Filmbildung von Dispersionen

Koaleszenz, Mindestfilmbildetemperatur und Filmbildehilfsmittel

Prüfungsteil 1A 8.3 · B 12

KernaussageEin Dispersionsfilm entsteht durch Zusammenrücken und Verschmelzen der Teilchen (Koaleszenz); die MFT bezeichnet die niedrigste Temperatur, bei der unter definierten Prüfbedingungen ein zusammenhängender Film gebildet wird.

Wie ein Dispersionsfilm entsteht

Anders als bei gelösten Bindemitteln bildet sich der Film nicht durch bloßes Verdunsten. Beim Verdunsten des Wassers rücken die Teilchen zusammen, verformen sich unter Kapillarkräften und verschmelzen zu einem geschlossenen Film. Diesen Vorgang nennt man Koaleszenz. Erst dadurch wird der Film klar und zusammenhängend, statt aus einzelnen sichtbaren Körnern zu bestehen. Der Koaleszenzmechanismus gilt für Primär- und Sekundärdispersionen gleichermaßen. PU-Dispersionen (Sekundär) haben allerdings oft eine sehr niedrige MFT und benötigen selten ein Filmbildehilfsmittel. Bei wässrigen Bindemittellösungen (Weg 3, L-75) hingegen filmt das Polymer wie ein lösemittelhaltiger Lack — durch Viskositätsanstieg beim Verdunsten, nicht durch Teilchenverschmelzung.

Die Mindestfilmbildetemperatur (MFT)

Unterhalb der Mindestfilmbildetemperatur (MFT) verschmelzen die Teilchen nicht — der Auftrag bleibt pulvrig und rissig. Erst oberhalb der MFT koaleszieren sie zu einem klaren Film. Die MFT wird wesentlich von der Glasübergangstemperatur und der Polymer-/Partikelmorphologie beeinflusst; sie ist jedoch nicht mit der Tg identisch und wird experimentell bestimmt (siehe L-09). Gemessen wird sie auf einer Temperaturbank als die Temperatur, ab der ein klarer Film entsteht.

Der Zielkonflikt

Ein hartes Polymer (hohe Glastemperatur, gute Beständigkeit) hat eine hohe MFT und filmt bei Raumtemperatur schlecht. Ein weiches filmt gut, ist aber wenig beständig, klebrig und schmutzanfällig. Beides zugleich ist mit dem reinen Polymer nicht zu haben — ein Grunddilemma der Dispersionschemie.

Filmbildehilfsmittel (Koaleszenzmittel)

Die Lösung ist ein Filmbildehilfsmittel: ein temporärer Weichmacher (z. B. Texanol), der die MFT während der Filmbildung senkt, danach aber verdunstet. Zurück bleibt der harte, beständige Film — man umgeht den Zielkonflikt. Texanol (2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiolmonoisobutyrat, Eastman) ist der meistverwendete Vertreter: ein langsam verdunstender Glykolester, der in die Teilchen eindringt und innerhalb von Stunden bis Tagen wieder aus dem Film entweicht. Weitere Filmbildehilfsmittel: Dowanol DPnB (schneller verdunstend), Butyldiglykol (preiswerter), Optifilm 400 (VOC-reduziert). Da Texanol selbst ein VOC ist, verfolgen moderne Ansätze polymerisierbare Koaleszenzmittel, die chemisch in den Film eingebaut werden und nicht entweichen.

Anforderungen

Ein gutes Filmbildehilfsmittel senkt die MFT wirksam, verdunstet danach vollständig, ist geruchsarm und umweltverträglich. Menge und Typ steuern, bis zu welcher Temperatur der Lack noch sicher verfilmt. Moderne Systeme kommen mit möglichst wenig oder ohne Filmbildehilfsmittel aus.

Merksatz

Dispersionsfilme entstehen durch Koaleszenz oberhalb der MFT. Ein Filmbildehilfsmittel senkt die MFT vorübergehend und verdunstet dann — so wird aus harten Teilchen ein beständiger Film.

FilmbildungDispersionKoaleszenzMindestfilmbildetemperaturMFTGlasübergangstemperaturFilmbildehilfsmittelKoaleszenzmittelTexanolWeichmacherKapillarkräfteVerfilmung

Quellen

Müller/Poth, Lackformulierung und Lackrezeptur
Brock/Groteklaes/Mischke, Lehrbuch der Lacktechnologie

Übungsblatt Ü-76

Prüfen, ob es sitzt.

Verständnis8 Punkte

1. Wie bildet eine Dispersion einen Film, und was bedeutet die Mindestfilmbildetemperatur (MFT)?

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FilmbildungBeim Verdunsten des Wassers rücken die Teilchen zusammen, verformen sich unter Kapillarkräften und verschmelzen zu einem geschlossenen Film (Koaleszenz).

MFTDie Mindestfilmbildetemperatur ist die Temperatur, unterhalb derer die Teilchen nicht verschmelzen — der Auftrag bleibt pulvrig und rissig.

Oberhalb der MFTErst oberhalb der MFT koalesziert die Dispersion zu einem klaren, geschlossenen Film.

ZusammenhangDie MFT wird wesentlich von der Glasübergangstemperatur beeinflusst, ist aber nicht mit der Tg identisch und wird experimentell bestimmt (siehe L-09).

Warum das eine Eins verdientKoaleszenz und MFT werden korrekt beschrieben und der Zusammenhang zur Glasübergangstemperatur hergestellt — der Kern der Dispersionsfilmbildung.

Berechnung9 Punkte

2. Ein Dispersionspolymer ist ein Copolymer aus 50 % Butylacrylat (Tg = 219 K) und 50 % Methylmethacrylat (Tg = 378 K). Berechnen Sie die Glasübergangstemperatur nach der Fox-Gleichung (1/Tg = w₁/Tg₁ + w₂/Tg₂) und ordnen Sie sie der Filmbildung zu.

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Fox-Gleichung1/Tg = w₁/Tg₁ + w₂/Tg₂

Einsetzen1/Tg = 0,50/219 + 0,50/378 = 0,002283 + 0,001323 = 0,003606 1/K

TgTg = 1 / 0,003606 = 277,3 K ≈ 4 °C

AntwortsatzDie Glasübergangstemperatur liegt bei rund 4 °C.

ZuordnungDie MFT liegt in ähnlicher Höhe: Bei Raumtemperatur filmt der Lack, bei Kälte braucht er ein Filmbildehilfsmittel.

Warum das eine Eins verdientDie Fox-Gleichung wird korrekt mit den Massenanteilen und Kelvin-Werten angewandt, und das Ergebnis wird sinnvoll auf die Filmbildung (MFT nahe Tg) bezogen.

Anwendung7 Punkte

3. Ein harter, beständiger Dispersionslack filmt bei Raumtemperatur nicht sauber. Wie löst ein Filmbildehilfsmittel den Zielkonflikt zwischen Härte und Filmbildung?

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ZielkonfliktEin hartes Polymer (hohe Glastemperatur, hohe MFT) filmt bei Raumtemperatur schlecht; ein weiches filmt gut, ist aber wenig beständig.

WirkungDas Filmbildehilfsmittel (z. B. Texanol) wirkt als temporärer Weichmacher: Es senkt die MFT während der Filmbildung, sodass die harten Teilchen koaleszieren.

DanachNach der Verfilmung verdunstet es und lässt den harten, beständigen Film zurück.

ErgebnisSo bekommt man gute Filmbildung bei Raumtemperatur und trotzdem einen harten Film — der Zielkonflikt ist umgangen.

Warum das eine Eins verdientDer Zielkonflikt wird sauber benannt und die temporäre MFT-Senkung mit anschließendem Verdunsten als Lösung erklärt — genau die Funktion des Filmbildehilfsmittels.

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