Nachhaltige Wandfarbe:
Ein Bindemittel auf Basis Nawaro ressourcenschonend formuliert
Markus DimmersManfred Diedering
Chart28.11.2013© Alberdingk Boley GmbH | Dr. Manfred Diedering | Nawaro-PUD für Wandfarben 2
Übersicht
1. Einleitung
2. Stand der Technik
3. Nachwachsende Rohstoffe
4. Materialeigenschaften verschiedener Bindemittelklassen
5. Vergleich der Nawaro-PUD mit VAE, AS und AC
6. Nachhaltige Formulierung
7. Fazit und Ausblick
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Einleitung
Quelle: Farbe und Lack, Ausgabe 11/2012
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Bindemittel für Innenwandfarben: Stand der Technik
Bindemittel:
• Vinylacetat-Ethylen Copolymere (VAE)
• Styrolacrylate (AS)
• Reinacrylate (AC)
Eigenschaften:
• Mindestfilmbildetemperatur üblicherweise 0-5 °C
ohne Lösungsmittel formulierbar
• Hochgefüllte Systeme
• Pigmentiert mit Titandioxid
• Geruchsarm, Blauer Engel
Nachwachsende Rohstoffe?
• Intensive Forschung: Herstellung von z. B. Ethylen, Essigsäure aus NaWaRo
• Für Spezialanwendungen: fettsäuremodifizierte Acrylatmonomere
• Aber: nicht absehbar, wann ausreichend Monomere zu realistischem Preis verfügbar
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Warum Nachwachsende Rohstoffe?
Wirtschaftliche Gründe:
•Steigende Rohölpreise
•Steigende Rohstoffpreise
•Langfristig: Verknappung!
Umweltgründe:
•Klimaveränderung, CO2
•Klimaziele EU
Nachhaltigkeit
EU Klimaziele: 20-20-2020% weniger Energieverbrauch20% weniger Treibhausgase20% mehr erneuerbare Energie
Preisentwicklung Monomere
800
1100
1400
1700
2000
2300
2600
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'10
FEB
'10
MR
Z'10
AP
R'1
0
MA
I'10
JUL'
10
AU
G'1
0
SEP
'10
OK
T'10
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JAN
'11
FEB
'11
AP
R'1
1
MA
I'11
JUL'
11
AU
G'1
1
SEP
'11
OK
T'11
NO
V'1
1
DE
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FEB
'12
MR
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AP
R'1
2
MA
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JUN
'12
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2
SEP
'12
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NO
V'1
2
JAN
'13
FEB
'13
MR
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AP
R'1
3
JUN
'13
JUL'
13
AU
G'1
3
SEP
'13
NO
V'1
3
EUR
/ t .
Ø BA SPOT Ø 2-EHA SPOT Ø MMA SPOT Ø Styrol SPOT
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Polyurethan-Dispersionen (PUD)
+ Polyole auf Basis NaWaRo verfügbar
- Tertiäre Amine zur Neutralisation
+ viele Variationsmöglichkeiten - keinerlei Erfahrung für diese Anwendung
-Preis
Alkydharze + hoher Nawaro-Anteil - Vergilbungsneigung
+ mechanische Eigenschaften vermutlich o.k. - Verfärbung durch Trockenstoffe
- Toxikologie von Trockenstoffen
- Trockenzeit
Andere Bindemittelklassen?
Denkbare Alternativen:
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PUD für Innenwandfarben: AgBB und Blauer Engel/Ecolabel
AgBB-Schema:
• Innenwandfarben fallen unter AgBB Schema
• Reguliert flüchtige organische Verbindungen (VOC) in der Raumluft
• „Niedrigste interessierende Konzentration“, NIK-Werte
• „Übliche“ PUD: neutralisiert mit tertiärem Amin (meist Triethylamin)
• NIK-Wert von Triethylamin sehr niedrig!
• Geruch!
Blauer Engel, Ecolabel:
• Gefahrstoffrecht: Umstellung auf GHS (Globally Harmonized System):
• Triethylamin: Totenkopf
• Absehbar, dass ab 2015 nicht erlaubt
für Blauen Engel und Ecolabel!
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Materialeigenschaften verschiedener Bindemittelklassen
Styrol- und Reinacrylate, Vinylacetat-Ethylen Copolymere:
• Polymerdesign: Einflussgrößen bekannt
• gute Verfilmung
• Ausreichendes Pigmentbindevermögen
• Gute Pigmentbenetzung
• z. B. TG 0-5 °C (SC, AS), 10-15 °C (schutzkolloidstabilisierte VAE)
Materialeigenschaften Polyurethandispersionen:
• TG meist weit unter 0 °C
• trotzdem oft flexibel und hart
• Ursache: Aufbau des Polymers!
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Polymeraufbau PUD
Polyolrückgrat(Weichsegment)
Harnstoffgruppe(Hartsegment)
Urethangruppe(Hartsegment)Urethangruppe(Hartsegment)
Säuregruppe(Hartsegment)
- - --- -- --
Polyol
Diisocyanat
DMPS
Kettenverlängerer
Neutralisationsamin
+++
+
+
++
+
+
+
+
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Materialeigenschaften PUD
Niedrige TG und trotzdem klebfrei: Ursache?
• Hart- und Weichsegmente in der Kette
• (Teil-)Kristallinität
• Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Polymerketten
Variationsmöglichkeiten:
• Isocyanat (aliphatisch/aromatisch)
• Polyol (Polyether, Polyester, Polycarbonat)
• Kettenverlängerung
• Neutralisation
• Stöchiometrie
• Verfahren und Prozessparameter
sehr hohe Komplexität!
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Screening unterschiedlicher PUD: Nassabrieb
Mit verschiedenen PUD Wandfarbe formuliert Nassabriebprüfung
0
10
20
30
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60
70
80
AC SC PC-PU 1 PE-PU 1 PE-PU 2 PES-PU 1 PES-PU 2 PES-PU 3 PES-PU 4 PES-PU 5
Sche
uerv
erlu
st (g
/m2 )
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Screening unterschiedlicher PUD: Nassabrieb
Mit verschiedenen PUD Wandfarbe formuliert Nassabriebprüfung
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AC SC PC-PU 1 PE-PU 1 PE-PU 2 PES-PU 1 PES-PU 2 PES-PU 3 PES-PU 4 PES-PU 5
Sche
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erlu
st (g
/m2 )
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Screening unterschiedlicher PUD: Nassabrieb
Mit verschiedenen PUD Wandfarbe formuliert Nassabriebprüfung
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AC SC PC-PU 1 PE-PU 1 PE-PU 2 PES-PU 1 PES-PU 2 PES-PU 3 PES-PU 4 PES-PU 5
Sche
uerv
erlu
st (g
/m2 )
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PUD Screening
Ergebnis des Screenings:
• Keine Abhängigkeit von Polyolklasse erkennbar
• Ähnlich: Keine offensichtliche Korrelation mit Isocyanat, Stöchiometrie, etc.
Auswahl eines Startpunktes aus dem Screening:
1. Nassabrieb akzeptabel
2. Stabilisierungssystem (Aminfrei!)
Davon ausgehend: Synthese neuer Bindemittel mit einem Nawaro-Anteil!
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Nawaro-PUD: Kennzahlen
Für Vergleich mit konventionellen Bindemitteln verwendet:
• Polyurethandispersion („Nawaro-PUD“)
• Festkörpergehalt: 35%
• Viskosität: 720 mPa s
• pH-Wert: 7,5
• Anteil nachwachsender Rohstoffe (inkl. Wasser): ca. 80%
• Glasübergangstemperatur: -15 °C
• Amin- und VOC-frei!
Wandfarbentypische Prüfungen: je 83% einer ca. 60%igen weißen Pigmentpaste mit
17% Bindemittel (VAE, AS, AC und Nawaro-PUD) formuliert
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Reinigungsfähigkeit: Nassabriebbeständigkeit
(Prüfung in Anlehnung an DIN ISO 11998 und Klassifizierung nach DIN EN 13300)
0
1
2
3
4
AC 1 AS 1 AS 2 AS 3 Naw aro-PUD VAE Wandfarbe(AS)
Wandfarbe(Öl)
Nas
sabr
iebk
lass
e
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Reinigungsfähigkeit: Nassabriebbeständigkeit
Nawaro-PUD: „Verbesserungspotential“
Mögliche Ursachen:
• Polymer, Rohstoffeinflüsse
• Neutralisationsmittel (Aminfrei!)
• niedriger Festkörpergehalt
• Optimierungspotential bei der Formulierung
Neueste Ergebnisse: bei optimierter Formulierung und etwas höherem
Polymeranteil kann mit der Nawaro-PUD eine Nassabriebklasse 2 erreicht werden!
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Deckvermögen
(Klassifizierung in Anlehnung an DIN EN 13300)
Wichtig für Anwender: Wie weit komme ich mit einem Eimer Farbe?
Prüfung in verschiedenen Schichtdicken auf Kontrastkarten
Vergleichbar mit anderen Bindemitteln und kommerziellen Systemen
0
5
10
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25
30
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AC 1 AS 1 AS 2 AS 3 Naw aro-PUD
VAE Wandfarbe(Öl)
Wandfarbe(AS)
Ergi
ebig
keit
(m2 /l
)
DeckvermögenKlasse 1
DeckvermögenKlasse 2
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Anschmutzneigung
Überlegung: Anschmutzneigung hat mit der Klebrigkeit der Oberfläche zu tun
Klebrigkeit des Polymers hängt mit Glasübergangstemperatur (TG) zusammen
Vergleich der Formulierungen durch Blockingprüfung
Methode:
• Oberflächen beschichten und trocknen
• aufeinanderlegen
• 320 g/cm2
• ca. 20 Stunden bei Raumtemperatur
• anschließend: Prüfung, bei welchem Gewicht sich Prüfflächen lösen
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Anschmutzneigung: Deblockingtest
23
25 25
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AC 1 AS 1 AS 2 AS 3 VAE Naw aro-PUD
Deb
lock
ing-
Gew
icht
(g/c
m2 )
Kein Blocking!
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Geruch der Nawaro-PUD vs. konventionelle Systeme
Streichen von Innenwänden: sehr große Fläche, Geruch im Wohnbereich
wichtiges Kriterium für Verbraucher; AgBB!
• „übliche PUD“: deutlicher Geruch nach Amin (Triethylamin)
• Nawaro-PUD: Aminfrei
• Nachwachsender Anteil: fettsäurebasiert -> Geruch?
• Geruch konventioneller Systeme: hauptsächlich durch Restmonomere
Vergleichende Prüfung:
• Blecheimer innen mit Wandfarbenformulierungen bestrichen, mit Deckel verschlossen (codierte Beschriftung)
• 30 Personen beurteilen den Geruch
• Skala: 1 (starker Geruch, unangenehm) bis 5 (kein Geruch)
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Ergebnis Geruchsbewertung
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
AS AS
VAE ASNaw
aro-P
UD ASWan
dfarbe
(AS)
Wandfa
rbe (A
C)
Ger
uchs
bew
ertu
ng (1
... 5
)
Nawaro-PUD erhält mit die besten Bewertungen!
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
AS AS VAE "lowemission"
AS"geruchs-
arm"
Nawaro-PUD
AS Wandfarbe(AS)
Wandfarbe(AC)
Ger
uchs
bew
ertu
ng (1
... 5
)
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Nachhaltige Formulierung
Weiße Wandfarbe: fast immer mit Titandioxid als Weißpigment formuliert
• Hervorragende technische Eigenschaften (Deckkraft, Beständigkeit, Benetzbarkeit, etc.)
• Aber: energieintensive Herstellung, Recycling kritischer Neben-/Abfallstoffe nötig
Nawaro-PUD: rel. gute Verträglichkeit mit Calciumionen
Möglichkeit, synthetisches Ettringit (Casul®) zu verwenden
• Potentiell nachhaltig: Kann aus Sekundärrohstoffen (Abwassernachbehandlung, Rauchgasentschwefelung) hergestellt werden
• Bei entsprechender Einsatzmenge: hoher pH-Wert evtl. Verzicht auf Topfkonservierung!
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Nachhaltige Formulierung
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
15,00 17,50 20,00 22,50 25,00 30,00
Menge Casul® (%)
Ergi
ebig
keit
(m2 /l)
Kontrastklasse 1
Kontrastklasse 2
Kontrastklasse 3
Deckvermögen nimmt nicht ab!
Kann der Titandioxid-Anteil verringert werden?
Ersatz von TiO2-haltiger Pigmentpaste durch Casul®-haltige Suspension
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Wasserdampfdurchlässigkeit
• Innenwandfarbe ist erste Schicht im Wandaufbau
• Darunter Tapete und Gipskartonplatte oder Putz/Mauerwerk
• „feuchtigkeitsausgleichende Eigenschaften“
• Gleichgewicht zwischen Wandmaterial und Raumluft wenn Innenwandfarbe ausreichend diffusionsoffen für Wasserdampf ist
• Wasserdampfdiffusionsfähigkeit bei einigen PUD gut ausgeprägt
• Bestimmung:
• freien Film gasdicht auf ein Gefäß mit Wasser kleben
• Gewichtsabnahme nach Lagerung im Exsikkator (schichtdickenkorrigiert!)
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Wasserdampfdurchlässigkeit
Nawaro-PUD hat höchste Wasserdampfdurchlässigkeit!
Aber: Prüfung nur mit den reinen Bindemitteln
Ergebnisse auf die hochgefüllten Wandfarben übertragbar?
0
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40
60
80
100
120
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AS 1 AS 2 AS 3 Naw aro-PUD VAE
WD
D (g
/m2 d
)
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Nachwachsender Rohstoff
Wie „grün“ ist die Wandfarbe auf Basis Nawaro-PUD?
Zahlreiche unterschiedliche Bewertungsmethoden:• verschiedene Ökobilanzen• Ökoeffizienzanalyse• Carbon Footprint Betrachtungen („cradle to gate“ oder „cradle to grave“)• etc.
sehr fundierte Ergebnisse, aber auch sehr aufwendig (Zeit, Kosten)
stark von verwendeten Daten und deren Gewichtung abhängig
Einfache Betrachtung: Vergleich des Anteils nachwachsender Rohstoffe
Auf Kohlenstoff bezogen:
Menge an gebundenem
Kohlenstoff aus der Atmosphäre
Kohlenstoff aus Erdölversus
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Zusammensetzung einer Wandfarbenformulierung
83
17
Dispersion
Anorganische Bestandteile
32
2
18
32
17
Dispersion
Füllstoffe
TiO2
Additive
Wasser
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Organischer Anteil der Wandfarbenformulierung
Festkörpergehalt:• VAE, AS, AC: ca. 50%• Nawaro-PUD: 35%
Bezogen auf organischen Anteil, Wandfarbe auf Basis Nawaro-PUD vs. konventionelles System:
Erdölbasierter Anteil nur halb
so groß!0
20
40
60
80
100
VAE, AS, AC Naw aro-PUD
Org
anis
ches
Mat
eria
l in
Wan
dfar
benf
orm
ulie
rung
(%)
Naw aro
Erdölbasiert
Chart28.11.2013© Alberdingk Boley GmbH | Dr. Manfred Diedering | Nawaro-PUD für Wandfarben 30
Ist das zu bezahlen?
Auswirkung auf den Preis der Wandfarbe
• Allgemein: PUD sind rohstoffbedingt hochpreisiger als VAE, AS, AC
• Aber: Niedrigerer Festkörper der Nawaro-PUD
• siehe Zusammensetzung Formulierung
Auswirkung auf Preis der Farbe: vorhanden, aber evtl. tolerierbar?
Marketing:
• Sehr großes Angebot an Wandfarben im Baumarkt
• Für Verbraucher kaum deutliche Unterscheidungsmerkmale
• Alleinstellungsmerkmal hilfreich!
Verbraucher, die neben Performance auch auf Nachhaltigkeit achten, nehmen möglicherweise Mehrpreis in Kauf
Das „Bio-Gemüse“ im Baumarkt
Chart28.11.2013© Alberdingk Boley GmbH | Dr. Manfred Diedering | Nawaro-PUD für Wandfarben 31
Fazit und Ausblick
Neues Konzept: Nawaro-basierte PUD für Wandfarben
Aminfrei, fast kein Geruch, kennzeichnungsfrei
Weitere Optimierung der Formulierung
Performance und Nachhaltigkeit
Emissionsfreie PUD‘s könnten auch in anderen Anwendungen Vorteile
bieten Anschmutzneigung muss weiter untersucht werden
NaWaRo basierte Farben eignen sich insbesondere für das Consumer Segment
Chart28.11.2013© Alberdingk Boley GmbH | Dr. Manfred Diedering | Nawaro-PUD für Wandfarben 32
PUD auf Basis NaWaRo für Wandfarben
Eine weiße Wandfarbe kann auch „grün“ sein!
Fragen?
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