VILF Nord. Rheologieadditive- Eigenschaften und Anwendungen

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1 VILF Nord Rheologieadditive- Eigenschaften und Anwendungen

2 VILF Nord am 21. November 2013 Rheologieadditive für Farben, Lacke, Kleb- und Dichtstoffe Eigenschaften und Anwendungen Dr. Eva-Maria Kutschmann, Lehmann & Voss & Co. Geschäftsbereich Oberflächentechnik, Alsterufer 19, Hamburg

3 Info zu Lehmann & Voss & Co. gegründet 1894 als Handelshaus heute: Handel, Distribution und Produktion chemische und mineralische Spezialitäten VILF Nord am 21. November 2013 inhabergeführtes Unternehmen in der 4. Generation, mit rd. 330 Mitarbeitern 7 Geschäftsbereiche drei Standorte in Hamburg, Firmenhauptsitz Alsterufer Labor, Technikum, Produktion, Lager, Logistik in WB und Peute Tochterfirmen in UK, Frankreich und Italien Firmenbeteiligungen in USA, China, Schweiz

4 Curriculum Vitae Studium der Chemie Ruhr-Universität Bochum Abschluß Diplom Doktorandin Ivan-N. Stranski-Institut für Physikalische Chemie, TU Berlin Abschluß Dr. rer. nat. Dr. Eva-Maria Kutschmann Produktspezialistin Rheologie, Leitung Applikationslabor Gebrüder HAAKE GmbH, Karlsruhe seit April 2001 Produktentwicklung und Technischer Service GB Oberflächentechnik Lehmann & Voss & Co. Hamburg

5 VILF - Nord am 21. November 2013 Übersicht Definition und Klassifizierung von Rheologieadditiven Anorganische Rheologieadditive für wässrige Systeme Anorganische Rheologieadditive für lösemittelhaltige Systeme Organische Rheologieadditive für wässrige Systeme Organische Rheologieadditive für lösemittelhaltige und freie Systeme

6 Was sind Rheologieadditive? Definition Rheologieadditive sind Substanzen, die einer Formulierung in kleinen Mengen zugegeben werden, um ihre Fliess-, Verarbeitungs- und Anwendungseigenschaften zu modifizieren. Die typische Dosierung beträgt 0,2 bis 2,0 Gewichtsprozent, bezogen auf die Gesamtformulierung, abhängig von den gewünschten Produkteigenschaften. Beispiele Verdickungsmittel Anti-Absetzmittel Thixotropiemittel Anti-Ablaufmittel 6

7 Wozu werden Rheologieadditive eingesetzt? Auswahl eines geeigneten Rheologieadditivs richtet sich meist nach der Beschichtungstechnik... aber der Einfluss der Rheologieadditive auf die anderen Eigenschaften der Beschichtung muss sorgfältig geprüft werden! 7

8 Rheologieadditive Eigenschaften des getrockneten Films: Einflüsse durch Rheologieadditive? Glanz, Glanzschleier Vergilbung UV-Beständigkeit Zwischenschichthaftung, Überlackierbarkeit Korrosionsbeständigkeit Flexibilität, Filmhärte Schleifbarkeit müssen durch geeignete Testmethoden geprüft werden! 8

9 Rheologieadditive Welche Rheologieadditive gibt es? Rheologieadditive Organische Rheologieadditive Anorganische Rheologieadditive Unterscheidung nach ihrer chemischen Struktur 9

10 Rheologieadditive Rheologieadditive für wässrige Systeme für lösemittelhaltige Systeme Unterscheidung nach Anwendungsbereich 10

11 Anorganische Rheologieadditive natürlich vorkommende Schichtsilikate (Phyllosilikate) z. B. Montmorillonit, Hectorit synthetisch hergestellte Schichtsilikate pyrogene Kieselsäure Anorganische Rheologieadditive für wässrige Systeme präzipitierte Kieselsäure(Fällungskieselsäure) elektronenmikroskopische Aufnahme eines Montmorillonits 11

12 Anorganische Rheologieadditive Anorganische Rheologieadditive für wässrige Systeme Natürliche Schichtsilikat-Vorkommen (Montmorillonite, Hectorite) u. a. in USA, China 2:1- Typ aus SiO 4 - Tetraedern und Al(OH) 6 - Octaedern aufgebaut Charakteristische Eigenschaften: Große spezifische Oberfläche Großes Wasseraufnahmevermögen Ionenaustauschkapazität (Na+, Ca++) 12

13 Anorganische Rheologieadditive Anorganische Rheologieadditive für wässrige Systeme Vorteile gutes Anti-Absetzverhalten Viskositätserhöhung, Thixotropierung im Prozess keine Temperaturkontrolle erforderlich nur schwache Scherkräfte erforderlich Nachteile Empfindlichkeit gegenüber Kationen Wechselwirkungen mit anderen Rezepturbestandteilen möglich (z. B. polyanionische Dispergieradditive) 13

14 Anorganische Rheologieadditive 10 6 mpa s LUVOGEL W3-2%ig in L- H2O /s 200 Gelbildung: 3% Schichtsilikat in Wasser

15 Anorganische Rheologieadditive Applikationen (Beispiele) Wässrige Systeme Fassadenfarben Holzlacke Innen- und Außenanstrichfarben Dispersionsfarben

16 Anorganische Rheologieadditive Anorganische Rheologieadditive für lösemittelhaltige Systeme Hydrophobe Oberflächenmodifizierung natürlich vorkommender Schichtsilikate: Ersatz von Na+ und Ca++- Ionen auf der Oberfläche durch lineare quartäre Ammoniumverbindungen, z. B. Dimethyldialkylammonium (häufig mit Alkyl = C16, C18) Trimethylalkylammonium (häufig mit Alkyl= C16, C18) Benzalkoniumverbindungen 16

17 Anorganische Rheologieadditive Anorganische Rheologieadditive für lösemittelhaltige Systeme Vorteile gutes Anti-Absetzverhalten, Viskositätserhöhung Leicht dispergierbare und selbstaktivierende Typen verfügbar im Prozess keine Temperaturkontrolle erforderlich nur schwache Scherkräfte erforderlich Nachteile Negativer Einfluss auf Verlauf und Oberflächenbeschaffenheit möglich Negativer Einfluss auf Glanz möglich nur schwach ausgeprägte Strukturviskosität 17

18 Anorganische Rheologieadditive 10 5 Pa 10 4 G' Wettbewerbsprodukt Luvogel 40VP Ch.4849 G'' Pa Schubspannung Vergleich der Gelstärke :10% org. mod. Bentonit in K60/EtOH-H2O

19 Anorganische Rheologieadditive Applikationen (Beispiele) Lösemittelhaltige Systeme Druckfarben Industrielacke Dickschichtsysteme Spachtelmassen und Dichtstoffe Schmierfette Strassenmarkierungsstoffe

20 Übersicht Definition und Klassifizierung von Rheologieadditiven Anorganische Rheologieadditive für wässrige Systeme Anorganische Rheologieadditive für lösemittelhaltige Systeme Organische Rheologieadditive für wässrige Systeme Organische Rheologieadditive für lösemittelhaltige und freie Systeme

21 Organische Rheologieadditive Organische Rheologieadditive für wässrige Systeme Polyurethanverdicker Acrylatverdicker Polysaccharide Cellulosederivative 21

22 Organische Rheologieadditive Organische Rheologieadditive für wässrige Systeme Assoziativverdicker Nicht-assoziative Verdicker 22

23 Assoziativverdicker Organische Rheologieadditive für wässrige Systeme Assoziativverdicker zeigen nur schwache Wechsel-wirkungen mit der wässrigen Phase. Ihre Molekülstruktur ist amphiphil, bestehend aus einem hydrophilen Basispolymer mit hydrophoben Segmenten, die mit anderen Formulierungsbestandteilen in Wechselwirkung treten. 23

24 Assoziativverdicker Organische Rheologieadditive für wässrige Systeme HEUR hydrophobically modified ethylene oxide urethane rheology modifier (PU-Verdicker) HASE hydrophobically modified alkali swellable emulsions HMPE hydrophobically modified polyether HMHEC hydrophobically modified hydroxy ethyl cellulose 24

25 Assoziativverdicker HEUR hydrophobically modified ethylene oxide urethane rheology modifier (PU-Verdicker) Vorteile Nachteile exzellente Verdickung im high-shear-bereich Unempfindlich gegenüber ph- Schwankungen nur schwache Verdickung im low-shear-bereich empfindlich gegenüber Cosolventien und Emulgatoren kein Einfluss auf die Wasserbeständigkeit UV-Stabilität 25

26 Assoziativverdicker 10 5 mpa s 10 4 OHNE RHEOLOGIEADDITIV 10 3 HEUR 2 HEUR /s 200 Scherrate. HEUR-Assoziativverdicker in wasserverdünnbarer Weisslackformulierung, hochglänzend

27 Assoziativverdicker HASE hydrophobically modified alkali swellable emulsions Vorteile Nachteile exzellente Verdickung im low-shear Bereich Biostabilität kostengünstig geringe Verdickung im high-shear- Bereich empfindlich gegenüber ph- Schwankungen geringes Wasserrückhaltevermögen Neutralisierungsmittel erforderlich 27

28 Assoziativverdicker mpa s OHNE HASE 2 HASE , /s 200 Scherrate. HASE-Assoziativverdicker in Styrol-Acrylat-Dispersion nach ph-einstellung

29 Organische Rheologieadditive Organische Rheologieadditive für wässrige Systeme Nicht-assoziative Verdicker treten in Form gelöster langkettiger Moleküle in direkte Wechselwirkung zu der wässrigen Phase unter Bildung dreidimensionaler Netzwerk-Strukturen. Sie zeigen keine Wechselwirkung zu anderen Rezepturbestandteilen. Cellulosederivate Acrylatverdicker (ASE) Polysaccharide, Stärkederivate 29

30 Übersicht Definition und Klassifizierung von Rheologieadditiven Anorganische Rheologieadditive für wässrige Systeme Anorganische Rheologieadditive für lösemittelhaltige Systeme Organische Rheologieadditive für wässrige Systeme Organische Rheologieadditive für lösemittelhaltige und freie Systeme

31 Organische Rheologieadditive Organische Rheologieadditive für lösemittelhaltige und freie Systeme Rizinusölderivate Modifizierte Rizinusölderivate Polyamide Polyolefine Hybrid-Typen 31

32 Organische Rheologieadditive Elektronenmikroskopische Aufnahme eines mikronisierten Rheologieadditivs

33 Verteilungssumme Q3 / % Verteilungsdichte q3* Organische Rheologieadditive Partikelgrößenverteilungskurven mikronisierter Pulver Produktname Luvotix HT Luvotix HT 400 Luvotix HT- SF Partikelgröße / µm

34 Aktivierung organischer Rheologieadditive

35 Rizinusölderivate Rizinusölderivate Hergestellt aus nachwachsenden Rohstoffen: Rizinusöl aus den Samenkapseln der Rizinuspflanze (Ricinus Communis) Derivate der 12-Hydroxystearinsäure (C18:1) seit vielen Jahren bekannt, effizient und kostengünstig geeignet für zahleiche Anwendungen aus pflanzlichen nachwachsenden Rohstoffen keine toxischen oder gefährlichen Inhaltsstoffe für Anwendungen mit Lebensmittelkontakt zugelassen

36 Rizinusölderivate Vorteile in Beschichtungen erzeugen Strukturviskosität und Thixotropie Ablaufkontrolle bei gutem Verlauf Anti-Absetzwirkung verbesserte Verarbeitungs- und Anwendungseigenschaften Vorteile in Pulverlacken Erniedrigung der Schmelzviskosität Einfluss auf die Oberflächenspannung Verbesserung von Oberflächenbenetzung und Verlauf

37 Rizinusölderivate Nachteile Negativer Einfluss auf Glanz und Transparenz möglich unzureichende Stabilität bei erhöhten Prozesstemperaturen können in polaren Lösemitteln in Lösung gehen, Rekristallisation beim Abkühlen, Bildung harter Teilchen (sogenannter seeding-effect ) Rohstoffpreise schwankend, z. B. ernteabhängig, Dollarkurs, Weltmarktnachfrage

38 Modifizierte Rizinusölderivate Polyamidmodifizierte Rizinusölderivate Temperaturstabilisierte Produkte durch eine höherschmelzende Wachskomponente Effektive und effiziente Rheologieadditive, die strukturviskose und thixotrope Eigenschaften erzeugen Produkte geeignet für einen erweiterten Bereich von Polaritäten und Prozesstemperaturen Anorganisch modifizierte Rizinusölderivate Kombinationsprodukte aus anorganischen und organischen Rheologieadditiven Herstellung durch Co-Vermahlung oder Abmischung von präzipitierter Kieselsäure mit Rizinusölderivaten kundenspezifische Produkte für spezielle Anwendungen, z. B. hochgefüllte Systeme wie Spachtelmassen, Dichtmassen Anti-Absetzeigenschaften und Thixotropie

39 Polyamide Polyamide Hochleistungsfähige Produkte geeignet für moderne Prozesstechnologien selbst unter extremen Produktionsbedingungen (hohe Temperaturen, hohe Polaritäten) erzeugen Strukturviskosität und Thixotropie Ablauf-Kontrolle, hohe Naßfilm-Schichtstärken > 1500 µm möglich guter Verlauf Anti-Absetzwirkung, Verbesserung der Lagerstabilität kein Seeding-Effect kein negativer Einfluss auf den Glanz

40 Polyolefine und Hybride Polyolefine erzeugen starke Strukturviskosität nur schwache Thixotropie Produkte überwiegend als Anti-Absetzmittel eingesetzt Hybride Kombinationsprodukte aus Rizinusölderivaten, Polyamiden und Polyolefinen erzeugen gute Anti-Absetzwirkung und Thixotropie Leicht aktivierbare Produkte als Pulver oder Paste Eingesetzt in Kleb- und Dichtstoffen, in Systemen basierend auf silanterminierten Polymeren

41 Pasten Rheologieadditive in Pastenform % Rheologieadditiv dispergiert in organische Lösemittel Pasten auf Basis Polyamid, Polyethylen und Hybrid-Typen auf dem Markt Typische Lösemittel Xylol, Xylol/Alkohol-Mischungen, Butylacetat und andere Voraktivierte Pasten reduzieren die Verarbeitungszeiten und- temperaturen leicht aktivierbar, jedoch Scherkräfte erforderlich zur vollständigen Aktivierung Verwendung empfohlen, wenn technische Ausstattung keine vollständige Aktivierung von Pulvern erlaubt einige Pasten können als Post-Additiv zur nachträglichen Korrektur eingesetzt werden

42 Anwendungen Anwendung Trocknung Rheologieadditiv Do-it-yourself (MS) Lufttrocknung Rizinusölderivate Industrielacke (MS) Schiffsfarben(HS)/ schwerer Korrosionsschutz (HS) Spachtel, Kleb- und Dichtstoffe Silanterminierte Polymere Lufttrocknung 2 K Ofentrocknung Lufttrocknung 2 K Lufttrocknung Rizinusölderivate Polyamide Modifizierte Rizinusölderivate Polyamide, modif. Amide Rizinusölderivate Modifizierte Rizinusölderivate Polyamide Hybride

43 Anwendungen Anwendungen Polyamide Dickschichtsysteme High Solids Schiffsfarben Containerlacke Schwerer Korrosionsschutz 2K-EP, 2K-PU Kleb- und Dichtstoffe

44 Anwendungstechnische Prüfungen im Lacklabor Testformulierung 1: 2 K-EP- Korrosionsschutzgrundierung (High Solid) Substanz Menge/ g Epoxidharz 30,3 Araldite GY 783 BD org. Rheologieadditiv 0,7 Zinkphosphat 15,0 Talkum 10,0 TiO 2 5,0 BaSO 4 (Blanc Fixe) 10,0 Butanol: Xylol = 1:3 5,0 Total 76,0 Härter Aradur 450 BD 18,0

45 Anwendungstechnische Prüfungen im Lacklabor Pa s s 300 Zeit t Polyamid A Polyamid B Polyamid C Produkt Stand /µm Polyamid A 750 µm Polyamid B 625 µm Polyamid C 625 µm Schersprung-Versuch in 2K-EP-Korrosionsschutzgrundierung nach Härterzugabe

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