Wässrige Bindemittellösungen und Neutralisation

Wie ein Bindemittel wasserlöslich wird

Bindemittel mit Carboxylgruppen (–COOH) werden mit einem Amin neutralisiert. Es bildet sich ein Salz (–COO⁻), das hydrophil ist und das Bindemittel in Wasser löslich macht (siehe L-70, L-72). Weil die Säuregruppen dabei neutralisiert werden, ist die fertige Lösung nicht sauer, sondern leicht alkalisch (typisch pH 7,5 bis 9) — „Säure“ meint hier die eingebauten Säuregruppen, nicht den pH-Wert der Lösung. Auch Sulfonsäure- oder Phosphonsäuregruppen können diese Rolle übernehmen. Sulfonatgruppen sind permanent ionisiert und benötigen kein Neutralisationsmittel — sie stabilisieren pH-unabhängig; Einsatz z. B. in sulfonatmodifizierten PU-Dispersionen für UV-härtbare wässrige Systeme. Phosphonatgruppen haften chemisch an Metalloberflächen und werden deshalb in haftungsverbessernden Grundierungen auf Stahl ohne aufwändige Vorbehandlung eingesetzt. Beim Trocknen kann ein ausreichend flüchtiges Neutralisationsmittel teilweise oder weitgehend entweichen; zusammen mit Filmbildung und ggf. Vernetzung kann dadurch die Wasserbeständigkeit steigen.

Warum niedermolekular

Für eine echte molekulare Lösung in Wasser sind ausreichend wasserverträgliche bzw. ionisierbare Strukturen erforderlich; in der Praxis sind solche Bindemittel häufig relativ niedermolekular, denn höhermolekulare ließen sich nicht mehr lösen, sondern nur noch dispergieren. Deshalb sind es meist Einbrennlacke: Erst beim Einbrennen vernetzen sie mit einem Aminoharz (siehe L-31) zum hochmolekularen, beständigen Film.

Die Rolle der Säurezahl

Die Zahl der Carboxylgruppen — gemessen als Säurezahl (siehe L-08) — bestimmt, wie viel Amin für die Neutralisation nötig ist und wie gut sich das Bindemittel löst. Sie ist die Grundlage für die Berechnung der Aminmenge: Für die vollständige Neutralisation gilt m(Amin) = M(Amin) · Säurezahl · m(Bindemittel) / 56 100 (56 100 mg/mol ist die Molmasse von KOH in Milligramm). Je höher die Säurezahl, desto wasserlöslicher — aber desto wasserempfindlicher der Film.

Neutralisationsmittel: Amine

Eingesetzt werden Ammoniak, primäre Amine (z. B. AMP, 2-Amino-2-methyl-1-propanol), sekundäre (Morpholin, Diethanolamin) und tertiäre (Triethylamin/TEA, Dimethylethanolamin/DMEA). DMEA gehört neben AMP zu den am häufigsten eingesetzten Neutralisationsmitteln für wässrige Bindemittel. Die Wahl beeinflusst pH-Wert, Geruch und Filmeigenschaften. Ammoniak ist am flüchtigsten, Aminoalkohole bleiben etwas länger. Physiologisch sind alle eingesetzten Amine bei Hautkontakt oder Inhalation reizend bis schleimhautschädigend. Ammoniak verursacht starken Schleimhautreiz und ist geruchlich unangenehm. TEA (Triethylamin) kann bei Exposition ein Hornhautödem auslösen. DMEA und AMP (2-Amino-2-methyl-1-propanol) sind weniger flüchtig und haben ein günstigeres Arbeitsschutzprofil; verbindliche Grenzwerte stehen in der TRGS 900 und im Sicherheitsdatenblatt des konkreten Produkts — die früher gebräuchlichen MAK-Werte sind durch den Arbeitsplatzgrenzwert abgelöst (siehe L-172); AMP gilt als bevorzugtes Neutralisationsmittel in modernen Formulierungen. Morpholin und Diethanolamin stehen unter regulatorischem Druck wegen Nitrosaminpotenzials und werden zunehmend durch unbedenklichere Alternativen ersetzt. Schutzmaßnahmen: Absaugung, Chemikalienschutzhandschuhe, Schutzbrille.

Flüchtigkeit und Colösemittel

Das Amin soll flüchtig sein, damit es beim Trocknen oder Einbrennen entweicht und die Wasserfestigkeit nicht mindert. Colösemittel wie Butylglykol oder N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) verbessern Löslichkeit, Lagerstabilität und Filmbildung. NMP ist allerdings reproduktionstoxisch eingestuft und REACH-beschränkt (mit DNEL- und Risikomanagementanforderungen); es wird deshalb in modernen Formulierungen zunehmend durch weniger problematische Alternativen ersetzt.

Merksatz