Wässrige Systeme

Hydrosole, Dispersionen und der Wasserberg

Prüfungsteil 2A 10

KernaussageIn Wasser können Polymere echt gelöst oder in unterschiedlich groben dispersen Zuständen vorliegen — Art und Größe der Teilchen bestimmen die Eigenschaften.

Voraussetzung für Wasserlöslichkeit

Um in Wasser löslich zu sein, müssen Polymermoleküle ionische Gruppen wie Carboxylat- oder Ammoniumgruppen besitzen oder eine beträchtliche Zahl nichtionischer, hydrophiler Gruppen wie Hydroxy-, Carbonyl-, Amino- und Amidgruppen oder Polyetherketten. Bei den ionischen Polymeren unterscheidet man anionische, kationische und zwitterionische Typen: Anionische sind meist Polycarbonsäuren und werden mit Aminen neutralisiert, kationische in der Regel Polyamine und werden mit einfachen Säuren versetzt. Zwitterionische Typen tragen beide Ladungsarten zugleich — eine saure (z. B. Carboxyl-) und eine basische (z. B. Amino-)Gruppe im selben Molekül; im Zwitterion liegen sie dann als Carboxylat- beziehungsweise Ammoniumgruppe vor; nach außen sind sie insgesamt neutral.

Die dispersen Zustände nach Teilchengröße

Lösung (Hydrosol) — klar, Molmasse unter 20 000 g/mol, Teilchen unter 0,01 µm, ionische Moleküle, Hilfsstoff Neutralisationsmittel.
Kolloidale Sekundärdispersion (Hydrogel) — fast klar bis opaleszierend, unter 100 000 g/mol, unter 0,1 µm, Knäuel aus zahlreichen Molekülen, wenig Neutralisationsmittel.
Emulsion beziehungsweise Suspension — trüb bis milchig, über 0,1 µm, Tröpfchen oder Körnchen, Hilfsstoff Emulgator.
Primärdispersion (Kunststoffdispersion) — mäßig trüb bis milchig, über 100 000 g/mol, 0,05 bis 5 µm, nahezu kugelförmige Polymerisatteilchen, Emulgator und gegebenenfalls Schutzkolloid.

Die genannten Größen- und Molmassenbereiche sind Orientierungswerte, keine scharfen Definitionsgrenzen; unterschieden werden die Begriffe in erster Linie über Dispersionszustand, Teilchenart und Herstellungsweg. In dieser Einteilung bezeichnet Hydrogel nicht ein wassergequollenes Polymernetzwerk, sondern den kolloidalen Dispersionszustand zwischen molekulardisperser Lösung und gröberer Dispersion.

Primärdispersionen sind etwas anderes

Primärdispersionen entstehen nicht durch Dispergierung eines fertigen Polymers, sondern grundsätzlich durch Emulsionspolymerisation. Dabei werden die Monomeren mit einem Emulgator in Wasser fein verteilt und mit einem wasserlöslichen Initiator gestartet; die Polymerisation läuft in den monomergequollenen Micellen und den wachsenden Latexteilchen ab — es entstehen sofort feste Polymerteilchen. Diese in Wasser dispergierten Polymerteilchen heißen Latex (ursprünglich der Milchsaft des Kautschukbaums, heute auch die synthetische Kunststoffdispersion). Die kompakten Latexteilchen haben eine hohe molare Masse; zur Stabilisierung gegen Koagulation enthalten sie Tenside und eventuell Schutzkolloide.

Warum das lacktechnisch wertvoll ist

Weil die Makromoleküle innerhalb der kompakten Latexteilchen und nicht frei in der Wasserphase sitzen, hat ihre molare Masse praktisch keinen Einfluss auf die Viskosität. Das erlaubt hochmolekulare Filmbildner, die in echt gelöster Form zu unzulässig hohen Viskositäten führen würden.

Der Wasserberg

Als Wasserberg bezeichnet man das Durchlaufen eines Viskositätsmaximums beim Verdünnen einer konzentrierten Polyelektrolytlösung mit Wasser. Diese unerwünschte Anomalie zeigen mehr oder weniger alle stark ionischen, echten Polymerlösungen; beim Maximum existieren aufgeweitete Knäuel und Molekülassoziate. Abflachen oder beseitigen lässt sie sich durch Reduzierung der Anzahl ionischer Gruppen bei gleichzeitiger Erhöhung der Hydrophilie, durch Wechsel vom Hydrosol zum kolloidalen Hydrogel oder durch Zusatz wassermischbarer Cosolventien wie Butylglykol. Letzteres gilt als Notlösung, da der Gehalt an organischen Lösemitteln möglichst niedrig bleiben soll.

Verdünnen auf Ziel-Festkörper

Beim Verdünnen bleibt die Festkörpermasse erhalten: m(FK) = m(Lack) · FK/100. Daraus folgt die neue Gesamtmasse m(gesamt) = m(FK) / (FK(neu)/100) und die zuzugebende Wassermenge m(Wasser) = m(gesamt) − m(Lack).

WasserlackwasserverdünnbarHydrosolHydrogelSekundärdispersionPrimärdispersionKunststoffdispersionLatexteilchenEmulsionspolymerisationSchutzkolloidCosolvensWasserbergPolyelektrolytNeutralisationsmittel

Quellen

Brock/Groteklaes/Mischke, Lehrbuch der Lacktechnologie

Übungsblatt Ü-70

Prüfen, ob es sitzt.

Verständnis8 Punkte

1. Unterscheiden Sie Hydrosol, Hydrogel und Primärdispersion nach Teilchengröße, molarer Masse und Aussehen.

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HydrosolEchte, molekulardisperse Lösung. Teilchen unter 0,01 µm, molare Masse unter 20 000 g/mol, klares Aussehen. Hilfsstoff ist ein Neutralisationsmittel, also Amin oder Säure.

HydrogelKolloidale Sekundärdispersion aus Knäueln zahlreicher assoziierter Moleküle. Teilchen unter 0,1 µm, molare Masse unter 100 000 g/mol, fast klares, opaleszierendes Aussehen. Wenig Neutralisationsmittel.

PrimärdispersionKunststoffdispersion aus der Emulsionspolymerisation. Nahezu kugelförmige Polymerisatteilchen von 0,05 bis 5 µm, molare Masse über 100 000 g/mol, mäßig trübes bis milchiges Aussehen. Hilfsstoffe sind Emulgator und gegebenenfalls Schutzkolloid.

Wesentlicher UnterschiedHydrosol und Hydrogel entstehen durch Auflösen beziehungsweise Dispergieren eines fertigen Polymers. Primärdispersionen entstehen dagegen grundsätzlich durch das Verfahren der Emulsionspolymerisation.

Warum das eine Eins verdientAlle drei geforderten Kriterien werden für jedes System angegeben. Der Hinweis auf die unterschiedliche Entstehung ist der entscheidende systematische Unterschied.

Berechnung8 Punkte

2. Ein wasserverdünnbarer Lack mit 45 % Festkörper soll auf 38 % eingestellt werden. Berechnen Sie die benötigte Wassermenge für 2,5 kg Lack.

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ÜberlegungDie Masse des Festkörpers bleibt beim Verdünnen konstant. Nur die Gesamtmasse ändert sich.

Schritt 1 — Festkörpermassem(FK) = 2500 g · 0,45 = 1125 g

Schritt 2 — Zielgesamtmassem(gesamt) = m(FK) / 0,38 = 1125 g / 0,38 = 2960,5 g

Schritt 3 — Wassermengem(Wasser) = 2960,5 g − 2500 g = 460,5 g

AntwortsatzEs sind rund 461 g Wasser zuzugeben.

Probe1125 g / 2960,5 g = 0,380 — die Zielvorgabe ist erfüllt.

Warum das eine Eins verdientDer Erhaltungssatz für die Festkörpermasse wird als Ansatz vorangestellt. Die abschließende Probe kostet wenig Zeit und sichert das Ergebnis ab.

Anwendung7 Punkte

3. Beim Verdünnen eines wasserverdünnbaren Bindemittels steigt die Viskosität zunächst an, statt zu fallen. Benennen und erklären Sie das Phänomen und nennen Sie zwei Gegenmaßnahmen.

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BezeichnungDas Phänomen heißt Wasserberg: das Durchlaufen eines Viskositätsmaximums beim Verdünnen einer konzentrierten Polyelektrolytlösung mit Wasser.

AuftretenEs zeigen mehr oder weniger alle stark ionischen, echten Polymerlösungen. Beim Viskositätsmaximum liegen aufgeweitete Knäuel und Molekülassoziate vor.

BewertungLacktechnologisch ist die Anomalie unerwünscht, weil das Einstellen der Verarbeitungsviskosität unkontrollierbar wird.

Erste GegenmaßnahmeReduzierung der Anzahl ionischer Gruppen im Molekül bei gleichzeitiger Erhöhung der Hydrophilie, etwa durch Einbau von Polyethylenoxid-Ketten.

Zweite GegenmaßnahmeWechsel vom molekulardispersen Hydrosol zum kolloidalen Hydrogel. Als dritte Möglichkeit käme der Zusatz wassermischbarer Cosolventien wie Butylglykol infrage — dies gilt jedoch als Notlösung, da der Gehalt an organischen Lösemitteln aus ökologischen Gründen niedrig bleiben soll.

Warum das eine Eins verdientDas Phänomen wird als Wasserberg benannt, über das Viskositätsmaximum beim Verdünnen einer Polyelektrolytlösung erklärt, und es werden zwei Gegenmaßnahmen aus dem Blatt genannt. Wird zusätzlich das Cosolvens angeführt, muss es als Notlösung eingeordnet sein — diese ökologische Einordnung ist ein ausdrückliches Prüfungskriterium.

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