Die Beschichtungsindustrie steuert bis 2025 mit Hochdruck auf die beiden Ziele „Umweltwandel“ und „Leistungssteigerung“ zu. In anspruchsvollen Anwendungsbereichen wie der Automobil- und Schienenfahrzeugindustrie haben sich wasserbasierte Beschichtungen dank ihrer geringen VOC-Emissionen, ihrer Sicherheit und ihrer Ungiftigkeit von „Alternativen“ zu „Standardlösungen“ entwickelt. Um den Anforderungen anspruchsvoller Einsatzbedingungen (z. B. hohe Luftfeuchtigkeit und starke Korrosion) sowie den gestiegenen Ansprüchen der Anwender an Haltbarkeit und Funktionalität der Beschichtungen gerecht zu werden, werden die technologischen Fortschritte bei wasserbasierten Polyurethan-Beschichtungen (WPU) kontinuierlich vorangetrieben. Innovationen in der Formeloptimierung, der chemischen Modifizierung und dem Funktionsdesign haben diesem Sektor bis 2025 neue Impulse verliehen.
Vertiefung des Basissystems: Von der „Verhältnisabstimmung“ zur „Leistungsbalance“
Als führender Anbieter von wasserbasierten Lacken steht der Zweikomponenten-Wasserlack auf Polyurethanbasis (WB 2K-PUR) vor einer zentralen Herausforderung: die optimale Balance zwischen Mischungsverhältnis und Leistung der Polyolsysteme zu finden. In diesem Jahr untersuchten Forschungsteams eingehend die Synergieeffekte von Polyetherpolyol (PTMEG) und Polyesterpolyol (P1012).
Traditionell verbessert Polyesterpolyol die mechanische Festigkeit und Dichte von Beschichtungen durch dichte intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen. Ein übermäßiger Zusatz verringert jedoch die Wasserbeständigkeit aufgrund der starken Hydrophilie der Estergruppen. Experimente haben gezeigt, dass bei einem Anteil von 40 % (g/g) P1012 im Polyolsystem ein optimales Verhältnis erreicht wird: Wasserstoffbrückenbindungen erhöhen die physikalische Vernetzungsdichte ohne übermäßige Hydrophilie und optimieren so die Gesamtleistung der Beschichtung – einschließlich Salzsprühbeständigkeit, Wasserbeständigkeit und Zugfestigkeit. Diese Erkenntnis liefert wichtige Anhaltspunkte für die Entwicklung der Grundrezeptur von wasserbasiertem 2K-PUR, insbesondere für Anwendungsbereiche wie Automobilchassis und Metallteile von Schienenfahrzeugen, die sowohl mechanische Festigkeit als auch Korrosionsbeständigkeit erfordern.
„Die Kombination von Steifigkeit und Flexibilität“: Chemische Modifizierung erschließt neue funktionelle Grenzen
Während die Optimierung des Grundverhältnisses eine „Feinjustierung“ darstellt, bedeutet die chemische Modifizierung einen „qualitativen Sprung“ für wasserbasierte Polyurethane. Zwei Modifizierungswege stachen in diesem Jahr besonders hervor:
Pfad 1: Synergistische Verstärkung mit Polysiloxan- und Terpenderivaten
Die Kombination von Polysiloxan mit niedriger Oberflächenenergie (PMMS) und hydrophoben Terpenderivaten verleiht WPU die dualen Eigenschaften „Superhydrophobie + hohe Steifigkeit“. Forscher stellten hydroxylterminiertes Polysiloxan (PMMS) unter Verwendung von 3-Mercaptopropylmethyldimethoxysilan und Octamethylcyclotetrasiloxan her und pfropften anschließend Isobornylacrylat (ein Derivat von aus Biomasse gewonnenem Camphen) über eine UV-initiierte Thiol-En-Klick-Reaktion auf die PMMS-Seitenketten, um Terpen-basiertes Polysiloxan (PMMS-I) zu erhalten.
Das modifizierte WPU zeigte bemerkenswerte Verbesserungen: Der statische Wasserkontaktwinkel stieg von 70,7° auf 101,2° (nahezu lotusblattähnliche Superhydrophobie), die Wasseraufnahme sank von 16,0 % auf 6,9 % und die Zugfestigkeit erhöhte sich aufgrund der starren Terpenringstruktur von 4,70 MPa auf 8,82 MPa. Thermogravimetrische Analysen bestätigten zudem eine verbesserte thermische Stabilität. Diese Technologie bietet eine integrierte Lösung für „Antifouling und Witterungsbeständigkeit“ für Außenteile von Schienenfahrzeugen wie Dachpaneele und Seitenschürzen.
Pfad 2: Polyimin-Vernetzung ermöglicht „Selbstheilungstechnologie“
Selbstheilung hat sich als beliebte Technologie bei Beschichtungen etabliert, und die diesjährige Forschung kombinierte sie mit den mechanischen Eigenschaften von WPU, um einen doppelten Durchbruch in den Bereichen „hohe Leistungsfähigkeit + Selbstheilungsfähigkeit“ zu erzielen. Vernetztes WPU, hergestellt mit Polybutylenglykol (PTMG), Isophorondiisocyanat (IPDI) und Polyimin (PEI) als Vernetzer, wies beeindruckende mechanische Eigenschaften auf: eine Zugfestigkeit von 17,12 MPa und eine Bruchdehnung von 512,25 % (nahezu gummielastisch).
Entscheidend ist, dass es sich bei 30 °C innerhalb von 24 Stunden vollständig selbst heilt und nach der Reparatur wieder eine Zugfestigkeit von 3,26 MPa und eine Dehnung von 450,94 % erreicht. Dadurch eignet es sich hervorragend für kratzempfindliche Teile wie Stoßfänger von Kraftfahrzeugen und Innenausstattungen von Schienenfahrzeugen und reduziert die Wartungskosten erheblich.
„Intelligente Steuerung im Nanobereich“: Eine „Oberflächenrevolution“ für Antifouling-Beschichtungen
Anti-Graffiti-Eigenschaften und einfache Reinigung sind zentrale Anforderungen an hochwertige Beschichtungen. In diesem Jahr erregte eine schmutzabweisende Beschichtung (NP-GLIDE) auf Basis von „flüssigkeitsähnlichen PDMS-Nanopools“ besondere Aufmerksamkeit. Ihr Kernprinzip beruht auf dem Aufpfropfen von Polydimethylsiloxan (PDMS)-Seitenketten auf ein wasserdispergierbares Polyol-Grundgerüst mittels des Pfropfcopolymers Polyol-g-PDMS. Dadurch entstehen „Nanopools“ mit einem Durchmesser von weniger als 30 nm.
Die PDMS-Anreicherung in diesen Nanopools verleiht der Beschichtung eine flüssigkeitsähnliche Oberfläche – alle Testflüssigkeiten mit einer Oberflächenspannung über 23 mN/m (z. B. Kaffee, Ölflecken) perlenzehen spurlos ab. Trotz einer Härte von 3H (nahezu vergleichbar mit normalem Glas) weist die Beschichtung eine ausgezeichnete Antihaftwirkung auf.
Zusätzlich wurde eine Anti-Graffiti-Strategie vorgeschlagen, die auf einer physikalischen Barriere und einer schonenden Reinigung basiert: Durch die Einbringung von IPDI-Trimer in ein HDT-basiertes Polyisocyanat wird die Filmdichte erhöht und das Eindringen von Graffiti verhindert. Gleichzeitig wird die Migration von Silikon-/Fluor-Segmenten kontrolliert, um eine dauerhaft niedrige Oberflächenenergie zu gewährleisten. In Kombination mit DMA (Dynamisch-Mechanische Analyse) zur präzisen Kontrolle der Vernetzungsdichte und XPS (Röntgenphotoelektronenspektroskopie) zur Charakterisierung der Grenzflächenmigration ist diese Technologie bereit für die industrielle Anwendung und dürfte sich als neuer Standard für Antifouling in Autolacken und Gehäusen von 3C-Produkten etablieren.
Abschluss
Im Jahr 2025 entwickelt sich die WPU-Beschichtungstechnologie von der reinen Leistungsverbesserung hin zur multifunktionalen Integration. Ob durch grundlegende Formeloptimierung, bahnbrechende chemische Modifikationen oder innovative Funktionsdesigns – der Kerngedanke ist die Synergie von Umweltfreundlichkeit und hoher Leistung. Für Branchen wie die Automobil- und die Schienenverkehrswirtschaft verlängern diese technologischen Fortschritte nicht nur die Lebensdauer der Beschichtung und senken die Wartungskosten, sondern führen auch zu einer doppelten Verbesserung in den Bereichen umweltfreundliche Fertigung und erstklassiges Nutzererlebnis.
Veröffentlichungsdatum: 14. November 2025