Kenntnisse zur Filmbildung von Latexbindern

Natürlich können Faktoren, die die Verdunstung verzögern oder beschleunigen, die Filmtrocknung beeinflussen, so dass Temperatur, Feuchtigkeit und Luftstrom wichtige Kontrollvariablen werden.

Wenn die Verdunstung zu schnell oder zu langsam erfolgt, kann der Film eine Reihe von kosmetischen und mechanischen Defekten entwickeln. Diese Defekte können sich physikalisch in einem Film manifestieren, der eine Hautbildung zeigt, die auftritt, wenn eine starke Oberflächenverdampfung vs. Filmvolumendiffusion auftritt. Andere Defekte sind Pinholes oder eine Orangenhaut, die durch eine inkonsistente Oberflächenspannung verursacht werden.

Gleichzeitig gibt es Formulierungswerkzeuge, die früher im Polymerisationsprozess verwendet werden und den nachgeschalteten Trocknungsprozess beeinflussen können. Zu diesen Werkzeugen gehören die Verwendung von Tensidpaketen, Verlaufmitteln, Entschäumern und Rheologiemodifikatoren – Chemikalien, die die geladenen Endgruppen der Polymerkette und die daraus resultierenden Wechselwirkungen zwischen den Partikeln verändern.

Die Deformationsstufe beginnt mit dicht gepackten Polymerpartikeln in der Emulsion und nur einer geringen Menge an interstitiellem Restwasser. In dieser Phase sinkt die Verdunstungsrate dramatisch, geht aber weiter. Dabei erzeugt die Kapillarwirkung einen großen Unterdruck, der stark genug ist, um die Fähigkeit der Polymerteilchen, ihre runde Form beizubehalten, zu überwinden. Wenn diese Kräfte auf die Partikel ausgeübt werden, verformen sie sich und füllen den vom Wasser hinterlassenen Hohlraum. Das Endergebnis dieser Stufe ist eine Wabenstruktur aus Polymerpartikeln ohne Restwasser.

Ein kritischer Faktor, der die Verformung bestimmt, ist die minimale Filmbildungstemperatur (MFFT) des Polymers. Solange die Trocknungstemperatur über der MFFT des trockenen Polymers bleibt, tritt eine Partikeldeformation auf. Liegt die Trocknungstemperatur unter der MFFT, kann sich ein diskontinuierlicher Film oder Pulverpressling bilden. Die MFFT liegt typischerweise nahe der Glasübergangstemperatur (Tg) eines Polymers. Viele Polymere in Beschichtungsqualität sind speziell auf eine niedrigere MFFT im Vergleich zu Tg ausgelegt, um eine bessere Filmbildung bei gleichzeitiger Beibehaltung ihres endgültigen Festigkeitsniveaus zu erreichen.

Andere Ansätze zur Verringerung der MFFT können die Verwendung von Koaleszenzadditiven umfassen, um die Oberfläche der Partikel zu plastifizieren und die für die Verformung erforderliche Kraft zu verringern. Diese Koaleszenzmittel verdampfen typischerweise und fügen dem VOC hinzu.

Es sollte auch beachtet werden, dass es neben den Kapillarkräften noch andere treibende Kräfte für die Partikelverformung gibt. Trockensintern zum Beispiel findet in Abwesenheit von Wasser statt und beruht auf der Polymer-Luft-Oberflächenspannung, um die treibende Kraft für die Partikelverformung bereitzustellen. Das Nasssintern, das in Gegenwart von Wasser stattfindet, wird durch die Oberflächenspannung zwischen Partikeln und Wasser angetrieben. Im Allgemeinen ist Trockensintern unerwünscht, da es zur Bildung von Luftporen, Opazität und Spannungen oder Rissen im Latexfilm führen kann.

In der letzten Phase der Filmbildung ist praktisch das gesamte Wasser verdunstet, was die Grundlage für die eigentliche Aktion bildet, die eine Polymeremulsion in ihre endgültige Form mit allen gewünschten Eigenschaften überführt. Diese Aktion beginnt, wenn die Grenzen zwischen Polymerpartikeln zu verschwinden beginnen. Dabei diffundieren Polymerketten in einem Partikel zu den Ketten eines benachbarten Partikels und beginnen sich zu vermischen. Dies ist der wesentliche Mechanismus der Koaleszenz und wird manchmal als Polymerreptation bezeichnet, abgeleitet vom Wort Reptil, weil die Bewegung langkettiger Polymermoleküle, die aneinander vorbeigleiten und gleiten, einem Wirrwarr von Schlangen ähnelt.

Da die dicht gepackten Moleküle miteinander verbundene Bindungen eingehen, bilden sie eine homogene Struktur. Dieser Schritt ist entscheidend für die mechanische Leistung; ohne sie hat die fertige Folie nicht die erforderliche mechanische Festigkeit oder Leistungseigenschaften. Die Glasübergangstemperatur (Tg) ist eine wichtige Variable, die die Koaleszenz bestimmt. Tatsächlich kann der Interdiffusionsprozess nur bei Temperaturen oberhalb von Tg stattfinden. Andere wichtige Faktoren sind Trocknungszeit, Polymerkettenlänge und Polymerrheologie.

Ein aufgetragener Latex weist in seiner endgültigen Filmform Variationen sowohl in der visuellen Qualität als auch in der mechanischen Leistung auf. Welche Faktoren am wichtigsten sind, hängt von der endgültigen Anwendung ab: Bei Bautenbeschichtungen steht die mechanische Leistung hinter der optischen Qualität. Performance Coatings müssen ein bestimmtes Aussehen haben und über klar definierte mechanische Eigenschaften verfügen. Und bei Klebstoffen und Bindemitteln ist die visuelle Qualität bei weitem nicht so wichtig wie die mechanische Leistung.

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Lin Yang (Frau)

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