Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
\u00dcbergeordnetes Projektziel ist die Entwicklung eines nachhaltigen Lacksystems f\u00fcr die industrielle Beschichtung von Kleinteilen, ohne die Verwendung von chemischen Additiven, welche durch plasmatechnologische Verfahren substituiert werden. Die Firma Zuelch beabsichtigt innerhalb des Projektes ein nachhaltiges, w\u00e4ssriges Lacksystem f\u00fcr Holz und Holzwerkstoffe zu entwickeln, welches aufgrund der aktuellen Marktsituation und des aktuellen politischen Bestrebens (z.B. Green Deal der EU) additivfrei hergestellt wird und folglich lediglich aus Bindemittel, Wasser und Farbpigmenten besteht. Die Verwendung von Additiven wie Verlaufsmitteln soll durch den Einsatz von Atmosph\u00e4rendruck-Plasmatechnologie kompensiert werden. Explizit soll durch die Plasmavorbehandlung die Oberfl\u00e4chenenergie von Holzoberfl\u00e4chen so weit angepasst werden, dass ein zu entwickelndes w\u00e4ssriges Lacksystem ohne die Verwendung von etablierten Hilfsstoffen bzw. Additiven problemlos aufgetragen und diese somit substituiert werden k\u00f6nnen. Als weitere Innovation wird das Bindemittel dabei aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen.<\/p>\n
Aktuell befindet sich die Lackindustrie neben anderen Industriezweigen Deutschlands in einer prek\u00e4ren Wirtschaftslage. Viele einzelne bzw. voneinander abh\u00e4ngige Ver\u00e4nderungen in den Ausgangsbedingungen einzelner Wirtschaftsprozesse (z.B. Rohstoffknappheit, Preissteigerungen, Logistikprobleme etc.) haben einen gro\u00dfen Einfluss auf komplexe und dynamische Produktionsprozesse. Farbausgangsstoffe, wie z.B. Titanoxid als Wei\u00dfpigment, Bindemittel f\u00fcr Farben und Lacke, wie z.B. Epoxidharze, die einen Gro\u00dfteil der Produktionskosten f\u00fcr Farben und Lacke ausmachen, sowie L\u00f6sungsmittel erfahren derzeit eine enorme Lieferknappheit und daraus resultierende Preissteigerungen. Hinzu m\u00fcssen logistische H\u00fcrden bei den Ausgangsstoffen, die gr\u00f6\u00dftenteils aus dem asiatischen Raum importiert werden, \u00fcberwunden werden: Lieferengp\u00e4sse (u.a. aufgrund des schnellen Aufschwungs der asiatischen Binnenm\u00e4rkte) und drastische Erh\u00f6hungen der Lieferkosten. Gr\u00f6\u00dfere Unternehmen in diesem Wirtschaftssegment weisen oft besser ausgebaute infrastrukturelle bzw. logistische Netzwerke auf. Weitaus dramatischer wirkt sich die geschilderte Gesamtsituation auf kleine und mittelst\u00e4ndische Unternehmen aus und zwingt die lackherstellenden und lackverarbeitenden Betriebe zus\u00e4tzlich zur Umstellung etablierter Herstellungsprozesse und Verfahren. Au\u00dferdem entsprechen die in den Lacken eingesetzten Stoffe, insbesondere Bindemittel, L\u00f6sungsmittel und Additive, oftmals nicht der heutigen Erwartungshaltung der Endkunden hinsichtlich Gesundheitsbelastung, Nachhaltigkeit oder CO2 Bilanz. Durch den zunehmenden gesellschaftlichen und politischen Druck (z.B. Green Deal) sollen Anpassungen in der Produktion zur Verwendung \u00f6kologisch nachhaltiger Rohstoffe vorgenommen werden. Notwendige Anpassungen k\u00f6nnen bzw. m\u00fcssen beispielsweise \u00c4nderungen von Rezepturen durch die Verwendung von alternativen, regional verf\u00fcgbaren Ausgangsmaterialien beinhalten.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAP 1: Feststellung des IST-Zustandes
\nZu Beginn des Vorhabens sollen zun\u00e4chst anhand der w\u00e4ssrigen Standardtrommellacke (1K- und 2K-Trommellacke, Beize) der Firma Zuelch sowohl relevante Oberfl\u00e4chenkennwerte von Ahorn- und Buchensubstraten als auch Kennwerte der Lacksysteme erfasst werden. Mit einem an der HAWK vorhandenen Laboraufbau zur Plasmavorbehandlung werden die minimalen und maximalen Grenzen der Oberfl\u00e4chenenergie auf den zu beschichtenden Substraten unter Beachtung der Temperaturempfindlichkeit der H\u00f6lzer eruiert. Die Firma Zuelch wird anhand des ausgew\u00e4hlten Lacksystems die Oberfl\u00e4chenspannung mittels Kontaktwinkelmessger\u00e4t, die Chemikalienbest\u00e4ndigkeit nach DIN EN ISO 2812 Teil 3, das Trocknungsverhalten, die Schaumbildung, die Haftung, die Best\u00e4ndigkeit gegen UV-Licht und Sauerstoff sowie ggf. die Farbl\u00e4ssigkeit nach DIN 53160 Teil 1 und 2 ermitteln. Das Trocknungsverhalten sowie Best\u00e4ndigkeitspr\u00fcfungen werden zur einheitlichen Erfassung durch Rakelaufz\u00fcge bestimmt. Dieser Datensatz gibt erste Informationen \u00fcber die M\u00f6glichkeiten der Parametrisierung des Plasmavorbehandlungsprozesses sowie \u00fcber einen m\u00f6glichen Rezepturenkorridor.<\/p>\n
AP 2: Evaluation der Lackbestandteile \/ plasmarelevanten Parameter
\nAP 2.1: Evaluierung der Lackbestandteile
\nInnerhalb dieses Arbeitspaketes wird Firma Zuelch den Markt an verf\u00fcgbaren Polymerdispersionen, welche den oben beschriebenen Anspr\u00fcchen grunds\u00e4tzlich gen\u00fcgen (DIN EN71 Teil 3, basierend auf nachwachsenden Rohstoffen) gezielt untersuchen und Muster anfordern. Dabei werden die in AP1 beschriebenen Parameter erfolgversprechender Dispersionen bestimmt, sodass in AP3 Experimente, welche mittels statistischer Versuchsplanung (DOE = Design of Experiment) geplant werden, in Richtung der Zielparameter erfolgen k\u00f6nnen. In diesem Arbeitspaket werden weitere in Frage kommende Rohstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe evaluiert, die zur Verbesserung der Oberfl\u00e4cheneigenschaften beitragen, sofern sie dazu ben\u00f6tigt werden, und dabei in die Lackmatrix eingebunden werden k\u00f6nnen. Zu derartigen Rohstoffen k\u00f6nnen z. B. Bienenwachs, Schellack, unges\u00e4ttigte Fetts\u00e4uren oder Cellulose z\u00e4hlen (vgl. AP3).<\/p>\n
AP 2.2: Konzeptionierung des Vorbehandlungsprozesses
\nAm Beispiel von f\u00fcr dieses Projekt ausgew\u00e4hlte Substrate (z.B. Spielzeugrohling) werden technisch anwendbare Elektrodenkonfigurationen zur Plasmabehandlung auf ihre prinzipielle Eignung im Hinblick auf Substrat-Plasma-Interaktionen getestet. Grunds\u00e4tzlich kommen f\u00fcr eine fl\u00e4chige Anwendung zwei m\u00f6gliche Konfigurationen in Frage: Direkte DBD-Entladungen sowie koplanar angeordnete Gleitentladungen. Dabei werden grundlegende Randbedingungen wie die Entladungsgeometrie, der Elektrodenabstand, die Dicke des Dielektrikums oder die notwendige Leistung experimentell ermittelt. Die genannten Variablen k\u00f6nnen einen signifikanten Einfluss auf die uniforme Behandlung des geometrisch komplexen Substrats aufweisen. Neben der Konzeptionierung der Elektrodenkonfiguration werden in diesem Arbeitsschritt Konzepte zum Transport der Substrate durch die Entladungszone erarbeitet, denn die Transportmethoden sowie Materialien weisen eine direkte Abh\u00e4ngigkeit von den verwendeten Plasmaquellen auf. Eine direkte DBD-Entladung zeichnet sich zwar durch eine einfachere Integration in bestehende Produktionsabl\u00e4ufe aus, ist allerdings durch die Dicke des Behandlungsgutes dabei begrenzt. Im Falle von koplanar angeordneten Gleitentladungen ist die Behandlung von der Materialst\u00e4rke unabh\u00e4ngig. Diese Entladungsform ist allerdings in ihrer effektiven Behandlungsfl\u00e4che deutlich begrenzter als eine direkte Entladung. Zudem weist diese Entladungsform einen weiteren Nachteil auf: Die Unterseiten der Bauteile, die auf dem Transportband aufliegen, werden nicht behandelt. Die in diesem Arbeitspaket gewonnenen Erkenntnisse bilden die Basis f\u00fcr die Konzeption des Behandlungsprozesses in Arbeitspaket 4. <\/p>\n
AP 3 Lackentwicklung
\nAP 3.1 Formulierung
\nEntsprechend der in AP1 definierten Zielparameter und der in AP2 bestimmten Eigenschaften der verf\u00fcgbaren Rohstoffe, werden in AP3 verschiedene Rohstoffe mittels statistischer Versuchsplanung (DOE) so miteinander kombiniert, dass die Zielparameter m\u00f6glichst nahe der Zielsetzung erreicht werden. Wenn nicht anders erreichbar, k\u00f6nnen weitere nachwachsende Rohstoffe wie z.B. Bienenwachs etc. hinzugef\u00fcgt werden. Es werden nach M\u00f6glichkeit mehrere unterschiedliche Lackvarianten entwickelt, damit diese dann f\u00fcr ein sp\u00e4teres \u0084Fine Tuning\u0093 (siehe AP5) ebenfalls miteinander kombiniert werden k\u00f6nnen. Zus\u00e4tzlich bieten unterschiedliche Varianten die M\u00f6glichkeit, noch flexibler auf Rohstoff-Engp\u00e4sse reagieren zu k\u00f6nnen. W\u00e4hrend des gesamten AP3 findet ein st\u00e4ndiger Austausch mit der HAWK hinsichtlich sich ggf. \u00e4ndernder Rahmenbedingungen aufgrund experimenteller Ergebnisse statt. Sofern Anpassungen notwendig sind, werden diese bei der Entwicklung ber\u00fccksichtigt.<\/p>\n
AP 3.2 Pr\u00fcfung
\nJede Formulierung durchl\u00e4uft dabei in einem iterativen Prozess die g\u00e4ngigen Pr\u00fcfmethoden (z. B. Lagerstabilit\u00e4t, mikrobieller Befall, EN71- und Best\u00e4ndigkeitspr\u00fcfungen, Farbl\u00e4ssigkeit) und erweitert dadurch den Kenntnisstand f\u00fcr darauffolgende Verbesserungen. Abschlie\u00dfend werden f\u00fcr die fertigen Rezepturen Pr\u00fcfvorschriften zur Qualit\u00e4tssicherung erarbeitet. <\/p>\n
AP 4 Plasma-Vorbehandlung
\nAP 4.1 Konstruktion der Plasmaquelle
\nAnhand der Datens\u00e4tze aus AP 2.2 soll im Rahmen dieses Arbeitspakets ein auf die Anwendung zugeschnittenes Plasmasystem konstruiert und aufgebaut werden. Das innerhalb dieses Arbeitspakets zu fertigende Elektrodenmodul muss in erster Linie die Grundfunktion des Behandlungsprozesses gew\u00e4hrleisten und die grundlegenden Anforderungen an eine Elektrodeneinheit wie homogenes Entladungsbild, ein optimaler Abstand zwischen dem Substrat und der Elektrode, \u00dcberschlags- und Bedienungssicherheit erf\u00fcllen. Neben der Gew\u00e4hrleistung der Grundfunktionen liegt der Fokus auf der Uniformit\u00e4t der Behandlung von allen Substratoberfl\u00e4chen in einem Behandlungsdurchgang. Dies soll \u00fcber eine innovative Anordnung der Elektrodenmodule im Behandlungsbereich, eine intelligente Prozessgasf\u00fchrung und die Verwendung eines por\u00f6sen und somit durchdringbaren F\u00f6rderbandes oder auch eines F\u00f6rderbandes aus einem weitmaschigen Gewebe realisiert werden. Kernherausforderung ist der homogene und reproduzierbare Transport der Plasmafilamente an die relevanten Objektoberfl\u00e4chen. Hierbei muss darauf geachtet werden, das Plasma m\u00f6glichst ohne nennenswerte Effizienzverluste \u00fcber eine Kombination aus leitf\u00e4higen und nicht leitf\u00e4higen Bauteilen an den Ort der Modifikation zu steuern. Je nach Entscheidung \u00fcber das Entladungskonzept kann dies \u00fcber spezifische Str\u00f6mungskonzepte wie etwa Laval-D\u00fcsen oder aber elektrisch \u00fcber Gleitentladungsoberfl\u00e4chen erfolgen, die eine Repeater-Funktion aufweisen. Hierbei ist eine geeignete Materialauswahl der Elektrodenbauteile von entscheidender Wichtigkeit. Je nach Bauteilgeometrie k\u00f6nnen unter Umst\u00e4nden \u00fcbliche Materialien (z.B. Dielektrika wie Keramik oder Glas) nicht verwendet werden, was einen gro\u00dfen Einfluss auf die Materialbest\u00e4ndigkeit hat. Alternativen sind hier beispielsweise Silikone oder andere Polymere (z.B. PTFE oder PEEK) welche eine deutlich geringere Verschlei\u00dfbest\u00e4ndigkeit aufweisen und demnach in regelm\u00e4\u00dfigen Abst\u00e4nden ausgetauscht werden m\u00fcssen. Gest\u00fctzt werden soll dieser Konzeptionsprozess von Simulationsaufgaben im Bereich der Str\u00f6mungs- und Elektrotechnik mithilfe von der an der HAWK vorhandenen Multiphysik-Software von COMSOL. Anhand der somit erarbeiteten Erkenntnisse, werden die daraus resultierenden Komponenten der Plasmaquelle in der hausinternen Fertigungswerkstatt gefertigt und montiert.<\/p>\n
AP 4.2. Einstellen des Parameterkorridors:
\nNach erfolgtem Aufbau des Labormusters werden sowohl statische als auch dynamische Versuche zur Ermittlung des Parameterkorridors durchgef\u00fchrt. Dabei werden mittels DOE die plasmaspezifischen Parameter variiert, um die minimal und maximal m\u00f6glichen Bereiche der Oberfl\u00e4chenkennwerte auf den ausgew\u00e4hlten Substraten zu bestimmen. Dabei werden folgende Parameter untersucht:
\n\u0095\tElektrodenabstand: Mit Vergr\u00f6\u00dferung des Elektrodenabstands und damit Vergr\u00f6\u00dferung des Luft- bzw. Plasmaspaltes steigt die zur Ausbildung des Plasmas notwendige Hochspannung. Das erschwert den technischen Aufbau bez\u00fcglich elektrischer Isolierungen und Betriebssicherheit. Die Luftspaltgr\u00f6\u00dfe kann sich aber auch auf die Effektivit\u00e4t der Behandlung auswirken, wodurch eine Reduzierung der Behandlungszeit m\u00f6glich ist.
\n\u0095\tPlasmaleistung: Eine Erh\u00f6hung der Leistung kann die notwendigen Behandlungszeiten verk\u00fcrzen, kann jedoch in einer h\u00f6heren Gastemperatur und evtl. Entladungsinhomogenit\u00e4t resultieren. Hier ist die Temperaturempfindlichkeit der Holz-Substrate limitierend.
\n\u0095\tGastemperatur und Luftstr\u00f6mung werden bei der Behandlung kontrolliert und untersucht, um deren Einfluss auf den Behandlungserfolg beurteilen zu k\u00f6nnen. Dabei dient die Luft einerseits zur K\u00fchlung der Hochspannungselektroden und andererseits verbessert sie gleichzeitig entscheidend die Homogenit\u00e4t der Entladung, die f\u00fcr eine gleichm\u00e4\u00dfige und effektive Behandlung notwendig ist.
\n\u0095\tBehandlungszeit: Mit den optimalen Parametern f\u00fcr die Hochspannungsquelle wird die Plasmabehandlungszeit variiert, um deren Einfluss auf die Behandlungsqualit\u00e4t zu untersuchen.<\/p>\n
AP 4.3 Pr\u00fcfung
\nIn diesem Arbeitspaket wird die Einstellung der Oberfl\u00e4chenenergie auf dem Substrat anhand der Oberfl\u00e4chenenergien des Lackes (siehe AP3) in einem iterativen Prozess mittels Plasmavorbehandlung vorgenommen. Nach Einstellung der geforderten Oberfl\u00e4chenenergien wird die jeweilige Lackformulierung auf der Substratoberfl\u00e4che appliziert. Die darauffolgende Trocknungszeit, Haftfestigkeit, Farbechtheit, Glanzgrad und Witterungsbest\u00e4ndigkeit wird gem\u00e4\u00df festgelegten Pr\u00fcfmethoden erfasst und in einem engen Austausch mit AP3 angepasst.<\/p>\n
AP 5 Feldtest des PlasmAdd-Lackes
\nDer PlasmAdd-Lack wird nun auf den plasmavorbehandelten Standardsubstraten appliziert. Die Beschichtung erfolgt hierbei mittels Trommelverfahren. Bewertet wird hier das Verhalten des Lackes auf der vorbehandelten Oberfl\u00e4che im Vergleich mit Standardtrommellacken, welche in AP1 evaluiert wurden. Neben der Verarbeitbarkeit und der Oberfl\u00e4cheng\u00fcte wird die Trocknungszeit als zu anzupassender Parameter bewertet. Obligatorisch, wie bei allen Lackformulierungen f\u00fcr den Spielzeugbereich der Fa. ZUELCH, wird das neu zu entwickelnde Lacksystem nach der DIN EN 71 Teil 3 (Spielzeugsicherheit) gepr\u00fcft. Ggf. durchl\u00e4uft diese Formulierung eine weitere Anpassung unter Zuhilfenahme weiterer in AP3 entwickelten Formulierungen.<\/p>\n
AP 6 Fertigstellung eines Demonstrators
\nAm Ende des Vorhabens wird ein Demonstrator f\u00fcr Messen (z.B. Spielwarenmesse N\u00fcrnberg) sowie das Technikum der Firma Zuelch fertiggestellt werden, damit das entwickelte \u0084PlasmAdd\u0093-Lacksystem den potentiellen Kunden pr\u00e4sentiert werden kann.<\/p>\n
AP 7 CO2-Bilanzierung des \u0084PlasmAdd\u0093-Lacksystems
\nIm Rahmen des Vorhabens erfolgt eine detaillierte Bewertung der Nachhaltigkeit und der Ressourceneffizienz f\u00fcr das zu entwickelnde PlasmAdd-Lacksystem (Lacksystem + Plasmavorbehandlung) sowie f\u00fcr das ausgew\u00e4hlte konventionell hergestellte Lacksystem, um CO2-Bilanzen der beiden Lacksysteme vergleichen zu k\u00f6nnen. Am Beispiel des Treibhauspotenzials soll gegen Projektende das Gesamtwirkungspotenzial vom zu entwickelnden PlasmAdd-Lacksystem in Addition mit dem Plasmavorbehandlungsprozess als \u0084Primer\u0093 unter Ber\u00fccksichtigung von aktuellen \u00d6kobilanzen und Marktzahlen abgesch\u00e4tzt werden. Im Rahmen der Nachhaltigkeitsbewertung der gew\u00e4hlten Kreislaufkonzepte sollen auch weitere Wirkungskategorien wie z.B. Wasserverbrauch, fossiler Ressourcenverbrauch, sozio\u00f6konomische Auswirkungen sowie Indikatoren zur Bewertung der Kreislauff\u00e4higkeit betrachtet werden. Die \u00d6kobilanzierung f\u00fcr die adressierten Produkte soll mittels GaBi-Software nach ISO 14040\/44 durchgef\u00fchrt werden. <\/p>\n
AP 8 Projektbegleitende Arbeiten
\n\u00dcber die gesamte Laufzeit des Projektes werden begleitende T\u00e4tigkeiten ausgef\u00fchrt. Zu diesen z\u00e4hlen Projektkoordination, Organisation und Teilnahme an Projekttreffen, Verfassen der Zwischenberichte und administrative Aufgaben. Zus\u00e4tzlich sollen gewonnene Ergebnisse in Berichtsform dokumentiert und anschlie\u00dfend publiziert werden, um sie der \u00d6ffentlichkeit zug\u00e4nglich zu machen. Ferner sind Vorbereitungen f\u00fcr die zuk\u00fcnftige Vermarktung sowie allgemeine \u00d6ffentlichkeitsarbeit geplant.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
AP 1
\nDie Oberfl\u00e4chenkennwerte von Ahorn- und Buchensubstraten wurden mittels Kontaktwinkelmessger\u00e4t (OWRK) mit Wasser\/Diiodmethan erfasst. Die Werte sind allerdings fehlerbehaftet: Die Holzoberfl\u00e4chen sind por\u00f6s und die Struktur ist heterogen. V.a. Wasser sowie andere L\u00f6sungsmittel verhalten sich oft sehr dynamisch, d.h. ziehen binnen Sekunden(bruchteilen) ins Holz ein, sodass kein Kontaktwinkel messbar ist.<\/p>\n
Die Oberfl\u00e4chenkennwerte der Lacksysteme wurden mittels Wilhelmy-Methode (Tensiometer), Blasendruck-Methode und Kontaktwinkelmessger\u00e4t erfasst. Die Werte sind allerdings stark fehlerbehaftet: Lacke sind sehr komplexe heterogene Fl\u00fcssig-fl\u00fcssig-fest-Gemische mit diversen oberfl\u00e4chenaktiven Substanzen, v.a. Emulgatoren und Netzmittel. Dazu kommt eine m\u00f6gliche pr\u00e4ferenzielle Adsorption von bestimmten Substanzen an den Grenzfl\u00e4chen und der Dreiphasengrenze, welche den Kontaktwinkel und die Messung der Oberfl\u00e4chenspannung verf\u00e4lschen k\u00f6nnen. Die Methoden und insbesondere die Wilhelmy-Methode sind sehr anf\u00e4llig f\u00fcr Verunreinigungen. Viele Messwerte waren nicht plausibel. Au\u00dferdem wurde eine pH-Wert-Abh\u00e4ngigkeit beobachtet. Der gr\u00f6\u00dfte Einflussfaktor ist das Holz als solches, Inhomogenit\u00e4ten und Richtung der Maserung f\u00fchren zu gro\u00dfen Abweichungen, weswegen vergleichende Versuche schwierig zu interpretieren sind. Eindeutig ist aufgrund der Kapillardurchmesser die Abh\u00e4ngigkeit der Eindringtiefe von der Schnittrichtung: Entlang der gr\u00f6\u00dferen, vertikalen Poren (Tracheen) dringt Lack schneller und tiefer ein als entlang der kleineren, horizontalen Strahlen, was aber nicht direkt mit der Korngr\u00f6\u00dfenverteilung der Pigmentpasten in Verbindung gebracht werden kann.<\/p>\n
Die minimalen und maximalen Grenzen der Oberfl\u00e4chenenergie durch Plasmavorbehandlung wurden eruiert. Bei indirekter Entladung (Ar-Plasma) wurde bereits bei 150 W eine signifikante Erh\u00f6hung der Oberfl\u00e4chenenergie festgestellt, wobei sich sowohl der polare als auch der disperse Anteil erh\u00f6ht, der polare jedoch deutlich st\u00e4rker. Bereits bei 250 W ist die Holzoberfl\u00e4che mit Sauerstoff abges\u00e4ttigt, eine weitere Erh\u00f6hung der Oberfl\u00e4chenenergie durch Leistungssteigerung, Verl\u00e4ngerung der Verweilzeit oder Vergr\u00f6\u00dferung des Entladungsspalts ist nicht zu beobachten. Bei direkter Entladung (Luft-Plasma) gelingt ein \u00e4hnliches Ergebnis mit geringerem Entladungsspalt. Die Standardabweichung bei Buchenholz ist gering, bei Ahorn hoch, die Tendenz stimmt aber \u00fcberein. Bei direkter Entladung (Luft-Plasma) gelingt ein \u00e4hnliches Ergebnis mit geringerem Entladungsspalt. Bei Direktentladung kann Luft als Prozessgas angewandt werden, da die Entladungsfilamente einen deutlich k\u00fcrzeren Weg zur Masseelektrode zur\u00fccklegen m\u00fcssen. Aufgrund dessen sind deutlich geringere Spannungen notwendig. Das Prozessgas Luft beinhaltet deutlich mehr Sauerstoff, als es bei Argon 4.6 der Fall ist. Hier sind lediglich geringe Mengen an Sauerstoffr\u00fcckst\u00e4nden vorhanden. Dementsprechend k\u00f6nnen auf der Oberfl\u00e4che mit Luft als Prozessgas deutlich h\u00f6here Anteile an reaktiven Sauerstoffspezies erzeugt werden. Dies f\u00fchrt zu einer schnelleren S\u00e4ttigung der Oberfl\u00e4che.
\n?
\nAP 2
\nAP 2.1
\nBei der Evaluierung der Rohstoffe war die Anforderung vordergr\u00fcndig, dass die Bindemittel grunds\u00e4tzlich den Anforderungen der Europ\u00e4ischen Norm f\u00fcr Spielzeugsicherheit EN 71 Teile 3 bis 9 gen\u00fcgen, und dass diese regional und mit hohem biobasiertem Anteil hergestellt werden. Generell wurden allgemeine technische Daten ber\u00fccksichtigt, beispielsweise eine hohe Blockfestigkeit der getrockneten Beschichtung, um ein fl\u00e4chiges Zusammenkleben der Kleinteile bei Lagerung und Transport zu verhindern. Bei Acrylaten und Polyurethandispersionen wurde besonders auf eine niedrige Mindestfilmbildetemperatur geachtet, um auch ohne Koaleszenzmittel eine rissfreie Trocknung des Lackes zu gew\u00e4hrleisten.<\/p>\n
In den nachfolgenden Arbeitspaketen wurden insgesamt 29 Bindemittel getestet, darunter Alkyd-, PU modifizierte Alkyd-, Acrylat-, Polyurethan-, Hybrid-, Polyvinylbutyral- und st\u00e4rkebasierte Bindemittel. Davon sind 27 Bindemittel f\u00fcr den 1K-Einsatz vorgesehen, eines ist eine OH-funktionelle Acrylat-Dispersion und eines ein Isocyanat-H\u00e4rter auf Pentamethylenbasis. Daneben kam ein eisenhaltiges Sikkativ f\u00fcr die oxidativ trocknenden Alkyd- und PU-modifizierten Alkyd-Bindemittel zum Einsatz. F\u00fcr das einzige 2K-System wurden ein PUR-Verdicker und ein Cellulose-basierter Verdicker getestet.<\/p>\n
AP 2.2
\nBei der Konzeptionierung der Vorbehandlungsprozesses waren besonders die unterschiedlichen Geometrien der einzelnen Substrate sowohl bei der Auslegung der Plasmaquellen als auch der F\u00f6rdertechnik zu ber\u00fccksichtigen. Dabei wurden verschiedenste Plasmaquellen und F\u00f6rdertechniken so teils ineinander integriert, um eine omnidirektionale Plasmabehandlung zu erm\u00f6glichen.
\nIm Rahmen der ersten Konzeptionierungsma\u00dfnahmen wurde f\u00fcr die Versuche ein Quellenkonzept herangezogen, welches alle relevanten Entladungskonfigurationen in sich vereint. Eigentliches Ziel dieser Entladungsform ist es, homogene Entladungsprozesse unter Ausschluss von Umgebungsluft durchzuf\u00fchren. Angewendet wurde das rotationssymmetrische Prinzip der Jet-induzierten Gleitentladungsquelle. Idee ist, diese Volumenentladung derart zu optimieren, dass eine allseitige, homogene Behandlung von Spielzeugrohlingen erm\u00f6glicht wird. Dazu wurde auf den bestehenden, patentierten Disc-Jet als Plasmaquelle zur\u00fcckgegriffen. Dabei wurden Elektrodenabstand, elektrische Leistung, Verfahrgeschwindigkeit und Volumenstrom unter Verwendung der beiden unterschiedlichen Entladungsformen variiert. Der Elektrodenabstand von 2 mm, elektrische Leistung P = 250 W und der Volumenstrom (Druckluft als Prozessgas) bei Q = 50 L\/min wurden als optimal eingestuft, sodass eine gleichm\u00e4\u00dfige Plasmaentladung \u00fcber eine Fl\u00e4che von ca. 50 cm2 realisiert werden konnte. Da bei der indirekten Entladungsform nur die Oberseite und Randbereiche der Substrate behandelt werden kann, war hierbei eine zweite Behandlung der R\u00fcckseite erforderlich.<\/p>\n
Bei ersten Konzeptionierungsans\u00e4tzen zur F\u00f6rdertechnik wurde das Prinzip einer Gleitbahn, auf welcher die Substrate allein durch Schwerkraft durch die Entladung und anschlie\u00dfend in die Lackiertrommel gef\u00fchrt werden sollten, erprobt. Da runde Substrate wie Zylinder oder auch Kugeln bei dieser Art der Materialf\u00f6rderung den Bereich der Plasmabehandlung jedoch zu schnell passieren w\u00fcrden und fl\u00e4chige Substrate ggf. durch zu viel Reibung gebremst werden k\u00f6nnten, wurde diese Idee wieder verworfen. Als geeignetes F\u00f6rderkonzept wurde schlie\u00dflich eine Anordnung von F\u00f6rderb\u00e4ndern mit strukturierten Oberfl\u00e4chen gew\u00e4hlt, welche ein Weg-rollen der runden Substrate verhindern und bei direkter Entladung eine Behandlung der Substratr\u00fcckseite durch Plasmabildung in den Hohlr\u00e4umen zwischen Substrat und F\u00f6rderband erm\u00f6glichen sollte.<\/p>\n
Die in diesem Arbeitspaket gewonnenen Daten konnten direkt im AP 4.1 weiterentwickelt werden und in die Konstruktion der Plasmaquelle bzw. des Plasmasystems einflie\u00dfen.<\/p>\n
AP 3
\nAP 3.1
\nZu allen Bindemitteln aus AP 2.1 wurden die jeweiligen Erstformulierungen, bestehend aus Bindemittel und Wasser sowie Sikkativ bei oxidativ trocknenden Systemen in variierenden Zugabemengen (Nullprobe, geringe und maximale Zugabemenge) produziert. Dabei sind die Verh\u00e4ltnisse von Wasser zu Bindemittel so gew\u00e4hlt, dass der Festk\u00f6rper (bei 2K-Lacken in der Mischung mit dem jeweiligen H\u00e4rter) 30% betr\u00e4gt. Sofern die Viskosit\u00e4t so noch sehr hoch lag, wurden zus\u00e4tzliche Formulierungen mit 15% Festk\u00f6rper gefertigt.<\/p>\n
Die Formulierungen wurden in Anlehnung an DIN EN 13523-11 auf Ihre Best\u00e4ndigkeit gegen\u00fcber Speichel- und Schwei\u00dfsimulanz sowie gegen Isopropanol getestet. Anhand der Ergebnisse wurden die potentiellen Bindemittel mit mindestens guter Best\u00e4ndigkeit f\u00fcr den Decklack ausgesucht. Dabei wurde mit der Best\u00e4ndigkeit der Standardsysteme (Acrylatdispersion, Alkyd-System und 2K-PUR-System) verglichen. Schlie\u00dflich wurde ein Alkyd-System und ein 2K-PUR-System mit jeweils hervorragender Best\u00e4ndigkeit f\u00fcr die weiteren Versuche ausgew\u00e4hlt. Zur besseren Einarbeitbarkeit des H\u00e4rters wurde die Viskosit\u00e4t des Stammlackes des 2K-PUR-Systems mithilfe eines Verdickers erh\u00f6ht.<\/p>\n
F\u00fcr die Auswahl der Formulierungen, die f\u00fcr die Beize in Frage kommen k\u00f6nnten, wurde der Kontaktwinkel auf der Formulierung auf Buchen- und Ahornplatten gemessen, jeweils auf behandeltem und unbehandeltem Holz. Das Kriterium war, dass auf beiden Holzarten der Kontaktwinkel ohne Plasmabehandlung recht hoch sein sollte und nach der Plasmabehandlung m\u00f6glichst klein bzw. mit hoher Dynamik (= zieht schnell ein). Als Resultat der Pr\u00fcfungen in AP 3.2 und 5 erwies sich eines der Bindemittel als am geeignetsten. In AP 6 wurden auf derselben Basis zus\u00e4tzlich unterschiedlich pigmentierte Formulierungen f\u00fcr die Herstellung von verschiedenfarbigen Demonstrator-Objekten genutzt.
\n?
\nAP 3.2
\nDie Erstformulierungen aus AP 3.1 wurden auf ihren Kontaktwinkel auf Ahorn- und Buchensubstraten, jeweils mit Plasma behandelt und unbehandelt, hin untersucht. Das Kriterium war, dass auf beiden Holzarten der Kontaktwinkel ohne Plasmabehandlung recht hoch sein sollte und nach der Plasmabehandlung m\u00f6glichst klein bzw. mit hoher Dynamik (= zieht schnell ein). Dieses Kriterium erf\u00fcllten insgesamt sieben Formulierungen. Die Pigmentierung war dabei jeweils identisch mit der des Standardsystems.<\/p>\n
Es wurden die Oberfl\u00e4chenenergien der mit diesen Beizen beschichteten Platten \u00fcberpr\u00fcft. Au\u00dferdem wurden die Kontaktwinkel von potentiellen Decklacken auf den gebeizten Oberfl\u00e4chen gemessen. Mit Ausnahme eines Systems wiesen die Decklacke alle jeweils sehr \u00e4hnliche Kontaktwinkel unabh\u00e4ngig von der Plasmavorbehandlung (vor Applikation der Beize) auf. Durch das Beizen wird der Gro\u00dfteil der polaren Gruppen, die durch die Plasmabehandlung erzeugt worden sind, \u0084abgedeckt\u0093, bei den meisten Beizen sinkt der polare Anteil auf nahezu 0. Eine Ausnahme bildet eine Versuchsbeize, die von der vorherigen Plasmabehandlung einen deutlichen polaren Anteil \u0084\u00fcbrig l\u00e4sst\u0093, welcher f\u00fcr eine nachfolgende Decklackschicht nutzbar bleibt. Es ist davon auszugehen, dass die Beize so gut ins Holz eindringt, dass sie das Werkst\u00fcck kaum laminiert. Die entsprechende Versuchsbeize wurde f\u00fcr die weiteren Versuche bevorzugt getestet, da hier die M\u00f6glichkeit bestand, ohne weitere Behandlung eine verbesserte Spreitung eines Decklackes zu erreichen, wohingegen bei der Verwendung der anderen Beizen die Substrate vor der Decklackierung erneut behandelt werden m\u00fcssten. In weiterf\u00fchrenden Tests erwies sich diese Beize jedoch als nicht abriebbest\u00e4ndig und f\u00fcr die Trommelapplikation ungeeignet, da sich die Oberfl\u00e4cheng\u00fcte im Verlauf des Schichtaufbaus durch Abrieb stark verschlechterte. Von den \u00fcbrigen Versuchsbeizen gen\u00fcgte eine der Anforderungen an die Oberfl\u00e4cheng\u00fcte, jedoch mit dem Erfordernis der erneuten Plasmabehandlung vor der Decklackschicht.<\/p>\n
Im Rahmen des Arbeitspakets wurden folgende Feststellungen gemacht:
\n1.\tDer entwickelte Alkyd-Decklack hat eine l\u00e4ngere Trocknungszeit als der Standard, wobei ber\u00fccksichtigt werden muss, dass der Standard eine Abmischung mit einem Acrylat ist.
\n2.\tDer 2K-PUR-Decklack ist matt. Weitere Trommelg\u00e4nge haben keinen glanzerh\u00f6henden Effekt. Im Rahmen von etwaigen Folgeprojekten k\u00f6nnten Versuche mit (biobasierten) Wachsen durchgef\u00fchrt werden.
\n3.\tEinige Versuchsbeizen haben eine l\u00e4ngere Trocknungszeit als der Standard.
\n4.\tDurch das Weglassen der Additive ergeben sich gegen\u00fcber den Standardlacken Preisvorteile.
\n5.\tIm Rahmen der Trommelversuche spielt der Kontaktwinkel eine eher untergeordnete Rolle, Lediglich der Beize-\/Lackverbrauch und ggf. auch die Farbtiefe stehen damit im Zusammenhang. Bei der Spritzapplikation des Klarlacks auf gebeizten Substraten hingegen werden Benetzungsst\u00f6rungen durch hohe Kontaktwinkel stark sichtbar.
\n6.\tDie Haftzugsfestigkeit ist in allen F\u00e4llen sehr hoch, unabh\u00e4ngig von Beize\/Lack und Plasmabehandlung.
\n7.\tDie Best\u00e4ndigkeiten wurden mithilfe von Photometrie ermittelt. Die Messwerte streuen aufgrund der Inhomogenit\u00e4ten im Holz sowie in der Beschichtung im Rahmen der Laborversuche stark, dennoch l\u00e4sst sich ein Trend ablesen: Beide Klarlacke scheinen die Oberfl\u00e4che vergleichbar zum Standard zu versiegeln, wobei der 2K-PUR-Lack erwartungsgem\u00e4\u00df eine bessere Best\u00e4ndigkeit aufweist als das Alkyd-System. Beide Systeme sind jeweils vergleichbar mit dem Standard.
\n8.\tDie Plasmavorbehandlung hat in der Regel einen deutlich h\u00f6heren Verbrauch an Beize zur Folge, wohingegen eine erneute Plasmabehandlung nach der ersten Klarlackschicht den Verbrauch an Klarlack f\u00fcr die zweite Klarlackschicht reduziert. Grund daf\u00fcr ist wahrscheinlich, dass durch die Behandlung die gebeizte Oberfl\u00e4che gegl\u00e4ttet wird und somit weniger Lack anhaften kann. In den Versuchen zeigte sich eine Korrelation mit den Best\u00e4ndigkeiten dahingehend, dass die Best\u00e4ndigkeit ma\u00dfgeblich von der Schichtdicke abh\u00e4ngt, das hei\u00dft, dass durch geringeren Lackverbrauch aufgrund der Plasmabehandlung eine schlechtere Best\u00e4ndigkeit resultiert. Der Effekt, dass durch den Energieeintrag eine h\u00f6here Vernetzung erfolgt, wurde im Rahmen der Best\u00e4ndigkeitstest nicht sichtbar. Allerdings wurde beobachtet, dass der Klarlack-\u00dcberschuss nach dem Tauchen der Trommelteile deutlich weniger gef\u00e4rbt war, wenn nach dem Beizen eine zweite Behandlung erfolgte.
\n?
\nAP 4
\nAP 4.1
\nDie Konstruktion der Plasmaquelle und der zugeh\u00f6rigen Vorrichtung zur Behandlung der Holzsubstrate wurde, unter Ber\u00fccksichtigung der in der Konzeptionsphase generierten Daten, in Form eines F\u00f6rderbandsystems realisiert, welches je nach Substratform an die jeweiligen Bedingungen angepasst werden kann. Das F\u00f6rderband wird dabei mittels Gleichstromgetriebemotor angetrieben, welcher durch eine pulsweitenmodulierte Spannungsversorgung in der Drehzahl eingestellt werden kann. Diese Steuerung erlaubt es, den Motor ab nahezu 0 U\/min ansteuern zu k\u00f6nnen, ohne dass der Motor dabei an Drehmoment verliert. Au\u00dferdem zeigte sich dieses Ansteuerungsverfahren in vorherigen Tests als betriebssicher, gerade in Verbindung mit Plasmaanwendungen, welche aufgrund der eingesetzten Spannungen und Frequenzen zu elektromagnetischen St\u00f6rungen f\u00fchren k\u00f6nnen. <\/p>\n
Am F\u00f6rderband wurde eine h\u00f6henverstellbare Quellenhalterung angebracht, an welcher verschiedene Plasmaquellen mit unterschiedlichen Geometrien und Entladungscharakteristiken montiert werden k\u00f6nnen. Die Halterung ist dabei so gestaltet worden, dass die Plasmaquelle im Zweifelsfall vom Band weg ausgelenkt werden kann, um ggf. einem Materialstau oder Teilen mit zu gro\u00dfen Abmessungen ausweichen zu k\u00f6nnen, ohne den Aufbau zu verstopfen oder gar zu zerst\u00f6ren. Durch diesen Mechanismus k\u00f6nnen die jeweiligen Plasmaquellen zudem werkzeuglos innerhalb weniger Sekunden getauscht werden, um andere Prozessbedingungen einzustellen. In die Quellenhalterung wurde des Weiteren eine Luftf\u00fchrung zur Absaugung der entstehenden reaktiven Gase (bspw. O3 oder NO\u00acx\u00ac\u00ac\u00ac) au\u00dferhalb der Behandlungszone integriert, um eine unn\u00f6tige Verbreitung dieser zu verhindern und diese gezielt abf\u00fchren zu k\u00f6nnen.<\/p>\n
Ein zweites aufgebautes Quellenkonzept sah die planparallele Anordnung eines weiteren F\u00f6rderbandes zum ersten vor, welches gleichzeitig als Plasmaquelle verwendet werden konnte, wodurch sich weitere Behandlungsoptionen f\u00fcr die omnidirektionale Oberfl\u00e4chenbehandlung realisieren lie\u00dfen. Durch die unabh\u00e4ngige Ansteuerung der F\u00f6rderb\u00e4nder k\u00f6nnen bestimmte Substrate in eine Rotationsbewegung versetzt werden, wodurch eine umlaufende Plasmabehandlung erfolgen kann. Dabei wurden die beiden F\u00f6rderb\u00e4nder federbelastet miteinander verbunden, um einen bestm\u00f6glichen Anpressdruck zum Substrat und damit konstante Fortbewegung zu erreichen. Im Test zeigten sich bei diesem Aufbau jedoch Probleme mit der Integration der Plasmaquelle in das F\u00f6rderband, welche durch zu viele St\u00f6rfaktoren, wie zum Beispiel Kurzschl\u00fcsse bei h\u00f6heren Behandlungsabst\u00e4nden aufgrund der direkten Entladung zwischen den F\u00f6rderb\u00e4ndern, nicht prozessstabil betrieben werden konnte, weshalb dieses Konzept nicht weiterentwickelt wurde.<\/p>\n
Um bei der indirekten Entladung eine umlaufende Behandlung zu erzielen war es erforderlich, zwei F\u00f6rderbandsysteme mit je einer Plasmaquelle nacheinander zu schalten, bei welchem die Substrate beim \u00dcbergang vom einen auf das andere F\u00f6rderband gewendet werden k\u00f6nnen. dies wurde durch einen H\u00f6henversatz der F\u00f6rderb\u00e4nder zueinander umgesetzt, wobei der Abstand der B\u00e4nder experimentell auf ein bestm\u00f6gliches Umw\u00e4lzen der Bauteile optimiert wurde. Au\u00dferdem mussten an den F\u00f6rderb\u00e4ndern seitliche Begrenzungen angebracht werden, die die Bauteile mittig auf den F\u00f6rderb\u00e4ndern und somit auch zentrisch zu den Plasmaquellen platzieren und zudem am Verlassen des F\u00f6rderbandes hindern sollen, um m\u00f6glichst homogene Behandlungsergebnisse zu erzielen. Die Bandgeschwindigkeit l\u00e4sst sich stufenlos bis auf ca. 10 m\/min einstellen, sodass gen\u00fcgend Geschwindigkeitsreserve f\u00fcr weitere Parametereinstellungen vorhanden ist.<\/p>\n
AP 4.2
\nZum Einstellen des Parameterkorridors des Behandlungsprozesses wird auf einen Tantec HV X 20 Generator samt zugeh\u00f6rigem Transformator zur\u00fcckgegriffen. Dieser erlaubt durch seine automatische Spannungs- und Frequenzregelung eine optimale Anpassung der Plasmaparameter an das jeweilige Substrat, selbst bei variierender Probenst\u00e4rke. Zus\u00e4tzlich dazu sucht der Generator den optimalen Arbeitspunkt f\u00fcr jede Prozess\u00e4nderung, um zu jederzeit mit h\u00f6chster Effizienz und Prozessstabilit\u00e4t zu arbeiten. Des Weiteren wird die Plasmaentladung kontinuierlich \u00fcberwacht, um eventuelle Kurzschl\u00fcsse erkennen zu k\u00f6nnen und ggf. die Entladung zu unterbrechen, wodurch eine ungewollte Zerst\u00f6rung der Substrate und auch der Plasmaquelle vermieden werden sollen. <\/p>\n
F\u00fcr die Ermittlung der geeigneten Prozessparameter wurden zuerst, wie auch bei der Konzeptionierung des Vorbehandlungsprozesses, plane, ca. 10 mm starke Holzproben aus Rotbuche und Ahorn genutzt, die durch ihre Form sowohl eine direkte als auch indirekte Plasmabehandlung zulassen, aufgrund der ebenen Oberfl\u00e4che reproduzierbare Prozessbedingungen erm\u00f6glichen und die Prozessparameter aus der Konzeptionierungsphase anwenden lie\u00dfen. Anhand der ermittelten Daten konnten im Folgenden die Prozessparameter auf andere Substratformen mit unterschiedlichen Abmessungen und Oberfl\u00e4chenbeschaffenheiten adaptiert werden, um das Behandlungsverfahren f\u00fcr m\u00f6glichst viele Substrate und Anwendungen nutzen zu k\u00f6nnen. <\/p>\n
Durch die Aufteilung der Plasmabehandlung bei der indirekten Behandlung in zwei Stufen (vgl. F\u00f6rderbandkonzepte in AP 4.2) war es erforderlich, beide Entladungen zeitgleich einstellen und \u00fcberwachen zu k\u00f6nnen. Hierf\u00fcr wurde zuerst zwischen Tantec HV-X 20 Generator und den beiden Hochspannungstransformatoren (einer je Plasmaquelle) ein Switch installiert, welcher es erlaubt, mehrere Plasmaquellen mit identischen Parametern zeitgleich und mit nur einem Generator betreiben zu k\u00f6nnen. Dadurch war es m\u00f6glich, die zuvor generierten Parameter weiter zu nutzen und den Einfluss zweier aufeinander folgender Behandlungen zu untersuchen. Anstelle des Switches kann au\u00dferdem auch ein zweiter Generator installiert werden, durch welchen an beiden Behandlungsstationen auch unterschiedliche Parameter eingestellt werden k\u00f6nnen, um ggf. verschiedene Prozessgase nutzen oder unterschiedliche Entladungsabst\u00e4nde einzustellen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n
AP 4.3
\nIm Rahmen dieses Arbeitspakets wurden die Wasser- und Lackkontaktwinkel und Oberfl\u00e4chenenergien mittels des Kontaktwinkelmessger\u00e4ts DSA100 der Firma Kr\u00fcss durchgef\u00fchrt. <\/p>\n
Wasserkontaktwinkel: Automatisierte Applikation von 10 DI-Wassertropfen (2 \u00b5L) \u00fcber die Holzoberfl\u00e4che verteilt. Aus den 10 Messwerten wird anschlie\u00dfend automatisch der Mittelwert und die Standardabweichung gebildet.<\/p>\n
Lackkontaktwinkel: Das DSA100 besitzt die M\u00f6glichkeit automatisch unterschiedliche Fl\u00fcssigkeiten auf der Pr\u00fcfoberfl\u00e4che zu applizieren. Erm\u00f6glicht wird dies durch ein Positioniersystem, was die Fl\u00fcssigkeit \u00fcber ein komplexes Schlauchsystem aus dem Reservoir auf die Oberfl\u00e4che pumpt. Lack ist jedoch ein System, welches daf\u00fcr konzipiert ist auszuh\u00e4rten. Das w\u00fcrde es auch in dem erw\u00e4hnten Schlauchsystem. Aus diesem Grund wurde der Lack manuell \u00fcber eine einstellbare Mikroliter-Pipette (10 \u00b5L) auf der zu pr\u00fcfenden Holzoberfl\u00e4che appliziert, um ein langwieriges Austauschen des Schlauchsystems zu verhindern. Die Menge unterscheidet sich aufgrund der unterschiedlichen Viskosit\u00e4ten zu den automatisiert aufgebrachten Fl\u00fcssigkeiten Wasser und Diiodmethan. Bei nahezu allen Versuchen konnte eine signifikante Reduzierung des Kontaktwinkels erreicht werden.<\/p>\n
Oberfl\u00e4chenenergie: Zu diesem Zweck wird sowohl eine polare Fl\u00fcssigkeit (DI-Wasser) als auch eine disperse Fl\u00fcssigkeit (Diiodmethan) auf der Pr\u00fcfoberfl\u00e4che appliziert. Hierzu werden jeweils 5 Fl\u00fcssigkeitspaare der beiden Fl\u00fcssigkeiten auf die Oberfl\u00e4che in Tropfenform (2 \u00b5L) aufgebracht. Die Kontaktwinkel beider Fl\u00fcssigkeiten werden erfasst und jeweils der Mittelwert und die Standardabweichung gebildet. \u00dcber die OWRK-Methode wird anschlie\u00dfend automatisch die Oberfl\u00e4chenenergie berechnet, welche in mN\/m angegeben wird. In Abbildung 14 sind die Leistungsstudien in Form der jeweils erreichten Oberfl\u00e4chenenergie (Polar, Dispers, Gesamt) zur unbehandelten Referenz gegen\u00fcbergestellt. Insbesondere am polaren Anteil ist die S\u00e4ttigung bereits bei 150 W eingespeister Leistung festzustellen. Eine Erh\u00f6hung der Leistung f\u00fchrt bestenfalls zu gleichbleibenden polaren Anteilen.<\/p>\n
AP 5
\nDieses Arbeitspaket \u00fcberschneidet sich in gro\u00dfen Teilen mit AP 3, 4 und 6: Insbesondere die Fertigstellung eines Demonstrators, d.h. sowohl der Bau des Funktionsmusters als auch die Herstellung von beschichten Holzteilen mit dem entwickelten Lacksystem unter Zuhilfenahme des Funktionsmusters (Plasmaanlage) l\u00e4sst sich als Feldversuch einordnen.<\/p>\n
Energieverbrauch (Plasmaanlage, Luft-Plasma): Die gesamte Anlage (Trafos, Frequenzgeneratoren, Switches, Steuerungsger\u00e4te, F\u00f6rderb\u00e4nder, Behandlungsgut-Vereinzeler, Kompressor und Absaugung) weist einen Verbrauch von ca. 0,11 kWh elektrischer Energie pro kg Holzkleinteile pro Durchgang auf.<\/p>\n
AP 6
\nNachdem das im AP 4.1 entwickelte System aufgebaut und erprobt wurde, konnte f\u00fcr das Gesamtsystem ein Geh\u00e4use hergestellt werden, in welchem die Steuerungstechnik f\u00fcr die F\u00f6rderb\u00e4nder, die Prozessgasregelung und die komplette Stromversorgung integriert wurde und welches durch die Umhausung der Plasmaentladung ein noch effektiveres Absaugen der bei der Behandlung entstehenden Abgase erlaubt. Das Geh\u00e4use wurde dabei im Wesentlichen aus Konstruktionsprofilen aufgebaut und mit Aluminium und Acrylglasplatten verkleidet. Zur Bedienerseite erhielt der Aufbau zum Einstellen der Anlage und f\u00fcr Wartungszwecke Schiebet\u00fcren. Des Weiteren wurde der Aufbau durch einen Vibrationsf\u00f6rderer zur Materialzuf\u00fchrung erweitert, welcher sich in seiner Schwingamplitude auf verschiedene Substrate einstellen l\u00e4sst. Dieser erlaubt zudem die Vereinzelung der jeweiligen Holzproben und verteilt diese m\u00f6glichst gleichm\u00e4\u00dfig auf dem F\u00f6rderband. Au\u00dferdem dient die auf dem Vibrationsf\u00f6rderer montierte Sch\u00fctte gleichzeitig als Vorratsbeh\u00e4lter zur Beschickung der Anlage, um bis zu 2 kg Probenmaterial vorhalten zu k\u00f6nnen. Auf der Oberseite der Anlage befinden sich direkt oberhalb der Plasmaquellen die Montagehalterungen f\u00fcr die Hochspannungstransformatoren, wobei deren Hochspannungsseiten ins Innere der Anlage zeigen und somit nicht von au\u00dfen zug\u00e4nglich sind. Dabei sind die Transformatoren au\u00dferhalb der Behandlungskammer gehalten worden, damit deren K\u00fchlsystem keinen Holzstaub ansaugt, welcher durch die Plasmabehandlung aufgewirbelt werden kann.<\/p>\n
Es wurden Holzteile mit dem entwickelten Lacksystem unter Zuhilfenahme des Funktionsmusters beschichtet: Es wurde nach einer Plasma-Vorbehandlung in 12 verschiedenen Farben gebeizt, danach zweischichtig ohne weitere Behandlung mit dem 2K-PUR-Klarlack versiegelt.<\/p>\n
AP 7
\nEnergiebilanz und CO2-Fu\u00dfabdruck: Die Datenlage zu Energiebilanz und Product Carbon Footprint (PCF) ist derzeit noch d\u00fcrftig. Von Rohstoffen der entwickelten Beizen und Lacke sowie der zu vergleichenden Standardsysteme liegen die PCF-Datenbl\u00e4tter nur vereinzelt vor, der Vergleich mit den Standardsystemen gelingt daher \u00fcberwiegend mithilfe von Analogieschl\u00fcssen. Grunds\u00e4tzlich ist eine solche Bewertung fehleranf\u00e4llig, beispielsweise liegen den vorliegenden PCF-Datenbl\u00e4ttern weitere Analogieschl\u00fcsse und R\u00fcckgriffe auf Datenbanken zugrunde, wenn (einzelne) Rohstofflieferanten keine Daten zur Verf\u00fcgung stellen k\u00f6nnen\/wollen. Auch ist nicht ersichtlich und nicht mit vertretbarem Aufwand ermittelbar, inwieweit bereits in der Vorkette (Produktion und Transport von Rohstoffen) erneuerbare oder fossile Energietr\u00e4ger eine Rolle spielen. Somit korreliert der PCF nicht zwangsl\u00e4ufig mit der Energiebilanz. Insgesamt ist sowohl bei der PlasmAdd-Beize als auch bei den PlasmAdd-Klarlacken von einer deutlich besseren Energiebilanz gegen\u00fcber dem jeweiligen Standardsystem auszugehen. Die Plasmabehandlung tr\u00e4gt mit 0,11 kWh pro kg Holzkleinteile pro Durchgang in der Gesamtbetrachtung nicht nennenswert zum CO2-Fu\u00dfabdruck bei.<\/p>\n
Nachwachsende Rohstoffe: Die entwickelte Beize enth\u00e4lt 35% NaWaRo in Bezug auf den nichtfl\u00fcchtigen Anteil. Der entwickelte Alkyd-Decklack enth\u00e4lt 64% NaWaRo, ebenfalls auf die Trockenmasse bezogen. Der entwickelte 2K-PUR-Decklack enth\u00e4lt 43% NaWaRo im getrockneten Lackfilm (inkl. H\u00e4rter).<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Ergebnisse wurden in einem Interview sowie in einem Fachbeitrag (beide ver\u00f6ffentlicht in der FARBE UND LACK) sowie in einem Image-Film dargestellt und der \u00d6ffentlichkeit zug\u00e4nglich gemacht.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die Projektziele wurden weitestgehend erreicht und teilweise \u00fcbertroffen. Umfang, tats\u00e4chlicher Arbeitsaufwand und zeitliche Umsetzung der Arbeitspakete wichen teilweise stark von der Planung im Projektantrag ab. Die Abstimmung der Projektpartner und flexible Anpassung war zu jeder Zeit gegeben. Aufgrund der personellen Gegebenheiten und fachbezogenen Aufteilung der tats\u00e4chlich angefallenen Arbeit unter den Projektpartnern war es erforderlich, die Projektlaufzeit von urspr\u00fcnglich 24 Monaten auf 30 Monate zu verl\u00e4ngern. Im Projekt konnte ein PlasmAdd-System, bestehend aus Plasmabehandlung und klassischem Schichtaufbau (Beize + Klarlack) bei Verzicht auf zus\u00e4tzliche Additive entwickelt werden, wobei TRL 4-5 erreicht wurde. Zur Erreichung der Marktreife (TRL 9) sind weiterf\u00fchrende Folgeprojekte erforderlich.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens \u00dcbergeordnetes Projektziel ist die Entwicklung eines nachhaltigen Lacksystems f\u00fcr die industrielle Beschichtung von Kleinteilen, ohne die Verwendung von chemischen Additiven, welche durch plasmatechnologische Verfahren substituiert werden. Die Firma Zuelch beabsichtigt innerhalb des Projektes ein nachhaltiges, w\u00e4ssriges Lacksystem f\u00fcr Holz und Holzwerkstoffe zu entwickeln, welches aufgrund der aktuellen Marktsituation und des […]<\/p>\n","protected":false},"author":0,"featured_media":0,"template":"","meta":{"footnotes":""},"categories":[],"tags":[64],"class_list":["post-28026","projektdatenbank","type-projektdatenbank","status-publish","hentry","tag-niedersachsen"],"meta_box":{"dbu_projektdatenbank_az_ges":"38039\/01","dbu_projektdatenbank_medien":"","dbu_projektdatenbank_pdfdatei":"","dbu_projektdatenbank_bsumme":"348.557,00","dbu_projektdatenbank_firma":"Zuelch Industrial Coatings GmbH","dbu_projektdatenbank_strasse":"Friedrich-Ebert-Str. 204 \u0096 206","dbu_projektdatenbank_plz_str":"37520","dbu_projektdatenbank_ort_str":"Osterode","dbu_projektdatenbank_p_von":"2022-11-30 00:00:00","dbu_projektdatenbank_p_bis":"2025-05-31 00:00:00","dbu_projektdatenbank_laufzeit":"2 Jahre und 6 Monate","dbu_projektdatenbank_telefon":"+ 49 5522 9015-12","dbu_projektdatenbank_inet":"","dbu_projektdatenbank_bundesland":"Niedersachsen","dbu_projektdatenbank_foerderber":"169","dbu_projektdatenbank_ab_bericht":"DBU-Abschlussbericht-AZ-38039_01-Hauptbericht.pdf","dbu_projektdatenbank_ist_nachbewilligung_von":"","dbu_projektdatenbank_hat_nachbewilligung":"","dbu_headerimage_cover":"","dbu_submenu":"","dbu_submenu_position":"","dbu_submenu_entry":[]},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/28026","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/projektdatenbank"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/28026\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":41029,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/28026\/revisions\/41029"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=28026"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=28026"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=28026"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}