Holz und Holzwerkstoffe werden in großer Zahl mit UV-Lacken beschichtet. Trotz vieler Vorteile, können Schadensbilder auftreten.

• Fehler: Lackablösung, Migration, Delamination, Vergilbung
• Substrat: Holz
• Ursache: verschiedene
• Mögliche Lösung: siehe Text

UV-Lacke werden als flächige Beschichtungen bei Möbeln und Fußbodenbelägen aufgrund ihrer überzeugenden Eigenschaften gern genutzt. Die direkte Belastbarkeit der Oberflächen nach deren zeitnaher Vernetzung ist hierbei nur einer der Vorzüge. Dieser Beitrag zeigt jedoch, dass auch bei der UV-Lackierung der „Teufel im Detail“ steckt, um Schäden zu vermeiden.

Ist von UV-Lacken die Rede, so ist diesen Systemen gemein, dass sie im Gegensatz zu rein physikalisch trocknenden Systemen eine zusätzliche chemische Vernetzung erfahren, die durch UV-Licht induziert wird. Hierfür enthalten diese Lackformulierungen zusätzliche Fotoinitiatoren, die durch die Bestrahlung mit UV-Licht angeregt werden, zerfallen und die Vernetzungsreaktion der Lackmono- und -oligomere in Gang setzen.

Um die Vernetzungsreaktion in ausreichendem Umfang zu gewährleisten, sind vor allem deren korrekter Initiatortyp und die richtige Dosierung erforderlich, aber auch die geeigneten technischen Prozessparameter wie die richtige UV-Dosis sowie die richtige Strahlerkombination entscheidend. Selbst das Beachten der wichtigsten Einflussfaktoren verhindert nicht immer das Auftreten von Schäden. Denn häufig sehen die Produkte direkt nach der Produktion unauffällig aus und bestehen interne Qualitätskontrollen. Welche Schadensbilder auftreten können und wo hierbei die Ursachen zu suchen sind, wird in diesem Artikel näher beleuchtet.

Lackablösungen bei pigmentierten Parkettlacken

Im ersten Schadensfall wurde auf einem Parkett ein mehrschichtiger UV-Lackaufbau, teilweise nass-in-nass und teilweise mit Zwischenschliff, aufgebracht. In Abhängigkeit vom avisierten Farbton erfolgte teilweise die Nutzung einer pigmentierten UV-Grundierung. Eine weitere Besonderheit war die Applikation einer wasserbasierten Beize auf dem Eichenholz vor der UV-Lackierung, um den Farbton der Oberfläche weiter anzupassen. Es zeigte sich, dass nach wenigen Monaten der Nutzung bestimmte Farbserien des Parketts zu großflächigen Ablösungen des Lackaufbaus von der Oberfläche neigten, wohingegen insbesondere eine Farbkombination unauffällig war. Die Haftungsschwäche konnte durch eine Gitterschnittprüfung gemäß ISO 2409 bestätigt werden (GT 4 – 5), wobei die äquivalente Neuware eine sehr gute Haftung (GT 0) zeigte. Eine mikroskopische Analyse bestätigte, dass sich hierbei der UV-Lackaufbau von der Beize löste (Abb. 1).

Worin bestand jedoch der Unterschied zwischen den Farbvarianten mit und ohne Haftungsschwäche? Der mittels IR-Spektroskopie ermittelte Aushärtegrad auf der Rückseite der UV-Grundierung lag bei den untersuchten Mustern mit einem Umsatz an Doppelbindungen von ca. 90 % auf einem ähnlichen Niveau, sodass eine per se zu geringe UV-Dosis und Fotoinitiatoranteile unwahrscheinlich waren.

Fotoinitiatoren migrieren

Eine weiterführende Analyse des Lackaufbaus mittels Extraktion und gaschromatografischer Analyse offenbarte jedoch, dass in allen Mustern Reste an Fotoinitiatoren und Reaktivverdünnern nachweisbar waren. Dies ist an sich nicht ungewöhnlich, jedoch waren die Mengen erfahrungsgemäß substanziell. Diese Verbindungen können zur Migration neigen und eine weichmachende Wirkung haben. Aus diesem Grund wurde zusätzlich zum bereits durchgeführten Gitterschnitt eine Haftfestigkeit gemäß ISO 4624 an den Varianten ermittelt. Somit können durch die ermittelten Haftzugwerte zusätzliche Informationen zur Stabilität des Beschichtungsaufbaus erhalten werden. Bei diesen Untersuchungen zeigte sich, dass die Farbvarianten mit Ablösung einerseits eine höhere Pigmentkonzentration in Beize und Grundierung und andererseits auch schon im Neuzustand geringere Kraftwerte bis zum Versagen der Beschichtung aufwiesen. Nach einer Klimalagerung nahmen die Haftzugwerte bei allen Varianten ab, jedoch lag die nicht beschädigte Farbvariante nach der Klimalagerung immer noch bei höheren Werten als die problematischen Farbvarianten vor der Lagerung.

Das legt den Schluss nah, dass eine ungünstige Kombination von hochpigmentierter Beize und UV-Grundierung mit einem UV-Decklackaufbau durch Migration nicht umgesetzter Reaktivverdünner und Fotoinitiatoren in die Beize zu einer Erweichung und Reduzierung der Haftung der Beize zur Grundierung führten. Bei der geringer pigmentierten Farbvariante waren durch die bessere UV-Durchdringung des Aufbaus einmal geringere Mengen an migrierbaren Substanzen vorhanden, gleichzeitig besaßen die Beize und die UV-Grundierung einen höheren Bindemittel-zu-Pigmentanteil und damit eine intrinsisch geringere Anfälligkeit für eine Erweichung. Abschließend ist zu erwähnen, dass das Problem beim Einsatz einer UV-härtenden Beize wahrscheinlich ebenfalls nicht aufgetreten wäre, da 1K-Hydrobeizen aufgrund ihrer ausschließlich physikalischen Trocknung anfälliger für Erweichung als ein reiner UV-Aufbau sind. Daher ist vorab immer kritisch zu prüfen, ob UV-Lacke mit anderen Lacksystemen kombiniert werden sollten..

Delaminierung bei transparenten UV-Parkettsystem

Im zweiten Schadensfall wird ebenfalls ein Parkettlackaufbau auf UV-Basis näher beleuchtet. Hierbei kamen ausschließlich transparente UV-Lacke ohne Beize zum Einsatz. Der Aufbau wurde mit sogenannten 100-%-Systemen ohne Lösungsmittelzusatz realisiert. Die Haftung des Aufbaus war in der internen Qualitätskontrolle ebenfalls unauffällig. Erste Reklamationen zeigten sich nach ca. 2 bis 3 Jahren durch eine Delaminierung innerhalb des Lackaufbaus. Nachdem dieser im Labor nochmals nachvollzogen wurde, erfolgte dessen mikroskopische Analyse. Hierbei konnte die zur Ablösung neigende Schicht ermittelt werden (Abb. 2).

Der Beschichtungsablauf bis zur Trennschicht erfolgte nass-in-nass mit vollständiger UV-Härtung und einem Zwischenschliff. Die darüberliegenden Schichten wurden dann auf der geschliffenen Oberfläche appliziert und nochmals durchgehärtet. Eine nachfolgende Analyse der Lackaushärtung an der Trennschicht ergab mittels IR-Spektroskopie sehr gute Werte von ca. 96 % Umsatz an Doppelbindungen, sodass die Lampenleistung nahezu sicher ausreichend war. Reste an Fotoinitiatoren waren auf einem erfahrungsgemäß moderaten Level nachweisbar. Aus diesem Grund wurde der Beschichtungsaufbau bis zur Trennschicht durch den Hersteller nachgestellt und durch das IHD weiter untersucht. Es stellte sich heraus, dass im Zuge des Schleifprozesses Staub auf der Oberfläche verblieb, der grundsätzlich eine nachfolgende physikalische Haftung der zwei Decklackschichten erschwerte.

Weiterhin lag der Durchhärtungsgrad des Lackaufbaus vor der Applikation der zwei Decklackschichten schon bei ca. 96 %, sodass die nachfolgenden Schichten rein physikalisch hafteten und keine chemische Anbindung mehr möglich war. Daher wurde der Härtungsprozess in Kooperation mit dem Auftraggeber soweit angepasst, dass ein Optimum zwischen Schleifbarkeit und noch vorhandener chemischer Restreaktivität gewährleistet werden konnte, um zusätzlich zur physikalischen auch eine chemische Anbindung zu ermöglich. Dies minimiert das Risiko für alterungsbedingte Enthaftungen, die im Zuge von inneren Lackspannungen und ggf. Resten an migrierbaren Lackbestandteilen auftreten können. Ein zusätzlicher Klimawechseltest bestätigte die Haftung des optimierten Lackaufbaus nach Alterung.

Vergilbte Küchenmöbel im Neubau

Im letzten vorgestellten Schadensfall wurde ein UV-Lackaufbau auf Küchenmöbeln näher untersucht. Der Aufbau war hierbei ebenfalls mehrschichtig und mit ausschließlich 100-%-Systemen realisiert. Die Küchenmöbel wurden in einem Neubau eingebaut, der mehrere Monate ohne Nutzung abgedunkelt vorlag. Nach Wiederbesichtigung zeigte sich eine deutliche Vergilbung der Küchenfronten. Auch hier wurde eine mikroskopische Untersuchung durchgeführt, um die vergilbte Schicht zu identifizieren. Mit Hilfe des Einsatzes von UV-Licht konnte die Vergilbung als eine leuchtende Schicht deutlich sichtbar gemacht werden (Abb. 3).

Anschließend wurde auch hier die Aushärtung der Decklackschicht an der Oberfläche durch IR-Spektroskopie ermittelt. Hier zeigte sich eine moderate Aushärtung von ca. 70 %, sodass ggf. Restacrylate in der Beschichtung vorhanden waren oder der Lack mit den gewählten Bestrahlungsparametern generell nur eine geringere Vernetzung als andere Systeme erreichen konnte. Um eine zu geringe UV-Dosis bei der Härtung ausschließen zu können, wurde eine Extraktion mit anschließender gaschromatografischer Analyse durchgeführt. Diese ergab für das schadhafte Muster deutlich niedrigere Restfotoinitiatorgehalte als für eine untersuchte neue Referenz. Ferner wurden keine substanziellen Mengen an Reaktivverdünnern gefunden, wobei hier je nach Molekülgröße nicht alle Substanzen erfasst werden können. Somit schien eine zu geringe UV-Dosis nicht ursächlich für das Schadensbild zu sein. Um zu überprüfen, ob die Komponenten des UV-Lackes in die Vergilbung involviert waren, wurde die vergilbte Front einer 14-stündigen Belichtung mittels Xenon-UV-Lampe unterzogen. Im Anschluss zeigte sich deutlich eine Entfärbung der Oberfläche (Abb. 4).

Vergilbung ohne Lichteinfall

Die Vergilbung war vollständig abgebaut und die Originalfarbe analog der Neuware sichtbar. Damit war nachgewiesen, dass es sich um eine Dunkelvergilbung handelte. Fotoinitiatoren sind reaktive Moleküle, die auch ohne UV-Licht zu einer Reaktion neigen können. Daher scheinen Restfotoinitiatoren die wahrscheinlichste Ursache für die Vergilbung zu sein. Diese könnten im Zuge einer Dunkelvergilbung und einer damit z. B. einhergehenden Oxidation zu einer gelb erscheinenden Spezies reagiert haben. Somit waren diese Verbindungen auch nicht mehr als Fotoinitiatoren mit Hilfe der Gaschromatografie nachweisbar. Durch eine UV-Bestrahlung wurde dann wahrscheinlich ein Zerfall und damit eine Entfärbung angeregt. Daher ist bei UV-Beschichtungen die optimale Dosierung des Fotoinitiators und die Vernetzungsparameter zu ermitteln, um spätere Vergilbungen zu vermeiden. Dass eine Küche längerfristig dunkel gelagert wird, ist hierbei jedoch eher schwer vorherzusehen.

Zum Netzwerken:

Institut für Holztechnologie Dresden gemeinnützige GmbH (IHD)
Dr. Florian Kettner, Tel. +49 351 4662 498
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