauerhaft glatte Oberflächenhaptik erzeugen.

In einem wasserbasierten Druckfarbensystem kann IOTA 2141F bei einer Zugabemenge von 0,5 % eine gute Benetzung und einen guten Verlauf auf Papier-, Kunststoff- und Metallsubstraten ermöglichen. Das Produkt bleibt über einen breiten pH-Bereich von 2 bis 12 stabil.

Diese Beispiele dienen als Formulierungsreferenzen und sind keine allgemeingültigen Dosierungsgarantien. Die endgültige Zugabemenge muss anhand des Harzsystems, der Pigmente und Füllstoffe, des Substrats, des Auftragsverfahrens und der Trocknungsbedingungen bestimmt werden.

7. Häufig gestellte Fragen

Warum entstehen Krater in wasserbasierten Beschichtungen?

Krater können durch unzureichende Substratbenetzung, lokale Verunreinigungen, Schaum, unverträgliche Additive oder eine ungleichmäßige Oberflächenspannung verursacht werden. Vor der Auswahl eines Verlaufs- oder Benetzungsmittels sollte zunächst die tatsächliche Ursache bestimmt werden.

Welches Additiv eignet sich gegen Krater in wasserbasierten Beschichtungen?

Wenn die Krater durch eine unzureichende Substratbenetzung verursacht werden, können wasserverträgliche Benetzungsmittel wie IOTA 245 oder IOTA 2141F zuerst geprüft werden.

Welches Silikon-Verlaufsmittel eignet sich gegen Orangenhaut?

Orangenhaut steht häufig mit ungleichmäßigem Fließverhalten und Unterschieden in der Oberflächenspannung während der Trocknung in Verbindung. Abhängig vom Harzsystem und der Stärke des Fehlers können IOTA 2H-850, IOTA 2H-810 oder IOTA 2H-57 geprüft werden.

Kann ein Verlaufsmittel auch Nadelstiche beseitigen?

Nicht unbedingt.

Nadelstiche entstehen häufig durch Schaum, eingeschlossene Luft, Wasser- oder Lösemittelfreisetzung und die Trocknungsgeschwindigkeit. Zusätzlich zum Verlaufsmittel kann deshalb eine Anpassung des Entschäumers oder Entlüftungsadditivs erforderlich sein.

Beeinträchtigt ein Silikon-Verlaufsmittel die Überlackierbarkeit?

Das ist möglich.

Eine zu hohe Dosierung oder ein schlecht verträgliches Silikonadditiv kann an die Oberfläche des Beschichtungsfilms migrieren und die Benetzung oder Haftung der nachfolgenden Schicht beeinträchtigen. Die Überlackierbarkeit sollte deshalb immer Bestandteil der Formulierungsprüfung sein.

Wie viel Silikon-Verlaufsmittel sollte zugesetzt werden?

Die Dosierung hängt vom Aktivgehalt des Produkts, vom Harzsystem und vom jeweiligen Beschichtungsfehler ab. In der Praxis kann mit dem Mittelwert des im TDS empfohlenen Dosierungsbereichs begonnen und die Menge anschließend anhand von Prüfplatten schrittweise angepasst werden.

8. Benötigen Sie technische Unterstützung?

Die Auswahl eines Verlaufsmittels kann nicht allein anhand eines Artikels abgeschlossen werden. Das Harzsystem, die Art des Substrats, das Auftragsverfahren – beispielsweise Spritzen, Walzen oder Vorhangbeschichten – sowie die Trocknungsbedingungen beeinflussen das Endergebnis.

Für eine genauere Produktempfehlung sollten folgende Informationen bereitgestellt werden:

• Harztyp

• Art der wasserbasierten Beschichtung

• Substratmaterial

• Wichtigster Oberflächenfehler

• Auftragsverfahren

• Trocknungstemperatur und Trocknungsdauer

• Derzeit eingesetzte Benetzungs-, Verlaufs- und Entschäumungsadditive

• Anforderungen an Überlackierbarkeit und Oberflächeneigenschaften

Wenn Sie vollständige technische Datenblätter oder Muster der IOTA-Verlaufs- und Benetzungsmittel benötigen, wenden Sie sich bitte an:

Iota Silicone Oil Anhui Co., Ltd.

Vor dem kommerziellen Einsatz wird ein Mustertest unter den tatsächlichen Formulierungs- und Verarbeitungsbedingungen empfohlen.

Erst testen, dann kaufen – Formulierungsentscheidungen sollten auf Daten und nicht auf Werbeaussagen basieren.