Fluorierte Verbindungen unter der Lupe!

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In der Lackindustrie werden Fluortenside und andere fluorierte Additive aufgrund ihres starken Einflusses auf die Oberflächenspannung und -energie von Farben und Lacken eingesetzt. Durch die Reduzierung der Oberflächenspannung können Lacke Substrate gleichmäßiger benetzen, was sowohl Optik als auch Leistung verbessern kann. Sie können außerdem die Beständigkeit gegen Wasser, Öl und Schmutz verbessern, was die Haltbarkeit und Schutzleistung erhöht.

Was macht Fluortenside so besonders?

Fluortenside können kationisch, anionisch oder nichtionisch sein. Ihr Fluorgehalt und ihre Struktur variieren. In einigen Fällen dient die Fluorkomponente als Modifikator für andere Polymere. Dies führt zu einem breiten Produktportfolio mit unterschiedlichen Effekten sowohl in flüssigen Beschichtungen als auch in getrockneten Filmen. Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von Fluor, wie geringen intermolekularen Wechselwirkungen und hochstabilen kovalenten C-F-Bindungen, können bereits geringe Mengen Fluortenside die Oberflächenspannung deutlich reduzieren und eine ausgeprägte Hydrophobie erzeugen. Letztere trägt dazu bei, die Schmutzhaftung auf Oberflächen zu verringern.

Die Silikonalternative

Angetrieben von Nachhaltigkeit und regulatorischen Entwicklungen suchen viele Unternehmen nach umweltfreundlichen Alternativen. Silikonbasierte Additive sind eine vielversprechende Option und bieten ähnliche Vorteile wie Fluortenside, insbesondere hinsichtlich der Reduzierung der Oberflächenspannung und der Verbesserung der Oberflächenenergie. Der Schlüssel liegt in der sorgfältigen Auswahl und Kombination dieser silikonbasierten Additive.

Empfehlungen für PFAS-freie Oberflächenadditive

PFAS-basierte Additive werden weltweit in vielen Beschichtungen und Anwendungen eingesetzt. Der erste Schritt zu ihrem Ersatz besteht darin, die Funktion des Additivs im jeweiligen System zu verstehen. Je nach gewünschter Eigenschaft können unterschiedliche chemische Strategien angewendet werden. Mit einem klaren Ziel und dem Bewusstsein für die Grenzen lassen sich wirksame Alternativen finden.

Reduzierung der statischen Oberflächenspannung

Eine gute Substratbenetzung ist gegeben, wenn die Oberflächenspannung der Beschichtung gleich oder geringfügig niedriger als die Oberflächenenergie des Substrats ist. Wasserbasierte Systeme stellen oft eine Herausforderung dar, da ihre Oberflächenspannung deutlich höher ist als die von lösemittelbasierten Systemen. Ist Silikonverträglichkeit erforderlich, können Polysiloxane zur moderaten Reduzierung der Oberflächenspannung eingesetzt werden. Zur starken Reduzierung in wasserbasierten Systemen werden häufig Silikontenside eingesetzt.

Definition der Produktanforderungen

Um PFAS-freie Alternativen zu finden, ist die Definition der Produktanforderungen unerlässlich. Ein Vergleich der verfügbaren fluorierten Additive zeigt unterschiedliche Grade der Oberflächenspannungsreduzierung. Dies gilt auch für fluorfreie Optionen (siehe Abbildung 1). 0,02 % Wirkstoff der Fluortenside 1 und 2 führen nur zu einer geringen Reduzierung der Oberflächenspannung (von 72,8 auf ca. 45 mN/m). Ein ähnlicher Effekt kann mit einem silikon- und lösungsmittelfreien Tensid auf Basis modifizierter Bernsteinsäure und -ester erzielt werden. Auch die Fluortenside 3–7 reduzieren die Oberflächenspannung moderat um ca. 44 bis 49 mN/m. Ähnliche Reduktionen lassen sich mit polyethermodifizierten Polydimethylsiloxanen oder anderen modifizierten Polysiloxanen erzielen. Fluortensid 8 reduziert die Oberflächenspannung sehr effektiv, eine gleichwertige Leistung ist jedoch mit entsprechend modifizierten Silikonalternativen möglich.

Abb. 1: Effektive Reduzierung der statischen Oberflächenspannung durch den Einsatz von Silikontensiden.

Wasserbasierter Klarlack

Alle Effekte wurden bei 0,02 % Wirkstoff gemessen. In der Praxis werden Dosierungsbereiche für optimale Leistung empfohlen. Ein ähnliches Verhalten zeigt sich bei einem wasserbasierten 2K-PU-Klarlack (Abb. 2). Hier sinkt die Oberflächenspannung mit nur 0,1 % fluorfreiem Tensid von 34,2 auf unter 30,0 mN/m. Dies verbessert sowohl die Benetzung als auch den Verlauf. Fluortenside reduzieren die Oberflächenspannung oft übermäßig und beeinträchtigen andere Eigenschaften, wie z. B. die Schaumstabilisierung. Ein Schaumtest (Skala 1 = kein Schaum bis 5 = hohe Schaumstabilität) zeigt eine deutlich geringere Schaumstabilisierung mit fluorfreien Tensiden. Fast alle Fluortenside wirken stark schaumstabilisierend.

Abbildung 2: Statische Oberflächenspannung und Makroschaum in einem wasserbasierten 2K-PU-Klarlack; 0,1 % aktives Tensid.

Spreitungsverhalten von Flüssigkeiten

Ein weiterer Aspekt ist der Einfluss von Additiven auf die Spreitung von Lösemitteln auf verschiedenen Substraten – entscheidend für gutes Fließen und Benetzen des Lacks. In Spreitungstests werden Additive mit Lösemitteln gemischt und (nach 24-stündiger Konditionierung) auf unpolare Substrate wie PE, PP, PET und PVC aufgetragen. Ein Tropfen von 0,01 ml wird drucklos aufgetragen und die Spreitung nach 10 und 30 Sekunden gemessen. Reines Wasser benetzt das Substrat nicht, während Wasser mit Tensidzusatz sofort spreitet. Genaues Timing ist entscheidend. Fluortenside haben wenig Einfluss auf die Spreitung. Nur die Fluortenside 6 und 10 erzielen marginale Verbesserungen. Auch fluormodifizierte Acrylate zeigen eine eingeschränkte Spreitung. Polyethermodifizierte Polysiloxane hingegen vergrößern den Tropfendurchmesser deutlich und verbessern so die Benetzung auf allen Substraten.

Benetzungsverhalten ohne Fluortenside

Die Benetzung hängt eng mit dem Verlauf und der Oberflächenspannung zusammen. Fluortenside beeinflussen zwar die Oberflächenspannung, haben aber oft nur einen geringen Einfluss auf die Ausbreitung. Daher sollte das Benetzungsverhalten beim Austausch von Additiven direkt bewertet werden. Abbildung 3 zeigt eine PU-Dispersion ohne Tensid, die PU-Leder nicht benetzt. Ein Fluortensid mit 0,02 % verbessert dies, bleibt aber suboptimal. Bei 0,2 % ist das Ergebnis deutlich besser. Dieser Effekt lässt sich mit fluorfreien, polyethermodifizierten Polysiloxanen erreichen. Hier sollte ein Fluortensid die Oberflächenspannung auf 22,9 mN/m reduzieren, während das Silikontensid eine ähnliche Benetzung mit 29,2 mN/m erreicht. Bei schwierigen Substraten muss die Dosierung gegebenenfalls angepasst werden.

Abb. 3: Benetzung einer PU-Dispersion auf PU-Leder.

Fließverhalten ohne Fluortenside

Auch bei guter Benetzung müssen Verlauf und Optik für ein glattes Ergebnis optimiert werden. Trotz geringerer Oberflächenspannung mit einem Fluortensid wird keine vollständige Benetzung des Untergrunds erreicht. Im Vergleich zur tensidfreien Variante ist die Verbesserung zwar sichtbar, aber unzureichend. Für einen optimalen Verlauf muss sich die Oberflächenspannung der des Untergrunds annähern und die polaren/dispersiven Anteile müssen ausgeglichen sein. Polyethermodifizierte Polysiloxane bieten hier Vorteile. Sie verbessern die Benetzung, ohne die Oberflächenspannung zu stark zu reduzieren oder das Polaritätsgleichgewicht zu stören. Dies sorgt für besseren Verlauf, weniger Applikationsspuren, vollständige Deckung und eine homogenere Oberfläche.

Veranstaltungstipp: PFAS

Die nächste EU-Konferenz zu PFAS findet am 3. und 4. Dezember 2025 in Köln statt – und ist aktueller denn je: Ein europäisches Verbot fluorierter Substanzen könnte ab 2026 in Kraft treten. Wie weit ist die Industrie bei der Neuformulierung PFAS-freier Beschichtungen fortgeschritten? Welche Stoffgruppen stehen im Fokus? Und welche funktionalen Alternativen gibt es bereits? Internationale Experten präsentieren neueste Materialentwicklungen, regulatorische Herausforderungen und Strategien für fluorfreie Formulierungen. Themen sind unter anderem: PFAS-Materialien, Substitutionsstrategien, die Auswirkungen von Regulierungen und Implikationen für die Industrie.

Quelle: European Coatings
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