Einflüsse der Schichtstrukturen von Coil-Coating-Beschichtungssystemen und deren Eigenschaftsprofile

Polyesterharze sind die verbreitetsten Coil-Coating-Beschichtungsstoffe und werden häufig mit Melaminharz vom Typ Hexamethoxymethylmelamin (HMMM) vernetzt. Ein exaktes Verständnis über die Reaktivität dieser HMMM-Harze fehlt trotz der umfangreichen Forschungsarbeiten in den letzten Jahrzehnten. Anhand unterschiedlicher Abmischungsverhältnisse von Polyester- zu Melaminharz, Konzentrationsstufen eines Sulfonsäurekatalysators sowie Trocknungstemperaturen und Abkühlungsmethoden kann der Einfluss von HMMM auf die hergestellten Eigenschaftsprofile der Beschichtungen untersucht werden. Mit den verwendeten Lackrohstoffen konnte schließlich eine mittlere Funktionalität für HMMM von circa 4,5 ermittelt werden. Dabei ist die HMMM-Selbstvernetzung und damit verbundene Anreicherung von HMMM-Molekülen in den meisten praktisch verwendeten Beschichtungsstoffen grundsätzlich vorzufinden. Sofern der HMMM-Gehalt von etwa 20 % nicht über- und die Trocknungstemperatur nicht unterschritten werden, kann selbst bei Abwesenheit eines Katalysators ein härterer Beschichtungsfilm mit höherer Glasübergangstemperatur im Vergleich zum reinen Polyesterharzbeschichtung nachgewiesen werden. Anhand von Infrarot-Spektroskopie und dynamisch-mechanischen Analysen zeigt sich, dass bei Abwesenheit oder Unterschuss des Katalysators das HMMM an der Grenzfläche zum metallischen Substrat angereichert wird und dort vernetzt. Hingegen läuft der Vernetzungsmechanismus unter ausreichender oder überschüssiger Katalysatorkonzentration in entgegengesetzter Richtung bevorzugt ab und führt zu einer Anreicherung von HMMM nahe der Beschichtungsoberfläche. Dort reagieren vor allem gebildete Hydroxygruppen an den HMMM-Molekülen, welche mit einer Carbonylgruppe des Polyesters über eine Wasserstoffbrückenbindung gebunden sind. Mittels Pearson-Korrelationen können bei den abgeleiteten Netzwerkdichten, Glasübergangstemperaturen sowie Ergebnisse der Pendeldämpfung signifikante lineare Zusammenhänge nachgewiesen werden, wodurch Charakterisierungen komplexer chemischer Netzwerkkenngrößen auch produktionsbegleitend durchführbar sind. Der Einsatz von HMMM beeinflusst auch das äußere Erscheinungsbild und bewirkt im Beschichtungsfilm eine Reduzierung von Glanz-, Short- und Longwave. Die Ausbildung von Dimethylenetherbrücken, welche insbesondere bei geringem oder gänzlich fehlendem Katalysatoreinsatz und erhöhter Trocknungstemperatur bevorzugt an der Beschichtungsoberfläche abläuft, bewirkt eine Reduzierung von Glanz, Short- und Longwave bei gleichzeitiger Erhöhung des Glanzschleiers. Diese Heterogenität beeinflusst auch die Topografie, und bewirkt beispielsweise eine Zunahme der Oberflächenrauheit.

Thermosetting polyester resins are the most common coil-coating materials and are often crosslinked with melamine resins of the hexa(methoxymethyl)melamine (HMMM) type. An exact understanding of the manner of reactivity or functionality of these HMMM resins is lacking, despite extensive research in the last decades.  The influence of HMMM crosslinker on the produced property profiles of the coatings is investigated using different mixing ratios of polyester to melamine resin, concentration levels of a sulfonic acid catalyst as well as drying temperatures and cooling methods. With the materials used, it was eventually possible to determine an average functionality for HMMM of approximately 4.5. The HMMM self-crosslinking and the associated accumulation of HMMM molecules can be found in most of the commercially used coil-coating materials. In comparison to pure polyester coating, a harder coating film with higher glass transitions temperature can be obtained as long as the HMMM concentration does not exceed approximately 20% and the drying temperature is not deceeded, even in the absence of a catalyst. Infrared spectroscopy and dynamic-mechanical analyses show that in the absence of a catalyst the HMMM is enriched at the metallic substrate interface forming crosslinks. In contrast, the cross-linking mechanism under sufficient or excess catalyst concentration runs preferentially near the coating surface and leads to an accumulation of HMMM. In this case, self-condensation of HMMM molecules occurs through reaction of hydroxy groups of HMMM molecules that are mainly bonded with a carbonyl group of the polyester via a hydrogen bond. Using the Pearson correlation, statistically significant linear relationships csn be proven for crosslink densities, glass transition temperatures and pendulum damping data. This enables the determination of complex chemical network parameters to be carried out during production using established, practical testing machines. The use of HMMM also influences the appearance by causing a reduction of gloss, shortwave and longwave in the coating film. Keeping HMMM at contant level, while using little or no catalyst in coating formulation and increasing the drying temperature a formation of dimethylene ether bridges occurs especially at the coating surface. Simultaneously a reduction in gloss, shortwave and longwave and an increase of haze is obtained. This heterogeneity also influences the topography of the coating and causes an increase in surface roughness additionally.

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