Dispergierprobleme lösen

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1 Seite/Page: 1 Dispergierprobleme lösen Ein neues Alkylalkanolamin, das speziell für wasserbasierende Beschichtungen entwickelt wurde, zeigt außergewöhnlich gute Benetzungseigenschaften bei der Verarbeitung von Pigmenten, Trübungsmitteln und Füllstoffen. Dieses Additiv löst Dispergierprobleme bei Pigmentpasten, Slurries und anderen Dispersionen. Dabei kann sogar der Anteil der Pigmente und Dispergiermittel reduziert werden. Alkylalkanolamin verbessert die Dispergierung von Pigmenten und Füllstoffen in wässrigen Systemen Jean-Pierre Lallier, Colombes, Frankreich Wässrige Pigmentkonzenzentrate sind Formulierungen, die aufgrund mehrerer kritischer Faktoren schwer herzustellen sind. So ist ein sehr hoher Pigmentgehalt zu erzielen in einem Lösungsmittel, das mit den meist hydrophoben organischen Pigmenten nur wenig kompatibel ist. Ein neues Additiv, sec-butylethanolamin (sbea) wurde entwickelt, um diese Art von Problemen zu lösen. Neben technischen bringt sbea auch wirtschaftliche Vorteile mit, da sich bei seinem Einsatz sowohl die Anteile an Dispergiermitteln als auch Pigmentkonzentrat reduzieren lassen. sbea ist ein neutralisierendes und co-dispergierendes Amin für wasserbasierende Beschichtungen mit geringem Geruch, verminderter Flüchtigkeit und ohne Formaldehydemissionen. Selbst bei anspruchsvollen Formulierungen, etwa mit neuen Latices, hohem Pigmentund Füllstoffgehalt und sogar hohem Bindemittelanteil, sorgt es für leistungsfähige Lacke und Farben. Verbesserte Benetzung der Pigmentagglomerate Bei der Zubereitung eines Pigmentkonzentrats gilt es, einen ausreichenden Stabilisierungsgrad der Pigmente zu erreichen, sodass diese im dispergierten Zustand bleiben. Die Dispergierung und Stabilisierung kann in drei Schritte unterteilt werden [1] (Abb. 1): - Benetzung der trockenen Pigmentagglomerate durch die Flüssigkeit - Trennung der Pigmentpartikel in den Trockenpigmentagglomeraten durch das Dispergiermittel (Separationsphase) - Stabilisierung der Pigmentpartikel In einem Trockenpigmentagglomerat liegen die Pigmentpartikel nicht frei vor, sondern sind aneinander gebunden. Sie müssen daher zunächst mit Wasser oder einer anderen Flüssigkeit möglichst gut benetzt werden. Das gelingt, wenn die Oberflächenspannung der Flüssigkeit geringer ist als die Oberflächenenergie des Trockenpigmentagglomerats. Normalerweise zeigen hydrophobe organische Pigmente jedoch nur eine geringe Oberflächenenergie, während Flüssigkeiten wie Wasser eine hohe Oberflächenspannung aufweisen. Für eine Benetzung ist daher die Oberflächenspannung der Flüssigkeit zu vermindern und/oder die Oberflächenenergie der Pigmente zu erhöhen. Mit Hilfe von sbea gelingt beides sehr effizient: Das Additiv ist in der Lage, die Oberflächenspannung des Wassers wirkungsvoll zu senken und zugleich die Oberfläche des Agglomerats hydrophiler zu machen. Die chemische Formel von sbea lautet: CH3CH2CH(CH3)NHCH2CH2OH Hydrophobe Hydrophile Gruppe Gruppe sbea ist ein Alkylalkanolamin, trägt also sowohl eine Alkohol- als auch eine Aminfunktion. Während die meisten Amine oder alkalischen Basen, wie Ammoniak oder Natriumhydroxid, die Oberflächenspannung von Wasser nicht deutlich reduzieren, vermindert sbea diese aufgrund seiner amphiphilen Struktur sehr effektiv bis auf 27 mn/m. Dank ihrer hydrophoben Alkylgruppe können sbea- Moleküle an die hydrophobe Oberfläche des Trockenpigmentagglomerats adsorbieren. Die hydrophile Aminoethanolgruppe des Moleküls ragt heraus und erzeugt so eine hydrophile Schicht auf der Agglomeratoberfläche. Dieser Effekt steigert die Verträglichkeit zwischen Trockenpigmentagglomeraten und Wasser. Effektiv stabilisieren Nach dieser Benetzungsphase werden die benetzten Pigmentagglomerate gemahlen, um sie in einzelne Pigmentpartikel aufzuspalten. Dieser Vermahlungsschritt erfordert sehr viel Energie je kleiner die Pigmentpartikel, umso mehr Energie ist erforderlich, um sie zu trennen. Nach der Trennung müssen die Partikel mit einem Dispergiermittel stabilisiert werden, um eine Ausflockung zu verhindern. In den meisten Fällen werden große Moleküle (Oligomere) mit einer amphiphilen Struktur als Dispergiermittel eingesetzt. Ein Molekülteil soll eine gute chemische Affinität zu den aktiven Zentren der Pigmentoberfläche aufweisen und der andere Teil eine gute chemische Affinität zu der flüssigen Phase (Abb. 2). Um die Ausflockung der Pigmentpartikel zu verhindern, lassen sich zwei Strategien verfolgen: die elektrostatische Stabilisierung und die sterische Stabilisierung. Im ersten Fall erhalten alle Partikel eine gleichsinnige elektrostatische Ladung, sodass sie sich gegenseitig abstoßen. Im zweiten Fall werden die Partikel mit einer Polymerschicht überzogen. Bei Kontakt mit dem Lösungsmittel entfaltet diese raumgreifende Elemente, die die Pigmentpartikel auf Abstand halten. Moleküle mit einer Tensidstruktur, so wie sbea, fördern die gleichmäßige Adsorption der Dispergiermittelmoleküle auf der Pigmentoberfläche. Es wird weniger Dispergiermittel benötigt. Eine effektive Stabilisierung verhindert eine Ausflockung der Partikel. Dispergiermittel einsparen Um die Leistungsfähigkeit von sbea zu demonstrieren, wurde eine Testformulierung mit einem sehr geringen Dispergiermittelgehalt angesetzt (Tab. 1). Die Formulierung enthielt ein hydrophobes Kupfer-Phthalocyanin-Pigment ("Ciba Irgalite Blau GLO"). Als Dispergiermittel diente "Coadis 123K", ein Kalium-Polycarboxylat in wässrigem

2 Seite/Page: 2 Form, das ein hydrophobes Dispergiermittel mit sehr hoher Wasserresistenz darstellt. Bei herkömmlichen Verfahren beträgt der Dispergiermittelgehalt ca. 15% des Pigmentgewichts, bei einem Pigmentgehalt von 27,98 % würde eine klassische Formulierung daher einen Dispergiermittelgehalt von etwa 4,2 % haben. Für die Testformulierung wurde diese Menge halbiert und die andere Hälfte (2,1 %) durch verschiedene Basen bzw. andere Neutralisationsmittel ersetzt. Unter diesen besonderen Bedingungen - ohne Verwendung von sbea - können Ammoniak, Natriumhydroxid, Monoethanolamin oder andere klassische Stoffe keine effiziente Benetzung oder Dispergierung erzeugen. Die Benetzung des Trockenpigments ist sehr schlecht mit deutlicher Ausflockung und das Endergebnis weist eine starke Sedimentierung auf (Abb. 3a). Enthielt die Formulierung jedoch sbea, ließ sich dagegen ein homogenes Pigmentkonzentrat gewinnen, das nicht ausflockt oder sedimentiert (Abb. 3b). Mit sbea ist es daher möglich, den Dispergiermittelgehalt zu halbieren und eine Kostensenkung zu bewirken Paste kaum ins Gewicht. Der wirtschaftliche Vorteil liegt klar auf der Hand. Referenz [1] Beetsma, Jochum, SpecialChem Web-Seminar, Pigment Dispersion & Stabilisation in Practice, 9. Dezember Ergebnisse auf einen Blick - Das Alkylalkanolamin sec-butylethanolamin (sbea), wurde speziell für wasserbasierende Beschichtungen entwickelt. - Es zeigt eine hohe Neutralisierungsleistung, geringe Volatilität, gute ph- und Viskositätsstabilität sowie nur schwachen Geruch. - Aufgrund seiner amphiphilen Struktur fungiert sbea als Tensid und benetzt Pigmente, Trübungsmittel und Füllstoffe besonders gut. - sbea hilft, Dispergierprobleme bei Pigmentpasten, Slurries und anderen Dispersionen zu lösen. - Dabei können der Anteil der Pigmente und Dispergiermittel reduziert und dadurch Kosten gespart werden. Bessere Benetzung von Pigmenten und Füllstoffen Es wurden mehrere blaue Pigmentpasten mit geringem Dispergiermittelzusatz, die sich lediglich im verwendeten Neutralisationsmittel unterschieden, zubereitet und ihre Stabilität beurteilt. Dimethylethanolamin wird in Pigmentpasten am häufigsten verwendet. Daneben wurden Ammoniak, Monoethanolamin sowie sbea getestet. Bei dem geringen Gehalt an Dispergiermittel in der Testformulierung ließ sich bei Zusatz von Ammoniak keine akzeptable Stabilität erzielen, diese Paste wurde daher nicht weiter betrachtet. Die anderen Amine ergaben stabile Pasten. Diese Pasten wurden dann mit klassischer, seidenmatter weißer Farbe auf Styrolacryllatex in unterschiedlichen Mengen vermischt und der resultierende Blauton der erhaltenen Farben beurteilt.abb. 4 zeigt die Auswirkung der verwendeten Amine auf den Farbort b* der jeweiligen Abtönungen. So sind 4 g der mit Monoethanolamin oder Dimethylethanolamin versetzten Paste notwendig, um einen korrekten b*-wert zu erhalten. Wird eine sbea-haltige Paste eingesetzt, reichen bereits 2 g der Paste, um den gewünschten Farbwert zu treffen. Das heißt, dass der Farbzusatz in der endgültigen Farbe durch sbea um 50 % reduziert werden kann. Ein Kostenvergleich Auf der Basis der Ergebnisse dieser Vergleichstests wurde eine Kostenrechnung durchgeführt, welche di Neutralisationsmittel in der Paste aufzeigt. Für die Pigmentpaste wurde die in Tab. 1 aufgeführte Formulierung mit 2,1 % der verschiedenen Amine zu Grunde gelegt. Der Preis von sbea ist höher als der von Monoethanolamin und Dimethylethanolamin. Die Differenz beträgt maximal 2 EUR/kg. Es werden 2,1 % Amin zugesetzt, was eine Kostensteigerung von 50 EUR pro Tonne Pigmentpaste bedeutet. Auf die fertige Farbe bezogen ergibt sich folgendes Bild: Bei einem mittleren Preis von 10 EUR/kg blauer Pigmentpaste und einer Reduzierung der Konzentration von 4 % auf 2 % Paste führt dies zu einer Kostenersparnis von 200 EUR/ t für die abschließende Beschichtung. Da die hergestellte Farb- oder Tintenmenge bezogen auf die Pigmentmenge wesentlich höher, fällt der höhere Preis der sbea-haltigen

3 Seite/Page: 3 Abb. 1: Prinzip der Dispergierung und Stabilisierung von Pigmenten

4 Seite/Page: 4 Abb. 2: Stabilisierung von Pigmentpartikeln

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6 Seite/Page: 6 Abb. 3: Blaues Pigmentkonzentrat (a) auf herkömmlicher Alkalibasis und (b) mit sbea

7 Seite/Page: 7 Abb. 4: Farbauswirkung der in der Farbbasis verwendeten Paste auf die endgültige Farbe: Benötigte Menge Paste, um einen b*-wert von 35,4 zu erreichen (in Gramm bei 100 g weißer Farbbasis), je nach eingesetztem Amin. MeoA = Monoethanolamin; DMeoA = Dimethylethanolamin

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