Chemie der physikalisch trocknenden Acrylat-Klebstoffe. Dr. Paul Birnbrich

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1 hemie der physikalisch trocknenden Acrylat-Klebstoffe Dr. Paul Birnbrich

2 Acrylat-Klebstoffe Klassifizierung physikalisch trocknende Dispersions Klebstoffe Lösemittelhaltige Klebstoffe Acrylat-Klebstoffe 2 K-, 1 K- Acrylate/Methacrylate chemisch trocknende (reaktive) yanacrylate UV/EB-Schmelzklebstoffe 2

3 hemie der physikalisch trocknenden Acrylat-Klebstoffe Lösemittel Klebstoff Polymer Lösung Dispersions Klebstoff Dispersionsklebstoff Polymer e Lösemittel Polymer Wasser Polymere: langkettige Moleküle die aus Monomeren aufgebaut wurden 3

4 hemie der physikalisch trocknenden Acrylat-Klebstoffe Lösemittelklebstoff Polymer Lösung Dispersionsklebstoff Dispersionsklebstoff Polymer e einphasig klare Lösung Viskosität abhängig vom Molekulargewicht enthält organisches Lösungsmittel zweiphasig weiß/milchig Viskosität unabhängig vom Molekulargewicht frei von organischen Lösemitteln 4

5 radikalisch Polymerisation (Lösem., Disp.) Monomeren: Polymer: R Acrylsäure : = Acrylsäuremethylester : = Radikal: R. statistisches opolymer Acrylsäurebutylester : = 5

6 hemie der physikalisch trocknenden Acrylat-Klebstoffe: vereinfachte Rezeptur Lösemittelhaltige Klebstoffe Dispersions Klebstoffe + + Monomere Radikalstarter Lösemittel Monomere Radikalstarter Wasser Stabilisator Temperatur Temperatur Polymer Lösung Dispersionsklebstoff Polymer e 6

7 hemie der physikalisch trocknenden Acrylat-Klebstoffe: Rezepturbestandteile (Lösem.,Disp.) Monomere Radikalstarter (Initiator) org. Lösemittel / Wasser Stabilisator (nur bei Disp.) harte Monomere (z.b. MMA, Sty, AN) weiche Monomere (z.b. Acrylsäureester) stabilisierende Monomere (z. B. Acrylsäure) vernetzende Monomere (z.b. n-methylol-ma) funktionale Monomere (z.b. HEA) Wasserstoffperoxid Persulfate (NaPS, APS, KPS) Azoinitiatoren Redoxinitiatoren Ethylacetat Kohlenwasserstoffe Aceton, Methylethylketon Wasser Emulgatoren (Seifen) polymere Stabilisatoren / Schutzkolloide 7

8 Lösungs Polymerisation Monomere omonomere Lösemittel Initiator Acrylester Vinylester Styrol Butadien -H -H -NH 2 -NHH 2 H Lösemittelklebstoff Polymer Lösung 8

9 Emulsions Polymerisation Monomere omonomere Wasser Emulgatoren Initiator Acrylester Vinylester Styrol Butadien -H -H -NH 2 -NHH 2 H R-Na RS 3 Na R-(H 2 -H 2 ) x H Dispersions -klebstoff Emulsion Polymer Dispersion 9

10 Polymer Dispersionen: Dimensionen 1 ml Dispersion enthält ca.: Teilchen 1 Teilchen enthält ca.: Makromoleküle ~ 1 µm 1 Makromolekül besteht aus ca.: Monomer Einheiten 10

11 Stabilisierung von Polymer Dispersionen elektrostatische Stabilisierung hemie & Prozess Variabeln Anionische Tenside Nicht ionische Tenside Ladung des Initiators sterische Stabilisierung Ladung funktionaler Monomere Schutzkolloide Wasserlösliche Spezies (hairy layers) 11

12 Mechanismus der Emulsions Polymerisation Mizelle Angeschwollen mit Monomer Dispersions Teilchen stabilisiert mit Emulgator radikal Initiator Wasser löslich R. wasserlösliche ligomere Monomer Tropfen Stabilisiert mit Emulgator 12

13 Variation der hemie Polymer Prozess Stabilisierungs Gruppen Vernetzungs Gruppen Teilchen Morphologie Teilchengröße u. Verteilung lineare Ketten (Meth)acrylate Vinylester H NH 2 S 3 Styrol S 4 hemische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Anwendungs Eigenschaften vernetzt N + NH

14 Variation der hemie Polymer Prozess Stabilisierungs Gruppen Vernetzungs Gruppen Teilchen Morphologie Teilchengröße u. Verteilung lineare Ketten (Meth)acrylate Vinylester Styrol NH H 2 H MAML NH DAAM + dihydrazide H H 2 GMA AAEM hemische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Anwendungs Eigenschaften vernetzt M 2+ Photo initiator H 3 H 2 H 2 UMA H 2 H 2 N NH 14

15 Variation der hemie Polymer Prozess Stabilisierungs Gruppen Vernetzungs Gruppen Teilchen Morphologie Teilchengröße u. Verteilung Teilchen Morphologie hemische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Anwendungs Eigenschaften 100 nm 100 nm 15

16 Viskosität als Funktion des Feststoffgehalts und der Teilchengrößeverteilung Viskosität [mpas] Monomodal Bimodal Viskosität hängt ab vom Feststoffgehalt Viskosität hängt ab von der Teilchengröße Viskosität hängt ab von der Teilchengrößeverteilung nm 800nm 150nm/800nm (25/75) mit multimodalen Dispersionen können Feststoffgehalte bis 70% realisiert werden Feststoffgehalt [%] 16

17 Schubmodul G hemie der physikalisch trocknenden Acrylat-Klebstoffe : Glasübergangsbereich von Polymeren Dynamisch Mechanische Thermische Analyse (DMTA) energieelastischer Bereich - glasartig - spröde - hohe Festigkeit - geringe Bruchdehnung - hoher Schubmodul G - Kettenrotation eingefroren - Entknäuelung eingefroren Glasübergangsbereich Tg entropieelastischer Bereich - gummi-/viskoelastisch - weich - geringe Festigkeit - hohe Bruchdehnung - niedriger Schubmodul G - Kettenrotation möglich - Entknäuelung möglich Temperatur Kraft Kraft Kraft Polymerknäuel Kraft Änderung der Bindungswinkel Rotation in den Kettensegmenten (Entknäuelung) 17

18 Tg beeinflussende Faktoren (grobe Trends) niedrige Glastemperatur Tg Monomere: weiche Monomere (Acrylsäureester) flexible Substituenten unpolare Gruppen Polymerarchitektur: niedriges Molekulargewicht verzweigtes Polymer unvernetztes Polymer Formulierung: Weichmacherzusatz hohe Glastemperatur Tg Monomere: harte Monomere (MMA, Styrol) voluminöse, starre Substituenten polare Gruppen Polymerarchitektur: hohes Molekulargewicht unverzweigtes Polymer vernetztes Polymer Formulierung: Weichmacherfrei 18

19 Filmeigenschaften von Poly(acrylaten) Glasübergangstemperatur (Tg) der Homopolymeren: Tg: +20 Tg: +8 Tg: -22 Tg: -54 H3 BMA MA EA BA Tg: Härte: Reißfestigkeit: Klebrigkeit: Dehnbarkeit: hoch hart hoch klebfrei gering niedrig weich niedrig klebrig hoch 19

20 Kohäsion (shear strength) hemie der physikalisch trocknenden Acrylat-Klebstoffe : Gegenläufige Eigenschaften von Haftklebstoffen Verbesserte Eigenschaften F Stand der Technik F Adhäsion (peel strength) 20

21 Filmbildungsprozess (Lösem.; Disp.) Lösungspolymerisation Emulsions Polymerisation -S 4 - -S - 4 -S Filmbildung Filmbildung Homogener Polymerfilm keine hydrophilen Komponenten Heterogener Polymerfilm hydrophile Komponenten 21

22 Filmbildungsprozess- Dispersion Wässrige Latex Verdampfen und Aufkonzentrieren Deformieren Koaleszens und Interdiffusion INTERN 22

23 Anwendungsfelder Anwendungsfelder Etiketten Klebebänder Folien Laminierung INTERN 23

24 Danke für Ihre Aufmerksamkeit 24