Funktion und Rolle von Siliziumdioxid der Standardserie in Lacken

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1. Rheologische Additive
Die Rheologie ist eine wichtige Eigenschaft von Lacken – sie beeinflusst direkt das Erscheinungsbild des Lackes, seine Verarbeitungseigenschaften sowie seine Stabilität bei Lagerung. Die Anforderungen an rheologische Additive unterscheiden sich je nach Lacksystem. In ölbasierten Systemen wirken die meisten rheologischen Additive durch die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen. Unbehandelte Siliziumdioxidaggregate enthalten zahlreiche solcher Bindungen – einige davon sind isoliert und unbeeinflusst, andere hingegen sind miteinander verbunden und bilden so ein dreidimensionales Netzwerk. In ölbasierten Systemen entsteht dadurch leicht eine solche Struktur. Unter mechanischem Druck wird diese Struktur zerstört, wodurch die Viskosität sinkt und der Lack wieder gut fließfähig wird. Wenn der Scherdruck verschwindet, kehrt die dreidimensionale Struktur wieder zurück und die Viskosität steigt. In völlig unpolaren Flüssigkeiten dauert es nur Bruchteile einer Sekunde, bis die Viskosität wieder normal ist. In polaren Flüssigkeiten ist die Wiederherstellungsdauer länger – dies hängt von der Konzentration des Siliziumdioxids sowie vom Grad seiner Dispersion ab. Diese Eigenschaft ermöglicht es ölbasierten Lacken, sehr gute Lager- und Verarbeitungseigenschaften zu haben – insbesondere bei dicken Lackschichten. Dadurch bleibt der Lack auch unter bestimmten Scherkräften gut fließfähig, während gleichzeitig eine gleichmäßige Schichtdicke gewährleistet wird. Während der Verarbeitung kann es aufgrund des schnellen Verdunstens des Lösungsmittels an den Rändern der Schicht zu Unebenheiten kommen. Das Siliziumdioxid-Netzwerk verhindert jedoch effektiv, dass der Lack an diese Stellen wandert, wodurch eine gleichmäßige Schichtdicke entsteht. Zudem erhöht Siliziumdioxid durch die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen die Viskosität im System – dadurch entsteht eine verdickende Wirkung. Deshalb wird Siliziumdioxid in ölbasierten Systemen häufig verwendet.

2. Sedimentationshemmer
Gasförmiges Siliziumdioxid ist ein idealer Sedimentationshemmer – es ist besonders effektiv dabei, das Absinken von Farbpigmenten im Lacksystem zu verhindern. Insbesondere in Farbstoffsystemen verbessert eine angemessene Menge an Siliziumdioxid die Stabilität des Farbstoffs. Zudem kann die Menge an Tensiden reduziert werden, was wiederum die Verwendbarkeit des Farbstoffs verbessert und seinen Einfluss auf das Lacksystem verringert. Die sedimentationshemmende Wirkung von Siliziumdioxid ist besonders vorteilhaft für die Lagerung von Lacken – insbesondere bei bestimmten Pigmenten wie Metallpartikeln, die leicht absinken und nicht vollständig suspendiert werden können. Mit Siliziumdioxid kann sichergestellt werden, dass diese Pigmente nicht absinken. In der Regel liegt die Menge an Siliziumdioxid zwischen 0,4 % und 0,8 % der Gesamtmenge des Lackes. In besonderen Fällen, wie z. B. bei Zinkschutzlacken, muss die Menge auf 2 % erhöht werden.

3. Dispergiermittel
In Pulverlacksystemen kann Siliziumdioxid aufgrund seiner kleinen Partikelgröße und hoher Oberflächenenergie an der Oberfläche der Lackpartikel haften und dort eine Schicht bilden. Dadurch wird die Dispersion der Partikel verbessert – Siliziumdioxid kann somit als Dispergiermittel verwendet werden. In demselben Lacksystem kann gasförmiges Siliziumdioxid die Dispergierzeit erheblich verkürzen und die Produktivität steigern. Es ist jedoch wichtig, dass Siliziumdioxid vollständig dispersiert wird – die Menge sollte in der Regel nicht über 1 % liegen. Zu große Mengen führen dazu, dass das System zähflüssiger wird, was die Dispergierung erschwert. In besonderen Fällen, wie z. B. bei Zinkschutzlacken, kann eine Menge von 2 % verwendet werden – in diesem Fall sollten weitere rheologische Additive hinzugefügt werden, um die Rheologie von Siliziumdioxid anzupassen.

4. Mattiermittel
Der Brechungsindex von Siliziumdioxid liegt bei 1,46–1,52 – dieser Wert ist nahe am Brechungsindex der Bindemittel im Lack. Dadurch hat Siliziumdioxid keinen Einfluss auf die Farbe der Lackschicht. Während des Aushärtungsprozesses wandert Siliziumdioxid an die Oberfläche der Lackschicht und sorgt dort für eine gewünschte Rauheit. Dadurch wird die Oberflächenglanzheit deutlich reduziert – Siliziumdioxid ist somit ein gutes Mattiermittel. Bei der Verwendung von gasförmigem Siliziumdioxid muss darauf geachtet werden, dass die Partikelgröße zur Dicke der Lackschicht passt. In dicken Lackschichten führen zu feinen Partikeln nicht zu der gewünschten Rauheit. Umgekehrt führen zu grobe Partikel in dünnen Lackschichten zwar zu einem guten Mattierungseffekt, doch die Rauheit der Lackoberfläche ist dann für die meisten Nutzer unakzeptabel. Im Allgemeinen eignen sich Partikelgrößen von 3–7 für Lacksysteme mit einer Trockenschichtdicke von 15–40. Siliziumdioxid kann zur Herstellung von Lacken verwendet werden – nicht nur indem es in Form einer Paste zubereitet und anschließend dem Lack hinzugefügt wird, um ihn zu dispergieren, sondern auch direkt in den Lack eingemischt werden. In der Regel wird in einem Behälter durch einen Rührpropeller mit einer Lineargeschwindigkeit von 20 m/s (ca. 1000 Umdrehungen pro Minute) eine ausreichende Vermischung bereits nach 10–15 Minuten erreicht. 5. Abnutzungsresistenz: Siliziumdioxid, das durch Oberflächenbehandlung mit Methylacrylsilan behandelt wird, kann in Polyurethan-Beschichtungen eingefügt werden, um eine abriebfeste Wirkung zu erzielen. Durch die Zugabe von 5%-15% gasförmigem Siliziumdioxid kann die Reibfestigkeit um 10%-35% verbessert werden. Gleichzeitig werden weder die Rheologieeigenschaften der Beschichtung noch die optischen Eigenschaften der trockenen Schicht negativ beeinflusst. 6. Weitere Funktionen: Siliziumdioxid kann außerdem die Wetterbeständigkeit sowie die Kratzfestigkeit von Lacken verbessern. Zudem steigert es die Haftkraft zwischen der Beschichtung und dem Trägermaterial. Siliziumdioxid weist zudem eine starke Fähigkeit zur Absorption von Ultraviolettstrahlen sowie zur Reflexion von Infrarotstrahlen auf. Durch seine Beimischung in Lacke wird deren Alterungsresistenz erhöht.