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1 Schaum-Killer Entschäumer für die Herstellung von Polymerdispersionen. Bei Polymerisationsprozessen kommt es an vielen Stellen zur Schaumbildung. Das führt zu Fehlern in den Endprodukten: Lacken und Farben, Klebstoffen oder Papierbeschichtungen. Die Wahl eines geeigneten Entschäumers hilft, solche Probleme zu vermeiden Roland Sucker*, Kathrin Lehmann, Essen. * Korrespondierender Autor. Kontakt: Roland Sucker, degussa/goldschmidt GmbH, Goldschmidtstr. 100, Essen, Tel , Fax , Weltweit werden ca. 10 Mio. t Polymerdispersionen [1] auf Basis von Polyacrylaten, Polyvinylacetaten und anderen Polymeren hergestellt, welche in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, z.b. in der Lack- und Farbenindustrie, in der Bauchemie, in Klebstoffen oder der Papierindustrie. Daneben beruht auch die Produktion von Kunststoffen, wie PVC oder SBR überwiegend auf wässrigen Prozessen, wobei die Polymerisation in der Dispersion durchgeführt und anschließend das Wasser entfernt wird. Bei der Polymerisation werden die gering wasserlöslichen Monomere unter Zuhilfenahme von Emulgatoren oder Schutzkolloiden in Emulsionen überführt, ein Initiatorzusatz startet die Reaktion. Üblicherweise eingesetzte Emulgatoren sind anionische Tenside wie Dodecylbenzolsulfonat, Laurylsulfat, Laurylethersulfat oder auch Sulfosuccinate [2-4]. Teilweise werden diese auch mit nichtionischen Tensiden auf Basis von Fettalkoholethoxylaten, Alkylenoxidblockcopolymeren oder anderen Tensiden kombiniert [5]. Im Gegensatz dazu werden bei der Suspensionspolymerisation Schutzkolloide wie niedermolekulare Polyvinylalkohole und nichtionische Cellulosen, z.b. Methylhydroxypropylcellulose, eingesetzt. Neben der gewollten Stabilisierung der Polymerpartikel führen aber gerade diese Emulgatoren und Schutzkolloide auch zu einer Dispergierung von eingetragener Luft, die einen starken Schaumaufbau im Prozess bewirkt. Dies kann sowohl im Reaktor während der eigentlichen Polymerisation, als auch in nachgeschalteten Prozessen wie dem Entspannen am Ende der Polymerisation, der Demonomerisierung und bei Pump- oder Abfüllprozessen der Fall sein. Abb. 1 zeigt ein schematisches Fließbild eines Polymerisationsprozesses. Erhöhter Schaumaufbau verringert die Raum-Zeit-Ausbeute des Reaktors und verlangsamt sowohl die Demonomerisierung als auch das Abfüllen, weshalb der Einsatz von schaumhemmenden Substanzen in diesem Prozessschritt üblich ist. So lässt sich Schaum vermeiden Die stabilisierte Verteilung von Gasblasen in einer Flüssigkeit wird als Schaum bezeichnet. Wird eine reine Flüssigkeit begast, so bilden sich kugelförmige Blasen, welche auf Grund ihrer geringen Dichte an die Oberfläche steigen und dort zerreißen. Tensidstabilisierte wässrige Lösungen zeigen im Gegensatz dazu eine stabile Schaumbildung bei Einbringen von Luft, da die Oberfläche der Gasblase rasch mit einer Tensidschicht belegt wird, wie aus Abb. 2 ersichtlich ist. Die sich ausbildende Schaumlamelle, eine beidseitig tensidstabilisierte wässrige Schicht, kann im Allgemeinen nur durch Entschäumerzusätze zerstört werden. Dazu muss der Entschäumer unlöslich im zu entschäumenden System sein und zudem eine niedrigere Oberflächenspannung aufweisen, damit der Entschäumertropfen in die Oberfläche der tensidhaltigen wässrigen Phase eindringen kann [6]. Dies ist nur möglich, wenn der Eindringkoeffizient E > 0 ist: E = γ F + γ F/E - γ E mit E > 0 wobei γ F die Oberflächenspannung des flüssigen Filmes ist, γ F/E die Grenzflächenspannung zwischen dem flüssigen Film und dem Entschäumer und γ E die Oberflächenspannung des Entschäumers. Nach dem Eindringen in die Schaumlamelle muss der Entschäumer spontan spreiten können, um die Tenside, welche die Schaumlamelle stabilisieren, zu verdrängen und den Flüssigkeitsfilm somit zu destabilisieren und zu zerstören. Abb. 3 stellt die Schritte der Wirkung eines Entschäumers schematisch dar. Der Spreitungskoeffizient S muss dafür einen positiven Wert annehmen: S = γ F - γ F/E - γ E mit S > 0 Entschäumer bestehen aus mehreren Komponenten Im folgenden Absatz sollen typische Bestandteile von Entschäumern mit ihrer grundsätzlichen Funktion sowie deren Vor- und Nachteilen erörtert werden. Tab. 1 bietet eine Übersicht. Neben dem Öl, welches eine niedrige Oberflächenspannung aufweisen muss, enthalten Entschäumer in der Regel zusätzlich hydrophobe Feststoffe und Emulgatoren, um die Wirksamkeit zu erhöhen und eine gleichmäßige Verteilung zu gewährleisten. Prinzipiell lässt sich daraus eine Vielzahl von Kombinationen ableiten, wovon einige typische Beispiele, die in kommerziellen Produkten heute Anwendung finden, in Tab. 2 als Entschäumer E1 bis E6 aufgeführt sind. Darüber hinaus sind mit den Entschäumern M7 und M8 Produkte benannt, die auf speziellen hydrophoben Tensidstrukturen [7] oder hyperverzweigten Polymeren mit sternförmiger Geometrie basieren. Sie wirken, indem sie in die Schaumlamelle eingebaut werden, dort die stabilisierenden Tenside partiell verdrängen und somit zu einem Zerreißen der Schaumblase beitragen. Schaum entsteht bei verschiedenen Prozessschritten Für die Auswahl des richtigen Entschäumers ist ein tiefgreifendes Verständnis der Notwendigkeit und Funktion in den einzelnen Schritten des Polymerisationsprozesses essentiell, weshalb hier nochmals näher darauf eingegangen wird. Polymerisation Schaum entsteht zum einen dadurch, dass mit den Rühraggregaten Luft in die Dispersion eingerührt wird. Zum anderen lässt sich gerade bei großen Reaktoren die Reaktionswärme nicht mehr über die im Verhältnis zum Volumen kleine Wandfläche des Reaktors abführen. Dieses Problem wird u.a. dadurch gelöst, dass man bei Siedetemperatur polymerisiert und die überschüssige Energie durch Rückflusskühler abführt. Diese Verfahrensweise produziert zusätzlich Schaum. Dieser darf nicht in den Rückflusskühler übergehen, da er dort zu einer Belegung der Kühlflächen mit Polymer und somit zu einer deutlichen Reduzierung der Kühlleistung führt. Discharging Bei der Entladung des Reaktors kommt es ebenfalls zu einer starken Schaumentwicklung, welche häufig ihre Ursache darin hat, dass während der Dekompressionsphase nicht umgesetztes Monomer

2 verdampft. Wird der Schaum nicht bekämpft, erhöht sich der Zeitbedarf für die Reaktorentleerung deutlich. Entmonomerisierung Um Restmonomere aus der Dispersion zu entfernen, werden diese anschließend in Stripkolonnen mit Wasserdampf ausgetrieben. Dieser Prozess verursacht bei Dispersionen, die Emulgatoren als Stabilisierungsmittel enthalten, ein enormes Schaumaufkommen. Gerade in dieser Prozessstufe sind Entschäumer erforderlich, um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Abfüllung Der letzte Schritt in der Produktionskette, bei dem Luft eingetragen und somit unerwünschter Schaum erzeugt wird, ist die Abfüllung. Auch hier hilft der Entschäumer die Prozesszeiten deutlich zu verkürzen. Praxistest für Entschäumer Abb. 4 zeigt die Testanordnung zur Prüfung der in Tab. 2 benannten Entschäumer. Der Schaum wird erzeugt, indem die Lösung der bei der Polymerisation benutzten Tenside oder Schutzkolloide oder die Dispersionen selbst mit Hilfe einer Glasfritte mit Luft begast werden. Dieser Prüfaufbau hat sich in der Praxis bewährt und lässt eine gute Differenzierung der Entschäumer zu. Die gewählten Tensidund Schutzkolloidkonzentrationen sind charakteristisch für ihr Vorhandensein in der wässrigen Phase verschiedener Dispersionen. Über einen Zeitraum von 15 Minuten wird die benötigte Entschäumermenge gemessen, welche notwendig ist, um die Schaumbildung zu unterdrücken. Dabei zeigt Tab. 3 die Entschäumermenge in ppm, die erforderlich ist, um eine effiziente Schaumreduzierung der 1%igen Tensidlösungen zu garantieren. Entschäumer für tensidhaltige Lösungen und Schutzkolloide In tensidhaltigen Lösungen zeigen E1 bis E6 eine deutlich höhere Wirksamkeit als M7 und M8. Als wirksamstes Produkt ist hier der silikonölbasierte Entschäumer E3 zu benennen, wobei die Entschäumer E2, E5 und E6 ebenfalls, weitestgehend unabhängig vom verwendeten Tensid, eine gute Wirkung zeigen. Im direkten Vergleich der Entschäumer E1 und E2 wird unter Beachtung ihrer Zusammensetzung deutlich erkennbar, dass durch die Coformulierung mit einem organomodifizierten Siloxan eine signifikante Wirksamkeitssteigerung eines Pflanzenöls erreicht werden kann. Alle verwendeten Entschäumer E1 bis E6 können eine gute Unterdrückung von Schaum, welcher durch Schutzkolloide hervorgerufen wird, gewährleisten. Der siliconölbasierte Entschäumer E3 weist wie in den Tensidlösungen eine sehr gute Entschäumungsleistung auf, welche jedoch nun von der Kombination Polyether/OMS in Form des Entschäumers E6 sogar noch übertroffen wird. Der molekulare Entschäumer M7 zeigt hier eine ansprechende Wirkung. Entschäumer können Benetzungsstörungen verursachen Neben der im Prozess benötigten Schaumunterdrückung für die verwendeten Tenside und Schutzkolloide ist es essentiell, dass der eingesetzte Entschäumer keinen negativen Einfluss auf die Endanwendung der Dispersionen hat. Das häufigste Fehlerbild ist die Verursachung von Oberflächenstörungen bei der Applikation von Dispersionsfilmen. Dazu wurden die Entschäumer sowohl in einen SBR-Latex, eine PVAc-Dispersion als auch in eine Acrylatdispersion mit jeweils 0,1 % eingearbeitet und anschließend mit 100 µm auf Glas aufgerakelt. Die Aufzüge wurden dann mit den Noten 1 bis 5 bewertet, wobei 1 für Kraterfreiheit und 5 für starke Kraterbildung steht, wie es in Abb. 5 beispielhaft gezeigt wird. Die Ergebnisse sind in Tab. 5 zu finden. Obwohl nach den Ergebnissen aus Tab. 3 und Tab. 4 die eingesetzte Entschäumermenge von 0,1% nicht erforderlich erscheint, um den von Tensiden und Schutzkolloiden erzeugten Schaum zu unterdrücken, ist diese gewählt worden, um die in der Praxis durchaus üblichen Schwankungen in der Dosierung von Entschäumern in großtechnischen Prozessen zu berücksichtigen. So wird die Prozesssicherheit gewährleistet und grenzwertige Produkte bereits in der frühen Evaluierungsphase ausgeschlossen. Hinzu kommt, dass im Allgemeinen bei der Endfomulierung des Produktes nochmals ein Entschäumerzusatz erforderlich wird, z.b. wegen Auftragswerken mit hoher Geschwindigkeit oder Spritzapplikationen. Die hohe Störungsneigung von Entschäumer E3 verdeutlicht, warum siliconölbasierte Entschäumer in vielen Anwendungen trotz ihrer guten entschäumenden Wirkung in der Herstellung von Polymerdispersionen nicht eingesetzt werden können. Die übrigen Entschäumer E4 bis E6 sowie M7 und M8 zeigen eine gute Verträglichkeit, so dass ihr Einsatz auf Basis ihrer entschäumenden Wirkung entschieden werden kann. Wirksamkeit und Verträglichkeit in der Endanwendung Die vorliegenden Testergebnisse mit Entschäumerformulierungen unterschiedlicher Zusammensetzung zeigen deren Einsetzbarkeit in wässrigen Polymerisationspro-zessen. Anhand ihrer Wirksamkeit und Verträglichkeit in den Endanwendungen lassen sich Empfehlungen für die verschiedenen Polymersysteme ableiten. Damit kann die polymerherstellende Industrie den Endanwendern bei der Wahl des geeigneten Prozeßentschäumers behilflich sein und sie so bei der Vermeidung von Fehlerbildern wie Kratern oder Entnetzung in Lacken und Farben, Klebstoffen und Papierbeschichtungen unterstützen. Literatur [1] D. Distler, Wäßrige Polymerdispersionen, Wiley-VCH Verlag GmbH (1999), 3-5 [2] K. Holmberg, B. Jönsson, B. Kromberg, B. Lindman, Surfactants and Polymers in Aqueous Solution, John Wiley & Sons, Ltd 2003, [3] W. Breuer, R. Höfer, Tenside Surfactants Detergents 40 (2003) 4 [4] H.-D- Dörfler, Grenzflächen und kolloid-disperse Systeme, Springer-Verlag Berlin Heidelberg (2002), [5] Vaughn M. Nace, Nonioinic Surfactants, Marcel Dekker Inc./New York Basel Hong Kong (1998), [6] M. J. Rosen, Surfactants and Interfacial Phenomena, Wiley Interscience1996 [7] M. J. Rosen, L.Lio, JAOCS Vol 73 (1996) Ergebnisse auf einen Blick - Silikonölbasierte Entschäumer haben zwar eine gute schaumhemmende Wirkung, sie verursachen aber Benetzungsstörungen und beeinträchtigen dadurch die Gebrauchsfähigkeit der Dispersion. - Organomodifizierte Siloxane verstärken die entschäumende Wirkung von organischen Entschäumerkomponenten. - In tensidstabilisierten Dispersionen sind siliciumfreie Entschäumer oder ein Polyether/OMS-Gemisch Mittel der Wahl. Wird dagegen die Stabilisierung durch Schutzkolloide wie Polyvinylalkohol oder nichtionische Cellulose erreicht,

3 so sind auch molekulare Entschäumer einsetzbar. - Grundsätzlich können Entschäumer zu Benetzungsfehlern in Endanwendungen führen, was durch Prüfung und den Einsatz von Substratnetzmitteln sowie Applikationsverfahren ausbalanciert werden kann. Kathrin Lehmann, geboren 1967, studierte Synthesechemie an der Humboldt-Universität in Berlin. Nachdem sie fünf Jahre in der Anwendungstechnik eines Pigmentherstellers für die Lack- und Farbenindustrie tätig war, wechselte sie im Oktober 1999 zur Tego Chemie Service. Dort verantwortete sie die Entwicklung von Additiven für wasserbasierte Systeme. Im April 2005 übernahm sie die Leitung des Bereiches Plastic Industries der Degussa innerhalb der BL Industrial Specialties. Roland Sucker, geboren 1955, studierte Chemieingenieurwesen an der Fachhochschule Münster. Er trat 1982 in die damalige Th. Goldschmidt AG, einen heutigen Unternehmensteil der Degussa, ein und arbeitete dort in der Arbeitsgruppe Entwicklung von Entschäumern, die er bis 2004 leitete. Heute leitet er die Arbeitsgruppe Additive für Polymerdispersionen innerhalb der BL Industrial Specialties der Degussa.

4 Abb. 1: Fließbild eines Polymerisationsprozesses.

5 Abb. 2: Stabilisierung von Luftblasen durch Tenside.

6 Abb. 3: Schaumlamellendestabilisierung durch Entschäumerzusatz.

7 Abb. 4: Prüfaufbau für die Entschäumertestung.

8 Abb. 5: Bewertung einer Polymerdispersion eines SBR-Latex mit 0,1% Entschäumerzusatz.

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