Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Stabilisierung von polymerbasierten Beschichtungen gegen UV-C-Strahlung
Zielsetzung
Die Corona-Pandemie war ein Treiber für die Verbreitung von UV-C-basierten Desinfektionsgeräten, die sich noch immer im Einsatz befinden. Kommerziell erhältliche Geräte auf Basis von Quecksilberdampflampen (λ = 254 nm) und UV-C-LEDs (260 nm < λ < 290 nm) werden jetzt an vielen Orten in Innenräumen wie Supermärkten, öffentlichen Gebäuden und im privaten Umfeld eingesetzt. Besonders exponiert sind dabei bestrahlte Oberflächen von Möbeln (z.B. Tische, Schränke, Holzverkleidungen) und Fußböden (z.B. Laminate), die oft aus lackierten oder polymerbeschichteten Materialien bestehen. Der Schutz dieser dünnen Beschichtungen steht im Fokus des Projektes, weil die Eindringtiefe der zerstörerischen UV-C-Strahlung äußerst gering ist und so einen großen Einfluss auf die langfristige Haltbarkeit vieler hochwertiger Produkte haben kann. Ein effektiver Schutz dieser Materialien vor UV- Strahlung und insbesondere der hochenergetischen UV-C-Strahlung besteht oft nicht, da Beschichtungen und Oberflächen von Produkten für Innenanwendungen kaum oder gar nicht gegen UV-Strahlung stabilisiert sind.
Für Außenanwendungen werden Kunststoffe und Beschichtungen durch Additivierung gegen UV-A- und UV-B-Strahlung stabilisiert, jedoch tritt UV-C-Strahlung nicht in der Natur auf und wurde daher bisher in der Rezepturentwicklung nicht berücksichtigt. Es ist folglich unklar, ob und welche Additive auch einen ausreichenden Schutz gegen UV-C-Strahlung bewirken.
Inzwischen ist klar, dass einmal installierte UV-C-Desinfektionsgeräte über die Corona-Pandemie hinaus eingesetzt werden und bestrahlte lackierte oder polymerbeschichtete Oberflächen vorzeitig vergilben, ausbleichen oder rissig werden. Die Optik und Haptik der bestrahlten Produkte sind gefährdet und Reklamationen sind absehbar.
Ziele des Verbundvorhabens sind daher:
- die Wirksamkeit verfügbarer UV-Stabilisatoren gegen UV-C-Strahlung zu testen
- und anhand vorhandener Additive wirksame(re) Additivkombinationen zu identifizieren.
Angestrebt ist, dass Lack- und Farbhersteller sowie Hersteller von lackierten oder beschichteten Produkten durch die Projektergebnisse konkrete Handlungsempfehlungen an ihre Kunden ausgeben können, um so Reklamationen vermeiden zu können. Mit den aus dem Projekt entstehenden
Additivierungskonzepten soll geprüft werden, ob und wie gut eine UV-C-Stabilisierung für bestehende Lacke, Farben und Beschichtungen erzielt werden kann. So soll für alle beteiligten Firmen die Möglichkeit geschaffen werden, innovative UV-C-stabile Materialien, Formulierungen und Produkte herzustellen und gezielt zu vermarkten.
Schwerpunkte und Vorgehen
Zum Erreichen der Ziele wird das im Folgenden beschriebene Vorgehen vorgeschlagen. Eine detaillierte Abstimmung erfolgt zu Projektbeginn gemeinsam mit den Projektpartnern.
Schwerpunkte der Projektarbeit sollen
- die Untersuchung der Wirksamkeit marktverfügbarer UV-Additive gegen UV-C-Strahlung und
- die Entwicklung leistungsfähiger Schutzkonzepte auf Basis bestehender Additive sein.
Die Entwicklung selbst soll an ein oder zwei mit dem Konsortium gemein festgelegten Produkten erfolgen (z.B. ein Lack und eine Laminatbeschichtung). Eine Anwendungsprüfung erfolgt zum Projektende auf Wunsch mit einem Produkt pro Projektpartner.
Die Herstellung der additivierten Rezepturen erfolgt auf Basis der ausgewählten (unadditivierten) Basislacke am Fraunhofer LBF. Die Lacke werden gehärtet und mit UV-C-Strahlung beansprucht. Zu bestimmten Zeitpunkten werden Farbe und Glanz und der chemische Abbau durch FTIR untersucht. Ergänzend erfolgen nach Bedarf weitere lacktypische Prüfungen und lichtmikroskopische Aufnahmen zur Erfassung oberflächennaher Veränderungen. So soll die Schädigung der Beschichtungen durch UV-C-Bestrahlung systematisch erfasst werden. Auch die Auswahl der Messmethoden kann mit den Projektpartnern an die Auswahl der Lacke und deren Einsatzzwecke angepasst werden.
1. Untersuchung der Wirksamkeit bestehender UV-Additive
Zunächst werden die ausgewählten Basislacke mit marktüblichen UV-Stabilisatoren ausgerüstet. Es soll untersucht werden, welche Rolle die verschiedenen Additivklassen für eine erfolgreiche UV-C-Stabilisierung in Beschichtungen spielen. Die Beanspruchung durch regelmäßige, sehr kurze UV-C-Desinfektion ist mit der zerstörerischen Wirkung langjähriger Freibewitterung vergleichbar. Durch die höhere Energie der Photonen sind andere Abbaumechanismen als bei der üblichen Bewitterung mit UV-A/B-Strahlung zu erwarten. Die Wirksamkeit einzelner Stabilisatoren oder ganzer Gruppen kann dadurch verringert oder vollständig unterbunden sein. UV-Absorber, HALS, Quencher und Antioxidantien werden ebenfalls unter paritätischer Beteiligung des Konsortiums in die Untersuchungen einbezogen, um Anwendungsnähe zu gewährleisten.
Die additivierten Beschichtungen/Oberflächen werden dazu mit UV-C-Strahlung beaufschlagt und nach bestimmten Zeiten physikalisch-chemisch charakterisiert. Als Referenz sollen Proben gleicher Zusammensetzung UV-A-Strahlung nach genormten Verfahren ausgesetzt und charakterisiert werden, um die Wirksamkeit der Additive im Vergleich zur bekannten UV(-A)-Beanspruchungen zu bewerten.
2. Entwicklung potenter Schutzkonzepte auf Basis bestehender Additive
Auf Basis dieser Ergebnisse wird eine Musterformulierungen mit marktverfügbaren UV-Additiven entwickelt, die einen möglichst hohen UV-C-Schutz ergeben soll. Die Wirksamkeit dieser Formulierung wird für jeweils ein Produkt jedes Projektteilnehmers durch UV-C-Bestrahlung und Charakterisierung durch Farb- und Glanzmessungen sowie durch FTIR und Lichtmikroskopie untersucht und bewertet. Die Bereitstellung der Proben erfolgt dabei durch die Projektteilnehmer.
Ziel ist es, grundsätzliche Schutzkonzepte zu entwickeln, die die Projektpartner zur Stabilisierung gegen UV-C-Strahlung in ihren vorhandenen Rezepturen verwenden können.
Die Ergebnisse werden den Projektpartnern in regelmäßigen Treffen im Rahmen eines Vortrages präsentiert und die jeweils nächsten Arbeitsschritte besprochen. Alle Ergebnisse werden zum Projektende in Form eines ausführlichen Forschungsberichtes dokumentiert und den Projektpartnern zur Verfügung gestellt.