Sauber ohne Lösemittel

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1 Seite/Page: 1 Sauber ohne Lösemittel Mit neuartigen Mikroemulsionen sind VOC-freie, phneutrale, nicht toxische und gleichzeitig biologisch abbaubare Industriereiniger herstellbar, die den gesetzlichen EU-Anforderungen entsprechen. Mikroemulsionstechnik für Hochleistungsreiniger John Harrison, Edinburgh und Daniel Kieser*, Hamburg Die chemische Reinigung von Produktionseinrichtungen wie Fußböden oder Ansatzbehälter beeinflusst den täglichen Produktionsprozess und damit die technische Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit produzierender Unternehmen. Zudem stellen striktere Gesetze zur Verwendung und Lagerung flüchtiger organischer Kohlenstoffverbindungen (volatile organic compounds, VOC) erhöhte Anforderungen an Reinigungsund Lösemittel. Die europäische Richtlinie 1999/13/EG klassifiziert als VOC alle organischen Verbindungen mit Dampfdruckwerten von mehr als 0,01 kpa bei 293,15 K sowie solche, bei denen unter Arbeitsbedingungen entsprechende Dampfdruckwerte entstehen. Struktur von Mikroemulsionen Mikroemulsionen sind Systeme aus Wasser, Öl und amphiphilen Komponenten. Letztere haben einen hydrophilen und einen lipophilen Teil und heißen Surfactants, oberflächenaktive Stoffe oder Tenside. Als Beispiele für typische Surfactants in einer Mikroemulsion zeigt Abb. 1 die Strukturformeln von Natriumdodecylsulfat (SDS, linear) und vom Natriumsalz einer Sulfobernsteinsäure (AOT) mit komplexerer Struktur. Mikroemulsionen sind als Sonderform einer Dispersion anzusehen und verhalten sich normalerweise wie Newtonsche Flüssigkeiten: Selbst bei hoher Tröpfchenkonzentration ist ihre Viskosität ähnlich der von Wasser. Sie sind thermodynamisch stabil und selbstorganisierend und daher im Gegensatz zu Emulsionen unabhängig von äußerer Energiezufuhr. Nahezu das gesamte Surfactant befindet sich bei Mikroemulsionen an der Öl-Wasser-Grenzfläche. Daher ergeben sich dort hocheffiziente molekulare Packungen mikroemulsionsbildender Surfactants. Die molekulare Packung von Emulsionen ist dagegen ineffizient. Bei ihnen benetzt das Surfactant die Grenzfläche nur teilweise. Thermodynamisch betrachtet ist diese Konstellation sehr ungünstig. Durch Zusammenfließen formen die Tröpfchen Aggregate und verringern so den Öl-Wasser-Kontakt. Dies führt letztendlich zur Phasentrennung. Die innere Struktur eines Mikroemulsionssystems kann sehr unterschiedlich gestaltet sein. Abhängig von Konzentra tionen und Eigenschaften der Komponenten entstehen kugelförmige, sphäroide oder zylindrische Micellen. Diese können in hexagonalen, kubischen, lamellaren oder bikontinuierlichen Phasen vorliegen. In jedem Fall sind die in Mikroemulsionssystemen gebildeten relativen Ölund Wasserdomänen normalerweise so klein (im Bereich von 10 bis 20 nm), dass keine Lichtstreuung stattfindet. In Emulsionssystemen sind diese Strukturen groß genug, um eine Lichtstreuung zu bewirken. Dadurch erscheinen sie als vergleichsweise trübe, kolloidale Lösungen. Aufgrund dieser sichtbaren physikalischen Eigenschaften sind Mikroemulsionen von Emulsionen unterscheidbar: Mikroemulsionen sind einphasig und transparent, während Emulsionen opalisierend bis trübe und mehrphasig sind.beide Systeme sind darüber hinaus durch Messung der Oberflächenspannung an der Öl-Wasser- Grenzfläche differenzierbar. Die Oberflächenspannung von Öl-Wasser-Grenzflächen beträgt etwa 50 mnm-1. Grenzflächen-Oberflächenspannungen von Emulsionen liegen typischerweise im Bereich von 20 bis 50 mnm-1. Mikroemulsionen haben Grenzflächen- Oberflächenspannungen von unter 20 mnm-1. Fehlt direkter Öl-Wasser-Kontakt, ergeben sich Werte von 10-3 bis 10-6 mnm-1. Reinigen mit Mikroemulsionen Die Reinigungseigenschaften wässriger Mikroemulsionen unterscheiden sich von denen der Emulsionen. Die Surfactants in Emulsionen verdrängen das Öl und dispergieren es teilweise im Wasser. Surfactants in Mikroemulsionen verdrängen und dispergieren das Öl und emulgieren es zusätzlich im Wasser. Dabei löst sich das Öl unter Umständen vollständig im Lösemittel. Dieser Mikroemulsionsprozess hat sich bei Reinigungsanwendungen an harten Oberflächen in der Tinten-, Druck- und Lackindustrie als besonders wirksam erwiesen. Durch Bildung einer Öl-Wasser(O/W)-Mikroemulsion lässt sich Öl aus einer Ölphase aufnehmen und mit gleich gutem Erfolg Öl von einer Öl-beschichteten festen Oberfläche oder Partikeln entfernen. Weiterhin werden innerhalb des O/W- Mikroemulsionsumfeldes alle Ölpartikel wirksam innerhalb der Surfactant-Monoschicht eingekapselt (siehe Abb. 2). So wird jeglicher Kontakt mit der ursprünglichen Oberfläche, also mit dem Feststoff, unterbrochen. Daher sind dann mit Öl verunreinigte Oberflächen vollständig mit Wasser benetzt. Man kann sich dies so vorstellen, dass das verunreinigende Öl durch den Vorgang der Mikroemulsionsbildung zuerst löslich gemacht und dann in dem wässrigen Lösemittel gelöst wird. Die Reinigungswirkung von Mikroemulsionssystemen beruht also auf drei Punkten: Erstens Durchdringen der verunreinigenden Schicht, zweitens Mikroemulgieren der Ölkomponenten in die wässrige Phase und drittens Benetzen der darunter liegenden festen Oberflächen. Je nach Konzentration der aktiven Substanz einer Mikroemulsion treten verschiedene Reinigungsmechanismen auf: Bei hohen Konzentrationen aktiver Substanzen ist das dominierende Verhalten die Reinigung durch Emulgation der Verschmutzung im wässrigen Lösemittel. Bei niedrigeren Konzentrationen

2 Seite/Page: 2 aktiver Substanzen wie beim standardmäßigen Einsatz einer wässrigen Verdünnung findet zudem eine Verdrängungsreaktion mit einer nicht mischbaren Substanz statt. Die Reinigungseffizienz lässt sich folglich mit einer wässrigen Verdünnung steigern. Mikroemulsionen in der Praxis Aktueller Stand der Technik ist es, O/ W-Mikroemulsionssysteme mit Co-Surfactants als Emulgatoren zu versetzen. Dadurch wird die Bildung, Effizienz und Öl-Solubilisierungsfähigkeit von O/W-Mikroemulsionsystemen häufig überhaupt erst ermöglicht. Allerdings ist dieses Vorgehen heute nicht mehr zeitgemäß, da Emulgatoren typischerweise als flüchtige Kohlenwasserstoffe (VOC) klassifiziert sind. Neuartige Surfactants, die Mikroemulsionen und mikroemulsionsbildende Systeme sind, machen Co- Surfactants des VOC-Typs überflüssig. In der Vergangenheit gab es Probleme beim Verdünnen solcher ternärer Mikroemulsionssysteme vor Ort. Denn wird das Konzentrat mit Wasser verdünnt, ergeben sich nichtfunktionelle Phasenbereiche wie Gel, flüssige Kristalle, mesomorphe Phasen und/oder Mehrphasenbereiche der Verdünnungsvorgang kann demnach in Mikroemulsionssystemen eine Phasentrennung bewirken. Die neuen Mikroemulsionsreiniger sind dagegen in jeder gewünschten Konzentration einsetzbar. Gut konzipierte Mikroemulsionsysteme sind durch chemische Modifikationen optimierbar. Zusätzlich können beispielsweise Komplexbildner, Flockungsmittel, Gerüstsubstanzen, Korrosionshemmer, Viskositätsverstärker und Biozide in die Formulierungen eingebaut werden. Sie beeinträchtigen weder das Leistungsniveau noch die Stabilität der Mikroemulsion. Darüber hinaus können Mikroemulsionsprodukte so ausgebildet sein, dass selbst extreme Veränderungen von Umweltfaktoren sie nicht schädigen und sie weiterhin stabil funktionieren (etwa in einem Temperaturbereich von 0 C bis maximal 100 C). Ein neuartiger Mikroemulsionsreiniger wird momentan zur Großreinigung in Farb- und Lack- Unternehmen angewendet. Der bei Raumtemperatur wirkende ph-neutrale, VOC-freie, nicht brennbare und leicht biologisch abbaubare Reiniger ersetzt hier Abbeizer, lösemittelhaltige und alkalische Reiniger. In Testversuchen konnten Grundierungen, 2-K- und 1-K- Kleber, Rußpaste, Alkydfarbe, Tiefdruckfarbe, 2-K-Grafitti und Mischungen aus Beschichtungen/ Farbstoffen/ Klebern von unterschiedlichsten Oberflächen entfernt werden. Aktuelle Anwendungsbeispiele zeigen die Abb. 3, 4 und 5. Hierbei wurde der Mikroemulsionsreiniger in einer Konzentration von 20 % Reiniger in 80 % Wasser eingesetzt. Nach Abschluss des Reinigungsprozesses können die Phasen des Reinigers mit einem Splitter (z.b. NaCl) wieder getrennt werden. So ist es möglich, Pigmente und organische Bestandteile kostensparend getrennt von der wässrigen Phase zu entsorgen. s - Die so produzierten Reiniger sind ph-neutral, nicht toxisch, nicht brennbar, biologisch abbaubar und reinigen bei Raumtemperatur. - John W.F. Harrison, geboren 1972, studierte Umweltwissenschaften an der Universität von Aberdeen. Er ist der Erfinder eines VOCfreien Mikroemulsionsreinigers und Gründer der Firma Aboleo Ltd, Schottland. Im Laufe der Jahre erhielt John W. F. Harrison mehrere dotierte Auszeichnungen im Bereich der Mikroemulusionstechnik. - Daniel Kieser, geboren 1983, studierte Chemieingenieurwesen an der Europa Fachhochschule Fresenius in Idstein. Seit 2007 arbeitet er für die Firma Velox in Hamburg. Er trägt die technische Verantwortung für die Mikroemulsionstechnik, PUR-Chemie und Spezialadditive für Farben und Lacke. Außerdem unterstützt er europaweit das Verkaufsteam. t Ergebnisse auf einen Blick - Mikroemulsionstechnik ermöglicht VOC-freie Hochleistungsreiniger: Oberflächenaktive Stoffe in den Mikroemulsionen verdrängen und dispergieren das Öl und emulgieren es zusätzlich im Wasser.

3 Seite/Page: 3 Abb. 1: Strukturformeln von Natriumdodecylsulfat (SDS, linear) und des Natriumsalzes einer Sulfobernsteinsäure (AOT)

4 Seite/Page: 4 Abb. 2: Struktur von in Mikroemulsionssystemen gebildeter normaler Micellen

5 Seite/Page: 5 Abb. 3: Reinigung eines verschmutzten Farbansatzbehälters

6 Seite/Page: 6 Abb. 4: Rote Vinyl-Tiefdruckfarbe, entfernt mit Mikroemulsionsreiniger

7 Seite/Page: 7 Abb. 5: Reinigung von eingetrockneten Farbresten auf einer Produktionsfläche

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