Die fünf „Wirkstoffe“ wasserbasierter Lacke!

Zusammenfassung

1. Netz- und Dispergiermittel

2. Entschäumer

3. Verdickungsmittel

4. Filmbildende Zusatzstoffe

5. Sonstige Zusatzstoffe

Netz- und Dispergiermittel

Beschichtungen auf Wasserbasis verwenden Wasser als Lösungsmittel oder Dispersionsmedium, und Wasser hat eine große Dielektrizitätskonstante, sodass Beschichtungen auf Wasserbasis hauptsächlich durch die elektrostatische Abstoßung stabilisiert werden, wenn die elektrische Doppelschicht überlappt.

Darüber hinaus gibt es im wasserbasierten Beschichtungssystem häufig Polymere und nichtionische Tenside, die an der Oberfläche des Pigmentfüllstoffs adsorbiert werden, eine sterische Hinderung bilden und die Dispersion stabilisieren. Daher erzielen wasserbasierte Farben und Emulsionen durch die gemeinsame Wirkung von elektrostatischer Abstoßung und sterischer Hinderung stabile Ergebnisse. Sein Nachteil ist die schlechte Elektrolytbeständigkeit, insbesondere bei hochpreisigen Elektrolyten.

1.1 Netzmittel

Netzmittel für wasserbasierte Beschichtungen werden in anionische und nichtionische Netzmittel unterteilt.

Durch die Kombination von Netzmittel und Dispergiermittel können optimale Ergebnisse erzielt werden. Die Menge an Netzmittel beträgt in der Regel einige Promille. Seine negative Wirkung besteht darin, dass es schäumt und die Wasserbeständigkeit des Lackfilms verringert.

Einer der Entwicklungstrends bei Netzmitteln besteht darin, die Netzmittel Polyoxyethylen-Alkyl(Benzol)-Phenolether (APEO oder APE) schrittweise zu ersetzen, da dies zu einer Verringerung der männlichen Hormone bei Ratten führt und endokrine Störungen verursacht. Polyoxyethylen-Alkyl(benzol)phenolether werden häufig als Emulgatoren bei der Emulsionspolymerisation verwendet.

Auch Twin-Tenside sind Neuentwicklungen. Es handelt sich um zwei amphiphile Moleküle, die durch einen Abstandshalter verbunden sind. Das bemerkenswerteste Merkmal von Doppelzell-Tensiden ist, dass die kritische Mizellenkonzentration (CMC) mehr als eine Größenordnung niedriger ist als die ihrer „Einzeller“-Tenside, gefolgt von einer hohen Effizienz. Wie TEGO Twin 4000 handelt es sich um ein doppelzelliges Siloxan-Tensid mit instabilem Schaum und entschäumenden Eigenschaften.

1.2 Dispergiermittel

Dispergiermittel für Latexfarben werden in vier Kategorien unterteilt: Phosphat-Dispergiermittel, Polysäure-Homopolymer-Dispergiermittel, Polysäure-Copolymer-Dispergiermittel und andere Dispergiermittel.

Die am häufigsten verwendeten Phosphatdispergiermittel sind Polyphosphate wie Natriumhexametaphosphat, Natriumpolyphosphat (Calgon N, Produkt der BK Giulini Chemical Company in Deutschland), Kaliumtripolyphosphat (KTPP) und Tetrakaliumpyrophosphat (TKPP).

Der Wirkungsmechanismus besteht darin, die elektrostatische Abstoßung durch Wasserstoffbrückenbindung und chemische Adsorption zu stabilisieren. Sein Vorteil ist, dass die Dosierung niedrig ist, etwa 0,1 %, und es eine gute Dispergierwirkung auf anorganische Pigmente und Füllstoffe hat. Aber es gibt auch Mängel: Zum einen wird Polyphosphat zusammen mit der Erhöhung des pH-Werts und der Temperatur leicht hydrolysiert, was zu einer schlechten Langzeitlagerstabilität führt; Eine unvollständige Auflösung im Medium beeinträchtigt den Glanz der glänzenden Latexfarbe.

1 Phosphatdispergiermittel

Phosphatester-Dispergiermittel stabilisieren Pigmentdispersionen, einschließlich reaktiver Pigmente wie Zinkoxid. In Glanzlackformulierungen verbessert es den Glanz und die Reinigungsfähigkeit. Im Gegensatz zu anderen Netz- und Dispergieradditiven hat der Zusatz von Phosphatester-Dispergiermitteln keinen Einfluss auf die KU- und ICI-Viskosität der Beschichtung.

Polysäure-Homopolymer-Dispergiermittel wie Tamol 1254 und Tamol 850. Tamol 850 ist ein Homopolymer von Methacrylsäure.

Polysäure-Copolymer-Dispergiermittel wie Orotan 731A, ein Copolymer aus Diisobutylen und Maleinsäure. Die Eigenschaften dieser beiden Arten von Dispergiermitteln bestehen darin, dass sie eine starke Adsorption oder Verankerung auf der Oberfläche von Pigmenten und Füllstoffen bewirken, längere Molekülketten zur Bildung sterischer Hinderung aufweisen und an den Kettenenden Wasserlöslichkeit aufweisen, und einige werden durch elektrostatische Abstoßung ergänzt stabile Ergebnisse erzielen. Damit das Dispergiermittel eine gute Dispergierbarkeit aufweist, muss das Molekulargewicht streng kontrolliert werden. Wenn das Molekulargewicht zu klein ist, ist die sterische Hinderung nicht ausreichend; Wenn das Molekulargewicht zu groß ist, kommt es zur Ausflockung. Bei Polyacrylat-Dispergiermitteln lässt sich die beste Dispergierwirkung erzielen, wenn der Polymerisationsgrad 12–18 beträgt.

Andere Arten von Dispergiermitteln wie AMP-95 haben die chemische Bezeichnung 2-Amino-2-methyl-1-propanol. Die Aminogruppe wird an der Oberfläche der anorganischen Partikel adsorbiert und die Hydroxylgruppe reicht bis zum Wasser, das durch sterische Hinderung eine stabilisierende Rolle spielt. Aufgrund seiner geringen Größe ist die sterische Hinderung begrenzt. AMP-95 ist hauptsächlich ein pH-Regulator.

In den letzten Jahren hat die Forschung zu Dispergiermitteln das Problem der durch hohe Molekulargewichte verursachten Ausflockung überwunden, und die Entwicklung hoher Molekulargewichte ist einer der Trends. Beispielsweise wurde das durch Emulsionspolymerisation hergestellte hochmolekulare Dispergiermittel EFKA-4580 speziell für wasserbasierte Industriebeschichtungen entwickelt, eignet sich für die Dispersion organischer und anorganischer Pigmente und weist eine gute Wasserbeständigkeit auf.

Aminogruppen haben durch Säure-Base- oder Wasserstoffbrückenbindungen eine gute Affinität zu vielen Pigmenten. Besonderes Augenmerk wurde auf das Blockcopolymer-Dispergiermittel mit Aminoacrylsäure als Ankergruppe gelegt.

2 Dispergiermittel mit Dimethylaminoethylmethacrylat als Ankergruppe

Das Netz- und Dispergieradditiv Tego Dispers 655 wird in wasserbasierten Autolacken nicht nur zur Orientierung der Pigmente verwendet, sondern auch, um zu verhindern, dass das Aluminiumpulver mit Wasser reagiert.

Aufgrund von Umweltbedenken wurden biologisch abbaubare Netz- und Dispergiermittel entwickelt, beispielsweise die zweizelligen Netz- und Dispergiermittel der EnviroGem AE-Serie, bei denen es sich um schaumarme Netz- und Dispergiermittel handelt.

Entschäumer

Es gibt viele Arten traditioneller Entschäumer für Farben auf Wasserbasis, die im Allgemeinen in drei Kategorien unterteilt werden: Mineralöl-Entschäumer, Polysiloxan-Entschäumer und andere Entschäumer.

Mineralöl-Entschäumer werden häufig verwendet, hauptsächlich in matten und halbglänzenden Latexfarben.

Polysiloxan-Entschäumer haben eine niedrige Oberflächenspannung, starke Entschäumungs- und Antischaumeigenschaften und beeinträchtigen den Glanz nicht. Bei unsachgemäßer Verwendung verursachen sie jedoch Mängel wie ein Schrumpfen des Beschichtungsfilms und eine schlechte Überlackierbarkeit.

Herkömmliche Entschäumer für Farben auf Wasserbasis sind mit der Wasserphase nicht kompatibel, um den Zweck der Entschäumung zu erreichen, sodass es leicht zu Oberflächenfehlern im Beschichtungsfilm kommt.

In den letzten Jahren wurden Entschäumer auf molekularer Ebene entwickelt.

Bei diesem Antischaummittel handelt es sich um ein Polymer, das durch direktes Aufpfropfen von Antischaum-Wirkstoffen auf die Trägersubstanz entsteht. Die Molekülkette des Polymers weist eine benetzende Hydroxylgruppe auf, der entschäumende Wirkstoff ist um das Molekül herum verteilt, der Wirkstoff lässt sich nicht leicht aggregieren und die Kompatibilität mit dem Beschichtungssystem ist gut. Zu diesen Entschäumern auf molekularer Ebene gehören Mineralöle – FoamStar A10-Serie, silikonhaltige – FoamStar A30-Serie und silikonfreie, ölfreie Polymere – FoamStar MF-Serie.

Dieser Entschäumer im molekularen Maßstab verwendet ein supergepfropftes Sternpolymer als inkompatibles Tensid und hat bei wasserbasierten Beschichtungsanwendungen gute Ergebnisse erzielt. Der von Stout et al. beschriebene molekulare Entschäumer von Air Products. ist ein Schaumregulierungsmittel und Entschäumer auf Acetylenglycol-Basis mit beiden benetzenden Eigenschaften, wie Surfynol MD 20 und Surfynol DF 37.

Um den Anforderungen zur Herstellung VOC-freier Beschichtungen gerecht zu werden, gibt es darüber hinaus auch VOC-freie Entschäumer wie Agitan 315, Agitan E 255 usw.

Verdickungsmittel

Es gibt viele Arten von Verdickungsmitteln. Derzeit werden häufig Celluloseether und seine Derivate, assoziative alkaliquellbare Verdickungsmittel (HASE) und Polyurethanverdickungsmittel (HEUR) verwendet.

3.1. Celluloseether und seine Derivate

Hydroxyethylcellulose (HEC)wurde erstmals 1932 von der Union Carbide Company industriell hergestellt und blickt auf eine mehr als 70-jährige Geschichte zurück.

Derzeit umfassen die Verdickungsmittel von Celluloseether und seinen Derivaten hauptsächlich Hydroxyethylcellulose (HEC), Methylhydroxyethylcellulose (MHEC), Ethylhydroxyethylcellulose (EHEC), Methylhydroxypropyl-Basiscellulose (MHPC), Methylcellulose (MC) und Xanthangummi. usw., dies sind nichtionische Verdickungsmittel und gehören auch zu nicht-assoziierten Wasserphasenverdickungsmitteln. Unter diesen wird HEC am häufigsten in Latexfarben verwendet.

3.2 Alkaliquellbarer Verdicker

Alkaliquellbare Verdicker werden in zwei Kategorien unterteilt: nichtassoziative alkalisch quellbare Verdicker (ASE) und assoziative alkalisch quellbare Verdicker (HASE), bei denen es sich um anionische Verdicker handelt. Nicht-assoziiertes ASE ist eine alkalisch quellende Polyacrylat-Emulsion.

3.3. Polyurethan-Verdickungsmittel und hydrophob modifiziertes Nicht-Polyurethan-Verdickungsmittel

Polyurethan-Verdicker, HEUR genannt, ist ein durch hydrophobe Gruppen modifiziertes wasserlösliches ethoxyliertes Polyurethan-Polymer, das zu den nichtionischen assoziativen Verdickern gehört.

HEUR besteht aus drei Teilen: hydrophober Gruppe, hydrophiler Kette und Polyurethangruppe.

Die hydrophobe Gruppe spielt eine Assoziationsrolle und ist der entscheidende Faktor für die Verdickung, üblicherweise Oleyl, Octadecyl, Dodecylphenyl, Nonylphenol usw.

Allerdings liegt der Substitutionsgrad hydrophober Gruppen an beiden Enden einiger im Handel erhältlicher HEURs unter 0,9 und der beste Wert liegt nur bei 1,7. Die Reaktionsbedingungen sollten streng kontrolliert werden, um einen Polyurethan-Verdicker mit enger Molekulargewichtsverteilung und stabiler Leistung zu erhalten. Die meisten HEURs werden durch schrittweise Polymerisation synthetisiert, daher handelt es sich bei kommerziell erhältlichen HEURs im Allgemeinen um Mischungen mit breiten Molekulargewichten.

Neben den oben beschriebenen linearen assoziativen Polyurethan-Verdickern gibt es auch kammartige assoziative Polyurethan-Verdicker. Der sogenannte Kammassoziations-Polyurethan-Verdicker bedeutet, dass sich in der Mitte jedes Verdickermoleküls eine anhängende hydrophobe Gruppe befindet. Solche Verdickungsmittel wie SCT-200 und SCT-275 usw.

Bei Zugabe einer normalen Menge an hydrophoben Gruppen gibt es nur zwei endverschlossene hydrophobe Gruppen, sodass sich das synthetisierte hydrophob modifizierte Amino-Verdickungsmittel nicht wesentlich von HEUR, wie z. B. Optiflo H 500, unterscheidet, siehe Abbildung 3.

Wenn mehr hydrophobe Gruppen hinzugefügt werden, beispielsweise bis zu 8 %, können die Reaktionsbedingungen angepasst werden, um Aminoverdicker mit mehreren blockierten hydrophoben Gruppen herzustellen. Natürlich handelt es sich dabei auch um einen Kammverdicker.

Dieses hydrophob modifizierte Amino-Verdickungsmittel kann verhindern, dass die Lackviskosität aufgrund der Zugabe einer großen Menge an Tensiden und Glykollösungsmitteln bei der Farbanpassung sinkt. Der Grund dafür ist, dass starke hydrophobe Gruppen die Desorption verhindern können und mehrere hydrophobe Gruppen eine starke Assoziation aufweisen.