Zusammenfassung:
1. Netz- und Dispergiermittel
2. Entschäumer
3. Verdickungsmittel
4. Filmbildende Additive
5. Mittel gegen Korrosion, Schimmel und Algen.
6. Sonstige Zusatzstoffe
1 Netz- und Dispergiermittel:
Wasserbasierte Beschichtungen nutzen Wasser als Lösungsmittel oder Dispersionsmedium. Aufgrund seiner hohen Dielektrizitätskonstante werden wasserbasierte Beschichtungen hauptsächlich durch elektrostatische Abstoßung bei Überlappung der elektrischen Doppelschicht stabilisiert. Zusätzlich enthalten wasserbasierte Beschichtungssysteme häufig Polymere und nichtionische Tenside, die an der Oberfläche des Pigmentfüllstoffs adsorbiert werden, sterische Hinderung bewirken und die Dispersion stabilisieren. Daher erzielen wasserbasierte Farben und Emulsionen durch das Zusammenwirken von elektrostatischer Abstoßung und sterischer Hinderung stabile Ergebnisse. Ein Nachteil ist die geringe Elektrolytbeständigkeit, insbesondere gegenüber teuren Elektrolyten.
1.1 Netzmittel
Netzmittel für wasserbasierte Beschichtungen werden in anionische und nichtionische Netzmittel unterteilt.
Die Kombination von Netzmittel und Dispergiermittel führt zu optimalen Ergebnissen. Die Menge an Netzmittel beträgt üblicherweise einige Tausend. Zu den negativen Auswirkungen zählen Schaumbildung und eine Verringerung der Wasserbeständigkeit des Beschichtungsfilms.
Ein Entwicklungstrend bei Netzmitteln besteht darin, Polyoxyethylenalkyl(benzol)phenolether (APEO oder APE) schrittweise zu ersetzen, da diese bei Ratten zu einer Reduktion männlicher Hormone führen und das endokrine System beeinträchtigen. Polyoxyethylenalkyl(benzol)phenolether werden häufig als Emulgatoren bei der Emulsionspolymerisation eingesetzt.
Zwillings-Tenside sind ebenfalls eine Neuentwicklung. Sie bestehen aus zwei amphiphilen Molekülen, die durch einen Spacer verbunden sind. Das bemerkenswerteste Merkmal von Zwillings-Tensiden ist ihre um mehr als eine Größenordnung niedrigere kritische Mizellenkonzentration (CMC) im Vergleich zu ihren „Einzelzellen“-Tensiden, verbunden mit einer hohen Effizienz. Ein Beispiel hierfür ist TEGO Twin 4000, ein Siloxan-Zwillings-Tensid mit instabilen Schaum- und Entschäumungseigenschaften.
Air Products hat Gemini-Tenside entwickelt. Traditionelle Tenside besitzen einen hydrophoben Schwanz und einen hydrophilen Kopf, dieses neue Tensid hingegen verfügt über zwei hydrophile Gruppen und zwei oder drei hydrophobe Gruppen. Es handelt sich um ein multifunktionales Tensid, bekannt als Acetylenglykol, wie beispielsweise EnviroGem AD01.
1.2 Dispergiermittel
Dispergiermittel für Latexfarben werden in vier Kategorien unterteilt: Phosphatdispergiermittel, Polyacid-Homopolymerdispergiermittel, Polyacid-Copolymerdispergiermittel und sonstige Dispergiermittel.
Die am häufigsten verwendeten Phosphatdispergiermittel sind Polyphosphate wie Natriumhexametaphosphat, Natriumpolyphosphat (Calgon N, ein Produkt der BK Giulini Chemical Company in Deutschland), Kaliumtripolyphosphat (KTPP) und Tetrakaliumpyrophosphat (TKPP). Ihr Wirkmechanismus beruht auf der Stabilisierung der elektrostatischen Abstoßung durch Wasserstoffbrückenbindungen und chemische Adsorption. Ihr Vorteil liegt in der geringen Dosierung von ca. 0,1 % und der guten Dispergierwirkung auf anorganische Pigmente und Füllstoffe. Es bestehen jedoch auch Nachteile: Polyphosphate hydrolysieren leicht mit steigendem pH-Wert und steigender Temperatur, was die Langzeitstabilität beeinträchtigt. Unvollständige Auflösung im Medium kann den Glanz von Glanzlatexfarben mindern.
Phosphatester-Dispergiermittel sind Gemische aus Monoestern, Diestern, Restalkoholen und Phosphorsäure.
Phosphatester-Dispergiermittel stabilisieren Pigmentdispersionen, einschließlich reaktiver Pigmente wie Zinkoxid. In Glanzlackformulierungen verbessern sie Glanz und Reinigungsfähigkeit. Im Gegensatz zu anderen Netz- und Dispergiermitteln beeinflussen Phosphatester-Dispergiermittel die KU- und ICI-Viskosität der Beschichtung nicht.
Polyacrylat-Homopolymer-Dispergiermittel wie Tamol 1254 und Tamol 850 (Tamol 850 ist ein Homopolymer der Methacrylsäure) und Polyacrylat-Copolymer-Dispergiermittel wie Orotan 731A (ein Copolymer aus Diisobutylen und Maleinsäure) zeichnen sich durch starke Adsorption bzw. Verankerung an der Oberfläche von Pigmenten und Füllstoffen aus. Ihre längeren Molekülketten führen zu sterischer Hinderung, und ihre Wasserlöslichkeit an den Kettenenden trägt teilweise zusätzlich zur Stabilität bei. Für eine gute Dispergierbarkeit ist die genaue Kontrolle des Molekulargewichts entscheidend. Ist es zu niedrig, ist die sterische Hinderung unzureichend; ist es zu hoch, kommt es zur Ausflockung. Bei Polyacrylat-Dispergiermitteln wird die beste Dispergierwirkung bei einem Polymerisationsgrad von 12–18 erzielt.
Andere Dispergiermittel, wie beispielsweise AMP-95, tragen die chemische Bezeichnung 2-Amino-2-methyl-1-propanol. Die Aminogruppe adsorbiert an der Oberfläche der anorganischen Partikel, während die Hydroxylgruppe ins Wasser ragt und durch sterische Hinderung stabilisierend wirkt. Aufgrund seiner geringen Größe ist die sterische Hinderung begrenzt. AMP-95 dient hauptsächlich der pH-Wert-Regulierung.
In den letzten Jahren konnte die Forschung an Dispergiermitteln das Problem der durch hohe Molekulargewichte verursachten Ausflockung überwinden, und die Entwicklung von Dispergiermitteln mit hohem Molekulargewicht stellt einen der wichtigsten Forschungstrends dar. Beispielsweise wurde das hochmolekulare Dispergiermittel EFKA-4580, hergestellt durch Emulsionspolymerisation, speziell für wasserbasierte Industrielacke entwickelt. Es eignet sich zur Dispersion organischer und anorganischer Pigmente und weist eine gute Wasserbeständigkeit auf.
Aminogruppen weisen aufgrund von Säure-Base- oder Wasserstoffbrückenbindungen eine gute Affinität zu vielen Pigmenten auf. Besonderes Augenmerk wurde auf das Blockcopolymer-Dispergiermittel mit Aminoacrylsäure als Ankergruppe gelegt.
Dispergiermittel mit Dimethylaminoethylmethacrylat als Ankergruppe
Das Netz- und Dispergiermittel Tego Dispers 655 wird in wasserbasierten Autolacken nicht nur zur Ausrichtung der Pigmente, sondern auch zur Verhinderung der Reaktion des Aluminiumpulvers mit Wasser eingesetzt.
Aus Gründen des Umweltschutzes wurden biologisch abbaubare Netz- und Dispergiermittel entwickelt, wie beispielsweise die EnviroGem AE-Serie, zweizellige Netz- und Dispergiermittel, die schaumarme Netz- und Dispergiermittel sind.
2 Entschäumer:
Es gibt viele Arten von traditionellen wasserbasierten Entschäumern für Farben, die im Allgemeinen in drei Kategorien unterteilt werden: Mineralöl-Entschäumer, Polysiloxan-Entschäumer und andere Entschäumer.
Mineralölbasierte Entschäumer werden häufig verwendet, vor allem bei matten und seidenmatten Latexfarben.
Polysiloxan-Entschäumer haben eine niedrige Oberflächenspannung, starke Entschäumungs- und Antischaumeigenschaften und beeinträchtigen den Glanz nicht. Bei unsachgemäßer Verwendung können sie jedoch zu Defekten wie Schrumpfung des Beschichtungsfilms und schlechter Überlackierbarkeit führen.
Herkömmliche wasserbasierte Entschäumer für Farben sind mit der Wasserphase nicht kompatibel, um den Zweck der Entschäumung zu erreichen, sodass leicht Oberflächenfehler im Beschichtungsfilm entstehen können.
In den letzten Jahren wurden Entschäumer auf molekularer Ebene entwickelt.
Dieses Entschäumungsmittel ist ein Polymer, das durch direktes Aufpfropfen von entschäumenden Wirkstoffen auf das Trägermaterial entsteht. Die Molekülkette des Polymers besitzt benetzende Hydroxylgruppen, der entschäumende Wirkstoff ist um das Molekül verteilt, neigt nicht zur Aggregation und weist eine gute Kompatibilität mit dem Beschichtungssystem auf. Zu diesen molekularen Entschäumern zählen Mineralöle (FoamStar A10-Serie), silikonhaltige Produkte (FoamStar A30-Serie) sowie silikon- und ölfreie Polymere (FoamStar MF-Serie).
Es wird außerdem berichtet, dass dieser Entschäumer auf molekularer Ebene supergepfropfte Sternpolymere als inkompatible Tenside verwendet und gute Ergebnisse bei wasserbasierten Beschichtungen erzielt hat. Der von Stout et al. beschriebene Entschäumer auf molekularer Ebene von Air Products ist ein auf Acetylenglykol basierendes Schaumkontrollmittel und Entschäumer mit benetzenden Eigenschaften, wie beispielsweise Surfynol MD 20 und Surfynol DF 37.
Um den Anforderungen an die Herstellung von VOC-freien Beschichtungen gerecht zu werden, gibt es außerdem VOC-freie Entschäumer wie Agitan 315, Agitan E 255 usw.
3 Verdickungsmittel:
Es gibt viele Arten von Verdickungsmitteln; die derzeit gebräuchlichsten sind Celluloseether und seine Derivate, assoziative alkalisch quellbare Verdickungsmittel (HASE) und Polyurethanverdickungsmittel (HEUR).
3.1. Celluloseether und seine Derivate
Hydroxyethylcellulose (HEC) wurde 1932 von der Union Carbide Company erstmals industriell hergestellt und blickt auf eine über 70-jährige Geschichte zurück. Zu den Verdickungsmitteln für Celluloseether und deren Derivate zählen heute hauptsächlich Hydroxyethylcellulose (HEC), Methylhydroxyethylcellulose (MHEC), Ethylhydroxyethylcellulose (EHEC), Methylhydroxypropylcellulose (MHPC), Methylcellulose (MC) und Xanthan. Diese nichtionischen Verdickungsmittel sind zudem wasserphasenunabhängig. HEC ist das am häufigsten verwendete Verdickungsmittel in Latexfarben.
Hydrophob modifizierte Cellulose (HMHEC) führt eine geringe Menge langkettiger hydrophober Alkylgruppen an das hydrophile Rückgrat der Cellulose ein und wirkt dadurch als assoziatives Verdickungsmittel, beispielsweise in Natrosol Plus Grade 330, 331, Cellosize SG-100 und Bermocoll EHM-100. Ihre Verdickungswirkung ist vergleichbar mit der von Celluloseether-Verdickungsmitteln mit deutlich höherem Molekulargewicht. Sie verbessert die Viskosität und Verlaufseigenschaften von ICI und reduziert die Oberflächenspannung. So beträgt die Oberflächenspannung von HEC etwa 67 mN/m, während die von HMHEC zwischen 55 und 65 mN/m liegt.
3.2 Alkaliquellbares Verdickungsmittel
Alkaliquellfähige Verdickungsmittel werden in zwei Kategorien unterteilt: nicht-assoziative alkaliquellfähige Verdickungsmittel (ASE) und assoziative alkaliquellfähige Verdickungsmittel (HASE), die anionische Verdickungsmittel sind. Nicht-assoziierte ASE sind Polyacrylat-Alkaliquellungsemulsionen. Assoziative HASE sind hydrophob modifizierte Polyacrylat-Alkaliquellungsemulsionen.
3.3. Polyurethan-Verdickungsmittel und hydrophob modifizierte Nicht-Polyurethan-Verdickungsmittel
Polyurethan-Verdickungsmittel, kurz HEUR, sind hydrophob modifizierte, ethoxylierte, wasserlösliche Polyurethanpolymere und gehören zu den nichtionischen, assoziativen Verdickungsmitteln. HEUR besteht aus drei Komponenten: einer hydrophoben Gruppe, einer hydrophilen Kette und einer Polyurethangruppe. Die hydrophobe Gruppe spielt eine assoziative Rolle und ist entscheidend für die Verdickung. Üblicherweise handelt es sich dabei um Oleyl-, Octadecyl-, Dodecylphenyl- oder Nonylphenolgruppen. Die hydrophile Kette sorgt für chemische und Viskositätsstabilität; häufig werden Polyether wie Polyoxyethylen und dessen Derivate verwendet. Die Molekülkette von HEUR wird durch Polyurethangruppen wie IPDI, TDI und HMDI verlängert. Charakteristisch für assoziative Verdickungsmittel ist die Endung durch hydrophobe Gruppen. Der Substitutionsgrad der hydrophoben Gruppen an beiden Enden einiger kommerziell erhältlicher HEURs liegt jedoch unter 0,9, im besten Fall bei lediglich 1,7. Um ein Polyurethan-Verdickungsmittel mit enger Molekulargewichtsverteilung und stabiler Leistung zu erhalten, müssen die Reaktionsbedingungen streng kontrolliert werden. Die meisten HEURs werden durch stufenweise Polymerisation synthetisiert, daher sind kommerziell erhältliche HEURs in der Regel Gemische mit einem breiten Molekulargewichtsbereich.
Richey et al. verwendeten den fluoreszierenden Tracer Pyren-Assoziationsverdicker (PAT, zahlenmittleres Molekulargewicht 30.000, gewichtsmittleres Molekulargewicht 60.000) und stellten fest, dass bei einer Konzentration von 0,02 Gew.-% der Mizellenaggregationsgrad von Acrysol RM-825 und PAT etwa 6 betrug. Die Assoziationsenergie zwischen dem Verdicker und der Oberfläche der Latexpartikel liegt bei etwa 25 kJ/mol; die von jedem PAT-Verdickermolekül auf der Oberfläche der Latexpartikel eingenommene Fläche beträgt etwa 13 nm², was etwa dem 14-Fachen der von Triton X-405 (0,9 nm²) eingenommenen Fläche entspricht. Assoziative Polyurethanverdicker wie RM-2020NPR, DSX 1550 usw. wurden ebenfalls verwendet.
Die Entwicklung umweltfreundlicher assoziativer Polyurethanverdicker hat große Beachtung gefunden. Beispielsweise ist BYK-425 ein VOC- und APEO-freier, harnstoffmodifizierter Polyurethanverdicker. Auch Rheolate 210, Borchi Gel 0434, Tego ViscoPlus 3010, 3030 und 3060 sind assoziative Polyurethanverdicker ohne VOC und APEO.
Neben den oben beschriebenen linearen assoziativen Polyurethanverdickern gibt es auch kammartige assoziative Polyurethanverdicker. Diese Verdicker zeichnen sich durch eine hydrophobe Seitengruppe in der Mitte jedes Moleküls aus. Beispiele hierfür sind SCT-200 und SCT-275.
Das hydrophob modifizierte Aminoplast-Verdickungsmittel (hydrophob modifiziertes ethoxyliertes Aminoplast-Verdickungsmittel – HEAT) wandelt das spezielle Aminoharz in vier blockierte hydrophobe Gruppen um, wobei die Reaktivität dieser vier Reaktionsstellen unterschiedlich ist. Bei der üblichen Zugabe hydrophober Gruppen sind nur zwei hydrophobe Gruppen blockiert, sodass sich das synthetische hydrophob modifizierte Amino-Verdickungsmittel kaum von HEUR wie Optiflo H 500 unterscheidet. Durch die Zugabe von mehr hydrophoben Gruppen, beispielsweise bis zu 8 %, lassen sich die Reaktionsbedingungen so anpassen, dass Amino-Verdickungsmittel mit mehreren blockierten hydrophoben Gruppen entstehen. Auch dies ist ein Kammverdickungsmittel. Dieses hydrophob modifizierte Amino-Verdickungsmittel verhindert ein Absinken der Lackviskosität durch die Zugabe großer Mengen an Tensiden und Glykollösungsmitteln bei der Farbanpassung. Der Grund dafür liegt in der Verhinderung der Desorption durch stark hydrophobe Gruppen und der starken Assoziation mehrerer hydrophober Gruppen. Beispiele für solche Verdickungsmittel sind Optiflo TVS.
Hydrophob modifiziertes Polyether-Verdickungsmittel (HMPE) Die Leistung des hydrophob modifizierten Polyether-Verdickungsmittels ist mit der von HEUR vergleichbar, und zu den Produkten gehören Aquaflow NLS200, NLS210 und NHS300 von Hercules.
Der Verdickungsmechanismus beruht auf Wasserstoffbrückenbindungen und der Assoziation von Endgruppen. Im Vergleich zu herkömmlichen Verdickungsmitteln weist es bessere Anti-Absetz- und Anti-Tropf-Eigenschaften auf. Modifizierte Polyharnstoffverdickungsmittel lassen sich anhand der Polarität ihrer Endgruppen in drei Typen unterteilen: niedrigpolare, mittelpolare und hochpolare Polyharnstoffverdickungsmittel. Die ersten beiden werden zur Verdickung lösemittelbasierter Beschichtungen verwendet, während hochpolare Polyharnstoffverdickungsmittel sowohl für hochpolare lösemittelbasierte als auch für wasserbasierte Beschichtungen geeignet sind. Handelsübliche Produkte für niedrigpolare, mittelpolare und hochpolare Polyharnstoffverdickungsmittel sind BYK-411, BYK-410 bzw. BYK-420.
Modifizierte Polyamidwachs-Suspension ist ein rheologisches Additiv, das durch Einbringen hydrophiler Gruppen wie PEG in die Molekülkette von Amidwachs synthetisiert wird. Derzeit werden einige Marken importiert und hauptsächlich zur Einstellung der Thixotropie des Systems sowie zur Verbesserung der Antithixotropie und des Anti-Sag-Verhaltens eingesetzt.
Veröffentlichungsdatum: 22. November 2022