Flüchtige organische Verbindungen (VOCs) werden von der EPA definiert als „jede Kohlenstoffverbindung, mit Ausnahme von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Kohlensäure, Metallcarbiden oder -carbonaten und Ammoniumcarbonat, die an atmosphärischen photochemischen Reaktionen teilnimmt“. Die häufigste Quelle für VOCs in der Farben- und Beschichtungsindustrie sind „Lösungsmittel und Verdünnungsmittel“, die in der Formulierung selbst oder während der Produktanwendung verwendet werden (Abbildung 1), um die Viskosität zu reduzieren.

Lösungsmittel & Verdünnungen

Die Begriffe „Lösungsmittel oder Verdünnungsmittel“ beziehen sich in der Regel auf organische Lösungsmittel, die Kohlenstoff enthalten. Organische Lösungsmittel können in drei Haupttypen eingeteilt werden, die im Folgenden beschrieben werden:

Sauerstoffhaltige Lösungsmittel: Enthalten Sauerstoff und werden aus anderen Chemikalien synthetisiert.

• Beispiele:   Alkohol, Ester, Glykolether und Ketone, einschließlich Methylethylketon.

Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel: Enthalten Wasserstoff und werden hauptsächlich aus Erdöl gewonnen.

• Beispiele:  Aceton, Acetonitril, Benzol, Dioxan, Benzin, Hexan, Kerosin, Methanol, Phenol, Styrol, Toluol, Terpentin, Xylol sowie aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe.

Halogenierte Lösungsmittel: Enthalten eines oder mehrere der Halogenelemente: Chlor, Brom, Fluor oder Jod. Die meisten halogenierten Lösungsmittel enthalten Chlor und werden dann als chlorierte Lösungsmittel bezeichnet.

• Beispiele:  Ethylendichlorid, Methylenchlorid, Perchlorethylen, 1,1,1-Trichlorethan und Trichlorethylen.

Eine wachsende Nachfrage nach VOC-armen und -freien Beschichtungsprodukten

In den letzten Jahren gab es eine wachsende Nachfrage nach Low- und Zero-VOC-Beschichtungsprodukten. Der Markt für diese Art von Produkten wird durch ein verstärktes Bewusstsein der Verbraucher für die negativen Auswirkungen von VOCs am Arbeitsplatz und im größeren Umweltbereich und der daraus resultierende Wunsch, „grünere“ und umweltfreundlichere Produkte zu kaufen, vorangetrieben. Diese VOC-Verbindungen haben sich in der Vergangenheit als nützlich erwiesen, um die Viskosität zu verringern, um das Auftragen zu erleichtern, und um die Filmbildung und die endgültige Filmqualität zu fördern.

In den letzten Jahren bezog sich das Interesse und die Aktivitäten im Zusammenhang mit dem Gehalt an VOCs in der Farben- und Beschichtungsindustrie hauptsächlich auf Baufarben (aufgrund der schieren Größe und des Volumens des Marktes). Dennoch sehen sich Hersteller von Industrielacken, insbesondere von Korrosionsschutz- und Hochleistungsschutzlacken, unter Druck gesetzt, die VOC-Emissionen ihrer Produkte zu reduzieren.

Diese Beschichtungshersteller werden auch durch andere Rechtsvorschriften motiviert, die nicht spezifisch für VOCs sind. Sie reagieren auf andere Faktoren wie REACH in Europa, neue Leitlinien von Normungsorganisationen wie NACE International , durch die Anlagenrichtlinien ihrer nachgelagerten Kunden oder durch ihre eigenen umweltfreundlichen Strategien, um die am wenigsten gefährliche Option anzubieten, ohne unnötige Kompromisse zu machen Leistung. Als Ergebnis formulieren sie weg von erhöhten VOC-Gehalten und konzentrieren sich stattdessen auf Systeme mit geringen bis gar keinen Emissionen.

Bewertung des VOC-Gehalts in Farben/Beschichtungen

Die VOC-Werte in Lacksystemen werden wie folgt kategorisiert:

• >250g/l ist ein sehr hohes
• 100 – 249 g/l ist hoch
• 50 – 99 g/l ist moderat
• 5 – 49 g/L niedrig
• <5g/l ist sehr niedrig

Vorteile von Low- und Zero-VOC-Beschichtungen

In der Industrie für industrielle Schutzbeschichtungen konzentrieren sich die Hersteller auf die Erhöhung des Feststoffgehalts (Senkung von VOCs) innerhalb des aufgetragenen Films, um die Einhaltung der Umweltvorschriften zu fördern und die Leistung zu verbessern.

Zusätzliche Vorteile des niedrigeren VOC und der immer beliebter werdenden 100 % Feststoffbeschichtungen sind:

• Verbesserte Leistung = längere Überarbeitungszyklen
• Bessere Kantenhaltigkeit beim Trocknen = reduziertes Eindringen von Rostzonen an den Kanten
• Höhere aufgetragene Schichtdicken = schnellere Auftragsrate bei geringeren Arbeitskosten
• Nicht brennbar ermöglicht weniger Fracht, Lagerung und Sicherheit, wenn es verwendet wird.
• Verbesserte Luftqualität im Arbeitsbereich

Beispielsweise kann eine herkömmliche Beschichtung mit hohem VOC-Gehalt mit einem VOC-Gehalt von 200 g/l (1,6 lbs/G) während des Auftragens und Aushärtens bis zu 15-20% der aufgetragenen Filmdicke verlieren. Um eine bestimmte Trockenfilmdicke für Leistungsanforderungen zu erreichen, müssen daher möglicherweise mehrere Schichten aufgetragen werden. Während des Trocknungsprozesses – wenn die Lösungsmittel den Film verlassen – kommt es zu einer gewissen Schrumpfung (bis zu 15-20 %), was zu einer erhöhten Spannung an der Grenzfläche zwischen Film und Substrat führt. Diese Spannung kann zu Spannungsabbaurissen (Abbildung 2) und nachfolgenden niedrigeren Haftwerten führen, die die erwartete Langzeitleistung des Films verringern.

Darüber hinaus können Lösungsmittel in der Folie eingeschlossen werden, wenn unzureichende Belüftung verwendet oder zu hohe Schichtdicken aufgetragen werden. Dieses Ergebnis kann zu einem plastifizierten (ungehärteten) Film mit geringeren gehärteten mechanischen, chemischen und thermischen Eigenschaften führen.

Im Gegensatz dazu würde eine Beschichtung mit sehr niedrigem VOC-Gehalt mit einem VOC-Gehalt von 3 g/l (0,02 lbs/G) nur 0,2 % der aufgetragenen Filmdicke während des Auftragens verlieren, was zu geringeren Schrumpfspannungen und höheren Zughaftungswerten führt.

Die Beschichtungen mit sehr niedrigem VOC-Gehalt und 100 % Feststoffanteil ergeben außerdem:

• Höhere aufgetragene Schichtdicken pro Schicht
• Geringere Bewerbungskosten
• Bessere Kantenabdeckung
• Verlängerte Leistung aufgrund des Fehlens von eingeschlossenem Lösungsmittel (VOC) in der Folie

Zusammenfassung

Farben, Beschichtungen und Klebstoffe verursachen einen erheblichen Anteil an VOC-Emissionen in Wohn-, Gewerbe- und Industriemärkten. Aufgrund der Natur von VOCs bietet ihr Einsatz in Lacksystemen spezifische Vorteile wie einfache Anwendung, Oberflächenverträglichkeit und schnelle Überlackierung, da sie den Filmkoaleszenzprozess während der „Trocknung“ unterstützen.

Die kompensierenden Negative sind erhöhte Emissionen von VOCs in die Umwelt, reduzierte aufgetragene Schichtdicke, die die Anzahl der erforderlichen Schichten erhöht, um die angegebene Gesamtschichtdicke zu erreichen, Schrumpfspannungen beim Härten, die die Haftung und andere kritische Leistungsmerkmale reduzieren, explosive und/oder brennbare Arbeitsumgebungen aufgrund von Lösungsmitteln Verdunstung, die die Sicherheit am Arbeitsplatz beeinträchtigt, und erhöhte Kosten für gefährliche Abfälle sowie Frachttransport und Lagerung.

Die Schutzlackindustrie ist sich der Vor- und Nachteile von VOCs in ihren Lacksystemen bewusst und reagiert darauf, dass sie die zulässigen Grenzen einhält und nach Alternativen sucht, die Kosten-, Handhabungs- und Leistungsanforderungen erfüllen. Formulierungen mit hohem Feststoffgehalt und 100 % Feststoffen werden in praktisch allen Weltmärkten weiterhin Marktanteile gegenüber lösemittelhaltigen Produkten gewinnen, da die Lackhersteller weiterhin die VOC-Emissionen reduzieren, um behördlichen Vorschriften und Verbraucherpräferenzen zu entsprechen.

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Steve Bowditch

 

Steve Bowditch ist der Global Market Development Manager für ARC-Effizienz und Schutzbeschichtungen. Er ist NACE Level III CIP Inspector und SSPC Corrosion Specialist mit über 35 Jahren Erfahrung in den Bereichen Entwicklung und Anwendungen von Schutzbeschichtungen. Wenn er nicht gerade in die aufregende Welt der Schutzlacke eintaucht, segelt er hoffentlich auf einer Hinckley Bermuda 40′ irgendwo in der Nähe einer tropischen Inselkette.