Latexbinder ----Polymer Design

Chemiker, die Latex herstellen, beginnen im Allgemeinen damit, zu verstehen, wie das Produkt verwendet wird. Dies liegt daran, dass die Endanwendung eines Emulsionspolymers erhebliche Auswirkungen auf sein Design hat. Die Kenntnis der Endanwendung hilft dem Chemiker, das richtige Rezept mit allen richtigen Zutaten zu entwickeln, das zu einem Emulsionspolymer mit den richtigen Eigenschaften führt.

In Stephen Coveys bekanntem Buch „The 7 Habits of Highly Effective People“ stellt er fest, dass produktive Menschen immer mit dem Ziel im Hinterkopf beginnen. Chemiker, die Latexbinder herstellen, würden sich sicherlich an diese Regel halten. Dies liegt daran, dass die Endanwendung eines Emulsionspolymers erhebliche Auswirkungen auf sein Design hat. Das Ende zu kennen hilft dem Chemiker, das richtige Rezept mit allen richtigen Zutaten zu entwickeln, das zu einem Emulsionspolymer mit den richtigen Eigenschaften führt.

In diesem Artikel untersuchen wir diesen Rezepterstellungsprozess, um die Entscheidungen von Chemikern zu verstehen, wenn sie ein Latexbindemittel von Grund auf neu entwerfen. Um dies zu tun, wird der Prozess verwendet, um jeden synthetischen Latex herzustellen. Ein Emulsionspolymer erfordert eine Reihe von Inhaltsstoffen, die alle während des Polymerisationsprozesses verwendet werden, um ein Polymer in Wasser zu erzeugen:

• Monomere
• Tenside
• Initiator
• Carbonsäuren und Spezialmonomere

Monomere sind die Bausteine ​​des Polymers. Die meisten Monomere mögen es jedoch nicht, in Wasser zu sein, daher werden Tenside hinzugefügt, um zellähnliche Umgebungen – bekannt als Mizellen – zu schaffen, die sich bilden, wenn sich hydrophobe (wasserhassende) Schwänze des Tensids zum Zentrum hin sammeln, während sie hydrophil (wasserabweisend) sind. liebevolle) Köpfe orientieren sich nach außen, in Kontakt mit dem Wasser. Monomere wandern dann aus größeren Monomertröpfchen in die Mizellen, wo sie vor Wasser abgeschirmt werden. Als nächstes dringen Initiatorchemikalien in die Mizellen ein und lösen die Kettenreaktionspolymerisation aus, die ein Monomer mit einem anderen verbindet, bis eine lange Kette gebildet wird. Schließlich tragen Carbonsäuren und andere Spezialmonomere, die in das Polymerrückgrat einpolymerisiert sind, aber an der Partikel/Wasser-Grenzfläche exponiert sind, zur Stabilisierung des Latex bei.

Während der grundlegende Polymerisationsprozess für jeden Latex gleich ist, wird jeder der oben beschriebenen Inhaltsstoffe zu einer Komponente, die von Chemikern ausgewählt werden kann, um ein bestimmtes Ergebnis zu erzielen.

Die erste Entscheidung, mit der Chemiker konfrontiert sind, ist die Wahl des Monomers, bei dem es darum geht, die Umgebungsbedingungen des Endprodukts zu verstehen. Wenn die Endanwendung erfordert, dass das Latexbindemittel dem Sonnenlicht ausgesetzt wird, besteht die Gefahr des Abbaus des Materials. Dies geschieht, wenn ultraviolette Strahlung, die vom Polymer absorbiert wird, zerstörerische freie Radikale erzeugt, die zu Problemen führen, die von Festigkeits- und Flexibilitätsverlust bis hin zu verblassender Farbe und Rissbildung reichen.

Acryllatizes aus beispielsweise Methylmethacrylat- und Butylacrylatmonomeren zeigen eine bessere UV-Beständigkeit als solche aus Styrol und Butadien. Daher sind Acrylemulsionen gute Kandidaten für Bindemittel, die eine ausgezeichnete Außenbeständigkeit und UV-Beständigkeit aufweisen müssen. Styrol-Acryl-Emulsionspolymere sind eine weitere gute Option für Außenanwendungen. Neben der UV-Leistung bieten Styrol-Acryl-Latexe eine verbesserte Wasserbeständigkeit, Abriebfestigkeit und Härte, was sie zu einem geeigneten Material für Anwendungen wie Industriebeschichtungen, Holzbeschichtungen, Betonbeschichtungen, Grundierungen, Filtermedienbindemittel und Verkehrsfarben macht. Styrol-Butadien-Emulsionspolymere sind oft die Chemie der Wahl, wenn eine direkte Langzeit-UV-Exposition kein Problem darstellt. Styrol-Butadien-Latex-Bindemittel sind ideal für Anwendungen, die ausgezeichnete Wasserbeständigkeit, hohe Füllstoffaufnahme, gute Zug- und Dehnungsbalance und gute Haftung auf anspruchsvollen Substraten erfordern.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Auswahl von Monomeren ist Tg – der Temperaturbereich, über den ein amorphes Polymer weniger glasig und gummiartiger wird oder umgekehrt. Chemiker können Monomere in bestimmten Kombinationen von hart und weich auswählen, um eine bestimmte Tg zu erreichen. Beispielsweise steigt bei einem Styrol-Butadien-Copolymer mit steigendem Styrolgehalt auch die Tg. Umgekehrt nimmt die Tg ab, wenn der Butadiengehalt zunimmt. Durch Veränderung des Verhältnisses von Styrol zu Butadien ist es möglich, den Tg zu beeinflussen und Polymere mit unterschiedlichen Eigenschaften herzustellen. Die folgenden mechanischen Eigenschaften stehen in direktem Zusammenhang mit der Glasübergangstemperatur:

• Zugmodul, das misst, wie sehr ein Polymer Verformung widersteht
• Prozentuale Dehnung, die ein Maß dafür ist, wie stark sich die Länge eines Polymers bei Dehnung ändert
• Zugfestigkeit, die Kraft, der ein Polymer standhalten kann, bevor es bricht

Auswahl an Tensiden

Anionische Tenside werden üblicherweise bei der Synthese von Latices verwendet. Sie werden so genannt, weil sie an ihrem hydrophilen (wasserliebenden) Ende eine negative Ladung haben. Typische anionische Tenside sind Fettsäureseifen, Sulfate und Sulfonate.

Bei der Polymerisation können auch nichtionische Tenside verwendet werden, zu denen Poly(ethylenoxide) unterschiedlicher Länge mit verschiedenen hydrophoben Gruppen (überwiegend Alkylphenole, primäre Alkohole, sekundäre Alkohole und Alkylketten) gehören.

In einigen seltenen Fällen werden kationische Tenside (solche mit einer positiven Ladung an ihrem hydrophilen Ende) mit Emulsionspolymeren für Endanwendungen wie die Asphaltmodifizierung verwendet.

Denken Sie daran, dass Tenside die Umgebung – Mizellen – für die Polymerisation bereitstellen. Auf diese Weise tragen sie dazu bei, den Latexpartikeln während des Emulsionspolymerisationsprozesses die notwendige Stabilität zu verleihen. Sie können auch verwendet werden, um die Größe der Latexpartikel zu kontrollieren. Die Verwendung von weniger Tensid verringert die Anzahl der verfügbaren Micellen, um wachsende Polymere zu halten. Dadurch werden die Polymerketten länger und die Micellen quellen zu größeren Größen auf.

Wahl der Initiatoren

Hochreaktive freie Radikale sind die Mittel, die für den Kickstart der Polymerisation verantwortlich sind, und 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 erfolgt, muss der Initiator wasserlöslich sein. Übliche Initiatoren sind Natriumpersulfat und Ammoniumpersulfat. Diese Chemikalien unterliegen einer homolytischen Spaltung, um kurzlebige, aber hochreaktive Radikale zu erzeugen, die in Mizellen wandern und mit Monomermolekülen reagieren.

Bei Temperaturen über 50 °C treiben thermische Reaktionen die Homolyse von Persulfatsalzen voran. Wenn niedrigere Temperaturen erforderlich sind, können Persulfatsalze über Oxidations-Reduktions-Reaktionen die notwendigen freien Radikale erzeugen, was Chemikern eine gewisse Flexibilität bei der Arbeit mit Initiatoren gibt.

Wahl der Carboxylierung

Wie bereits erwähnt, sind Tenside ein wichtiger Bestandteil einer Emulsionspolymerrezeptur, aber sie bringen bestimmte Herausforderungen mit sich. Bei den meisten Polymerisationsreaktionen befindet sich nicht das gesamte Tensid auf der Partikeloberfläche, was bedeutet, dass ein Teil des Materials im Wasser verbleibt. Dieses sogenannte freie Tensid neigt dazu, die Feuchtigkeitsempfindlichkeit des Latex zu erhöhen.

Um diesen Effekten entgegenzuwirken, fügen Chemiker der Polymerisationsreaktion manchmal ein schwaches Carbonsäuremonomer wie Acrylsäure, Methacrylsäure oder Itaconsäure hinzu. Diese Zusätze werden in das Polymergerüst eingebaut, wandern jedoch zur Oberfläche des Polymers, um die Grenzflächenenergie zu minimieren. Dadurch erhöht sich die Oberflächenladung der Partikel, die sie durch elektrostatische Abstoßung auseinanderdrückt. Dies stabilisiert die Partikelbildung und reduziert die benötigte Tensidmenge.

Carboxylierung kann auch fördern nach dem Aushärten, was zur Festigkeit und Zähigkeit des fertigen Materials beiträgt.3