Nooit meer een kras

Delft Integraal december 2007

Nooit meer een kras

Nergens zijn de eisen aan lak zo extreem als bij autolakken. Een sterke lak die na jaren nog glanst, bevordert de verkoop van autoÕs. Zowel lak- als autofabrikanten investeren dan ook flink in onderzoek en ontwikkeling van autolakken. De laatste jaren ligt de focus vooral op nanolakken.

De nieuwste ontwikkeling in autolakken is de opkomst van de nanolak. De modieuze naam verraadt het gebruik van kleine harde bolletjes, schijfjes of naaldjes in het oplosmiddel of in de hars. De gebruikte deeltjes zijn met afmetingen tussen 0,1 en 100 nanometer (een miljoenste millimeter) kleiner dan de golflengte van licht (gemiddeld 500 nanometer) en laten licht daarom ongemoeid. Nanolakken zijn dus mooi transparant. Nanodeeltjes zijn echter wel veel groter dan de harsmoleculen waar ze zich aan binden.  Het macroscopische gevolg van die extra moleculaire bindingen is een harde, vrijwel krasvrije laklaag.

Vooruitgang

Hoewel de ideale nanolak – keihard, glashelder en onaantastbaar – nog niet bestaat, is de de vooruitgang in autolakken in de afgelopen eeuw toch spectaculair te noemen. De eerste autolakken van omstreeks 1920 waren rechtstreeks afgeleid van de primitieve lakken waarmee ook koetsen geschilderd werden. Grove mengsels waren het, van gemalen pigment opgelost in natuurlijke harsen en oliën. Ze droogden extreem langzaam en er waren meerdere lagen nodig om tot dekking te komen. Hierdoor duurde het aflakken van auto’s in de beginjaren zes tot zeven weken. Hele pakhuizen stonden vol met langzaam drogende auto’s. Al die moeite ten spijt verloren auto’s al na enkele maanden hun glans en begon de laklaag dof en kalkachtig te worden. Polijsten was dan het enige dat hielp om de glans terug te brengen. Maar dat ging dan wel ten koste van de dikte van de laklaag. Het enige voordeel uit die tijd: de eigenaar kon gemakkelijk zelf een laagje bijverven zonder dat het opviel.

Een eeuw later zijn onderzoek en ontwikkeling van autolakken met nanostructuren in volle gang. Toyota is er in de jaren tachtig mee begonnen, vertelt scheikundige dr.  ing. Louise Nobel. Zij promoveerde afgelopen februari bij prof. dr. Stephen Picken (sectie nanostrucured materials van de faculteit Technische Natuurwetenschappen) op vergelijkend onderzoek naar de eigenschappen van verschillende nanodeeltjes in wateroplosbare autolakken. Toyota was op zoek naar een manier om een sterkere lak te maken en men verwachtte dat de nanodeeltjes onzichtbare gestapelde laagjes in de laklaag zouden vormen, als een soort ingebouwde pantsering. Mercedes maakt gebruik van nanodeeltjes (minuscule glaspareltjes) in de lakken van zijn luxere typen auto’s. De rest van de autoindustrie stelt zich nog afwachtend op, beducht voor een hogere prijs voor hun product.

Hechting

Er bestaat inmiddels een heel scala aan beschikbare nanodeeltjes, zowel uit minerale bron als volkomen synthetisch.  Voor haar onderzoek nam Nobel drie verschillende typen nanodeeltjes onder de loep: plaatjes, naaldjes en schijfjes.  Voor kenners: Montmorilloniet (een natuurlijk mineraal);

Boehmiet (aluminiumoxidenaaldjes) en Laponiet (synthetische schijfvormige kristallen). Ze bestudeerde het effect van de toevoeging aan zowel dispersies van hars (de drager van de verf) in water als aan hars in organisch oplosmiddel.  De beste kansen voor mogelijke commerciële toepassingen zag Nobel bij de naaldjes, waaraan tot nu toe het minste onderzoek is gedaan. De kunstmatige naaldjes hebben in vergelijking met natuurlijke nanodeeltjes het voordeel dat ze los door de oplossing bewegen en niet aan elkaar gekleefd zijn.

Volgens Nobel is de kracht van nanodeeltjes dat ze een brug slaan tussen macroscopische eigenschappen en de moleculaire structuren. Zo zorgen Boehmietnaaldjes voor een grotere hechting tussen de naaldjes en de rest van de coating. In combinatie met het uitlijnen van de  naaldjes aan het oppervlak van de coating, leidt die extra moleculaire hechting tot een hoge slag- en krasvastheid van verflaag.

Maar er zijn meer factoren van belang, zegt dr. ir Fred van Wijk. Hij promoveerde in de moleculaire fysica aan de Wageningen Universiteit en werkt als r&d manager autolakken bij Nuplex Resins in Bergen op Zoom. Hij was bij het promotieonderzoek van Louise Nobel betrokken als industriële partner, evenals Akzo Nobel Catalysts. “Nanodeeltjes beïnvloeden de viscositeit van de lak,” zegt Van Wijk. “Veel nanonaaldjes in oplossing maakt de vloeistof bij stilstand taai en stroperig. Wanneer je de oplossing omroert, wordt ze door de beweging dunner.” Twintig jaar geleden, lang voor het woord nano gebruikt werd, voegden verffabrikanten al lange wokkelvormige moleculen aan hun autolakken toe om de stroperigheid te verhogen.  Dat hielp om eenmaal op de carrosserie aangebrachte lak subiet op te laten stijven om zo zakkers te voorkomen.

Glans

Nu heten dergelijke toevoegingen nano, maar het ideale additief bestaat nog steeds niet. Als het om slagvastheid van de lak gaat, zijn volgens Van Wijk de plaatjes (200 maal breder dan dik) het meest effectief, daarna de naaldjes (tot 1000 maal langer dan dik) en tot slot de ronde bolletjes.  Maar uit het oogpunt van spuitbaarheid van de lak is de voorkeur net andersom. Te veel naaldjes of plaatjes maken de lak te stroperig. De keuze van de toevoeging is dus altijd een compromis tussen hanteerbaarheid en eindresultaat.  Intussen worden de eisen steeds hoger. Volgens Van Wijk inspecteren autofabrikanten tegenwoordig hun producten na drie, vier jaar op lakkwaliteit. Ze vinden het belangrijk dat er dan nog weinig van de glans verloren is gegaan. Want na drie jaar gaat de gemiddelde leasewagen eruit en naarmate de occasion beter verkoopt, loopt ook de aanschaf van nieuwe auto’s beter.

Nanolakken zullen overigens niet tot auto’s beperkt blijven, verwacht Van Wijk. Als er eenmaal een heldere, harde en zelfreinigende toplaag ontwikkeld is, zou die ook ideaal zijn voor de bescherming van zonnepanelen. Een licht briesje is dan al voldoende om de zonnecellen weer stofvrij te maken.

Zie ook website TU —>

Delft Integraal december 2007