Grundlagen zu Latexbindemitteln: Polymerdesign

Bei der Herstellung von Latex machen sich Chemiker in der Regel zunächst mit der Anwendung vertraut, für die das Produkt vorgesehen ist. Die Endanwendung eines Emulsionspolymers hat nämlich erheblichen Einfluss auf sein Design. Das Wissen über die Endanwendung hilft dem Chemiker, die richtige Rezeptur mit allen entsprechenden Inhaltsstoffen zu entwickeln, die ein Emulsionspolymer mit den richtigen Eigenschaften ergibt. 

In seinem weithin bekannten Buch „Die 7 Wege zur Effektivität“ erläutert Stephen Covey, dass produktive Menschen stets das Ergebnis vor Augen haben, wenn sie eine Aufgabe angehen. Das gilt besonders auch für Chemiker, die Latexbindemittel herstellen. Die Endanwendung eines Emulsionspolymers hat nämlich erheblichen Einfluss auf sein Design. Das Wissen über das Endergebnis hilft dem Chemiker, die richtige Rezeptur mit allen entsprechenden Inhaltsstoffen zu entwickeln, die ein Emulsionspolymer mit den richtigen Eigenschaften ergibt.

In diesem Artikel untersuchen wir diesen Prozess der Rezepturerstellung, damit sich die Entscheidungen von Chemikern bei der Neuentwicklung von Latexbindemitteln nachvollziehen lassen. Hilfreiche Informationen hierzu finden Sie in den Grundlagen der Emulsionspolymerisation, d. h. dem Prozess, der bei der Herstellung jedes synthetischen Latex verwendet wird. Ein Emulsionspolymer erfordert eine Anzahl von Inhaltsstoffen, die alle während des Polymerisationsprozesses in Wasser gegeben werden:

• Monomere
• Tenside
• Initiatoren
• Carbonsäuren und Spezialmonomere

Monomere sind die Bausteine, aus denen das Polymer besteht. Die meisten Monomere vertragen sich jedoch nicht mit Wasser, sodass Tenside hinzugegeben werden, um zellenähnliche Umgebungen – die Mizellen – herzustellen, die sich bilden, wenn hydrophobe (wassermeidende) Schwänze des Tensids sich zur Mitte hin ansammeln während sich hydrophile (wasserliebende) Köpfe zur Außenseite hin ausrichten – im Kontakt mit dem Wasser. Die Monomere wandern dann von größeren Monomer-Tröpfchen in die Mizellen, wo sie vom Wasser abgeschirmt sind. Als nächstes dringen Initiatorstoffe in die Mizellen ein und lösen die Polymerase-Kettenreaktion aus, durch die ein Monomer jeweils mit einem weiteren verbunden wird, bis sich eine lange Kette gebildet hat. Zum Schluss tragen die Carbonsäuren und zusätzliche Spezialmonomere zur Stabilisierung des Latex bei, die in die Polymer-Hauptkette polymerisiert, jedoch der Partikel-/Wasseroberfläche ausgesetzt sind.

Während der grundlegende Polymersationsprozess bei allen Latexarten gleich ist, können Chemiker durch die Auswahl der oben beschriebenen Inhaltsstoffe die Eigenschaften des fertigen Polymers steuern.

Wahl der Monomere

Die erste Entscheidung, die Chemiker treffen müssen, ist die Wahl des Monomers. Hierzu müssen sie die Umgebungsbedingungen kennen, unter denen das Endprodukt eingesetzt werden soll. Wenn die Endanwendung erfordert, dass das Latexbindemittel dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, besteht das Risiko einer Zersetzung des Materials. Hierzu kommt es, wenn ultraviolette Strahlung vom Polymer absorbiert wird und zerstörerische Radikale schafft, was zu verschiedenen Problemen vom Verlust der Festigkeit und Flexibilität bis hin zu Ausbleichen und Rissbildung führt.

Beispielsweise zeigt Acryllatex aus Methacrylsäuremethylester- und Acrylsäurebutylester-Monomeren eine bessere UV-Beständigkeit als solches aus Styrol und Butadien. Daher sind Acrylemulsionen gute Kandidaten für Bindemittel, die hervorragende langfristige Oberflächenstabilität und UV-Beständigkeit aufweisen müssen. Styrolacrylat-Emulsionspolymere sind eine weitere gute Option für Außenanwendungen. Zusätzlich zu den UV-Eigenschaften bietet Styrolacrylatlatex Wasserbeständigkeit, Abriebfestigkeit und Härte, was es zu einem geeigneten Material für Anwendungen wie Industrie-, Holz- und Betonbeschichtungen, Grundierungen, Bindemittel für Filtermedien und Straßenmarkierungsfarben macht. Styrolbutadien-Emulsionspolymere kommen häufig zum Einsatz, wenn eine direkte, langfristige UV-Exposition kein Thema ist. Styrolbutadien-Latexbindemittel eignen sich ideal für Anwendungen, die eine hervorragende Wasserbeständigkeit, hohe Füllstoffaufnahme, gute Ausgewogenheit von Zugfestigkeit und Dehnungsfähigkeit sowie gute Haftung an schwierigen Substraten erfordern.

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt bei der Wahl von Monomeren ist die Glasübergangstemperatur oder Tg, d. h. der Temperaturbereich, in dem ein amorphes Polymer weniger glasartig und mehr gummiartig wird und umgekehrt. Chemiker können Monomere in spezifischen Kombinationen von hart und weich wählen, um eine bestimmte Tg zu erzielen. Bei einem Styrolbutadien-Copolymer zum Beispiel erhöht sich mit dem Styrolanteil auch die Tg. Umgekehrt sinkt die Tg mit höherem Butadienanteil. Indem das Verhältnis von Styrol zu Butadien geändert wird, lassen sich die Tg beeinflussen und Polymere mit unterschiedlichen Merkmalen herstellen. Die folgenden mechanischen Eigenschaften stehen in direktem Bezug zur Glasübergangstemperatur:

• Elastizitätsmodul: Misst, wie sehr sich ein Polymer der Verformung entgegensetzt
• Dehnung in Prozent: Gibt die Längenänderung eines Polymers bei der Zugprobe an
• Zugfestigkeit: Die maximale Kraft, die ein Polymer aushalten kann, bevor es bricht

Wahl der Tenside

Bei der Synthese von Latex werden in der Regel anionische Tenside verwendet. Diese werden so genannt, weil sie an ihrem hydrophilen (wasserliebenden) Ende negativ geladen sind. Typische anionische Tenside sind Fettsäureseifen, Sulfate und Sulfonate.

Nichtionische Tenside, zu denen Polyethylenoxide verschiedener Längen mit diversen hydrophoben Gruppen gehören (überwiegend Alkylphenole, primäre Alkohole, sekundäre Alkohole und Alkylketten), können bei der Polymerisation ebenfalls verwendet werden.

In einigen seltenen Fällen werden für Endanwendungen wie die Asphaltmodifizierung kationische Tenside (deren hydrophiles Ende positiv geladen ist) für Emulsionspolymere verwendet.

Denken Sie daran, dass Tenside die Umgebungsmizellen für die Polymerisation bereitstellen. Auf diese Weise ermöglichen sie während des Prozesses der Emulsionspolymerisation die erforderliche Stabilität für die Latexpartikel. Sie können außerdem eingesetzt werden, um die Größe der Latexpartikel zu regulieren. Wird weniger Tensid verwendet, verringert sich die Anzahl der Mizellen, die zur Aufnahme der wachsenden Polymere verfügbar sind. Daraufhin werden die Polymerketten länger und die Mizellen vergrößern sich.

Wahl der Initiatoren

Die äußerst reaktionsfreudigen Radikale setzen die Polymerisation in Gang. Die Initiatoren sind die Quelle dieser Radikale. Die Wahl des Initiators hängt in der Regel von zwei Faktoren ab: seiner Löslichkeit und seiner Zersetzungstemperatur. Da die Emulsionspolymerisation in wässriger Lösung stattfindet, muss der Initiator wasserlöslich sein. Häufig verwendete Initiatoren sind Natriumpersulfat und Ammoniumpersulfat. Diese chemischen Stoffe unterliegen einer homolytischen Spaltung und produzieren dadurch kurzlebige, jedoch äußerst reaktionsfreudige Radikale, die in Mizellen wandern und mit Monomermolekülen reagieren.

Bei Temperaturen über 50 °C bewirken thermische Reaktionen die Homolyse von Persulfatsalzen. Wenn niedrigere Temperaturen erforderlich sind, können Persulfatsalze die erforderlichen Radikale über Reduktions-Oxidations-Reaktionen erzeugen und ermöglichen Chemikern somit einige Flexibilität bei der Arbeit mit Initiatoren.

Wahl der Carboxylierung

Wie beschrieben, sind Tenside ein wichtiger Bestandteil einer Emulsionspolymer-Rezeptur, haben jedoch auch einige Herausforderungen zur Folge. Bei den meisten Polymerisationsreaktionen befindet sich das Tensid nicht vollständig auf der Partikeloberfläche, was bedeutet, dass ein Teil des Materials im Wasser verbleibt. Dieses sogenannte freie Tensid erhöht tendenziell die Feuchtigkeitsempfindlichkeit des Latex.

Um diesen Effekten entgegenzuwirken fügen Chemiker bisweilen ein schwaches Carbonsäuremonomer wie Acrylsäure, Methacrylsäure oder Itaconsäure während der Polymerisationsreaktion hinzu. Diese Zusätze werden in die Polymerhauptkette aufgenommen, wandern jedoch zur Oberfläche des Polymers und verringern die Oberflächenenergie. Hierdurch wird die Oberflächenladung der Partikel verstärkt, die dann durch elektrostatische Abstoßung auseinander gezwungen werden. Dies stabilisiert die Partikelbildung und verringert die Menge an benötigtem Tensid.

Carboxylierung kann zudem die Vernetzung nach dem Aushärten fördern, was zur Stärke und Zähigkeit des fertigen Materials beiträgt.

Design-Experten

Die Vielseitigkeit von Emulsionspolymeren und die Variablen, die während der Polymerisation zur Verfügung stehen, stellen große Herausforderungen an das Design. Es ist viel Erfahrung nötig, um eine Rezeptur genau auf eine bestimmte Anwendung abzustimmen. Die Chemiker bei Mallard Creek Polymers arbeiten bei der Entwicklung von Polymeren für die unterschiedlichsten Branchen mit den Kunden zusammen. Wir begegnen allen Herausforderungen unserer Kunden mit profundem Wissen und einem großen Team an Polymerspezialisten. Wenden Sie sich noch heute an uns, um Ihre Anforderungen zu besprechen und wie sich diese mit einer Latex-Rezeptur von Mallard Creek Polymers erfüllen lassen.

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• Stabilisierung