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Grundlagen zu Latexbindemitteln: eine Übersicht

Juni 10, 2020 08:52 PM

Bei Latex handelt es sich um eine Dispersion von Polymerpartikeln oder -tröpfchen in einer Flüssigkeit. So weit, so einfach. Chemie, Mechanik und Prozesse der Herstellung von synthetischem Latex (auch als Emulsionspolymer bezeichnet) sind jedoch ein wenig komplizierter. Hier finden Sie eine umfassende Übersicht über die wissenschaftlichen Prinzipien hinter Latex.

Es ist ziemlich wahrscheinlich, dass Sie gerade jetzt, während Sie diesen Artikel lesen, etwas berühren oder sehen, das ein Latexbindemittel enthält. Latex findet sich in Millionen von Produkten und sieht u. U. überhaupt nicht aus, wie man Latex in der Regel kennt: als Naturlatexhandschuhe im Krankenhaus oder Saft des Kautschukbaums. Was ist also Latex, wenn man über die einfachste Definition einer Dispersion von Polymerpartikeln in einer Flüssigkeit hinausgeht? Im Folgenden finden Sie eine Einführung zu Latex, auch als Emulsionspolymer oder kolloidal stabile Dispersion bezeichnet, seiner Chemie und der unzähligen Anwendungen weltweit.

Von Naturlatex zu synthetischem Latex

Naturlatex ist eine milchige weiße Substanz, die hauptsächlich aus dem Kautschukbaum (Castilla elastica) gewonnen wird. Wegen der Verknappung der Naturkautschukressourcen während des Zweiten Weltkriegs suchten Wissenschaftler nach einer synthetischen Alternative. 1942 gelang erstmals die Herstellung von synthetischem Kautschuk. Hier erfahren Sie mehr über die Geschichte der Styrolbutadien-Emulsionspolymerisation.

Bei natürlichem und synthetischem Latex handelt es sich gleichermaßen um eine Dispersion mikroskopisch kleiner Polymerpartikel und Wasser. Aufgrund der ionischen oder steretischen Stabilität sinken die Partikel in der wasserbasierten Emulsion nicht ab und schwimmen auch nicht auf der Oberfläche. Ebenso erfolgt keine Koagulation. Die ionische Stabilität ist das Ergebnis der der Ionenladung der Partikel, die eine Kraft erzeugt, die der Agglomeration entgegenwirkt. Steretische Stabilität entsteht, wenn die Oberflächen der Polymerpartikel in die Lösung eindringen und die Partikel physisch voneinander getrennt halten. Die steretische Stabilität lässt sich mit Additiven aufrecht erhalten, was die Koalugation zusätzlich hemmt.

Eine weitere markante Eigenschaft von Latex ist sein Erscheinungsbild. Da sich die Polymerpartikel nicht in Wasser lösen, streuen sie das Licht und machen die Flüssigkeit damit undurchsichtig. Milch ist mit ihrer markanten weißen Farbe ein herausragendes Beispiel für ein Emulsionspolymer.

Synthetisches Latex: die Grundlagen

Latex besteht in der Regel jeweils zur Hälfte aus Partikeln und Wasser. Es entsteht durch Emulsionspolymerisation. Bei der Polymerisation reagieren Monomere miteinander und bilden Polymerketten. Bei der Emulsionspolymerisation erfolgt die Polymerisation von Monomeren oder Monomergemischen in einer wässrigen Tensidlösung bzw. einer kollodial stabilen Lösung. Hierbei entsteht Latex.

Jedes Jahr werden über 13 Millionen Tonnen Polymeremulsionen hergestellt. Der Großteil hiervon kommt in der ursprünglichen wässrigen Form auf den Markt, der Rest wird vor dem Verkauf zu einem Pulver getrocknet. Zu den gefertigten Produkten zählen Lacke, Bindemittel, Laufbahnen, Fugen- und Dichtstoffe, Tinten, Polstermaterialien und vieles mehr. Das Klebeband in Ihrer Schreibtischschublade, die Rückenbeschichtung Ihres Teppichs, die Polsterung Ihrer Sneaker, die Beschichtung Ihres Pizzakartons und die Dachziegel Ihres Hauses profitieren von der Performance und Robustheit von Latex.

Polymerisation und Glasübergang

Polymere lassen sich durch zwei unterschiedliche Arten von chemischen Reaktionen bilden, Kettenreaktionen und Stufenwachstumsreaktionen. Die Kettenpolymerisation erfolgt durch den sogenannten Aktivierter-Kettenenden-Mechanismus. Hierbei reagiert ein Monomer mit dem aktiven Kettenende des vorherigen Polymers. Dieser Prozess muss eingeleitet werden, um reaktiven Gruppen zu bilden. Die nachfolgenden Monomeradditionen erfolgen jedoch in Form einer Kettenreaktion. Bei der Stufenwachstumsreaktion reagieren zwei Monomere zu Dimeren. Anschließend wird durch Anlagerung eines weiteren Monomers ein Trimer gebildet. Dieser Vorgang setzt sich stufenweise fort, bis ein Polymer mit hohem Molekulargewicht gebildet wurde.

Die Auswahl der Monomere für die Polymerisation bestimmt die finalen Eigenschaften des produzierten Polymers. Eine der wichtigsten Eigenschaften ist die sogenannte Glasübergangstemperatur (Tg). Bei diesem Temperaturbereich geht die Struktur fester Polymere in einen zähflüssigen Zustand über. Die Tg spielt eine entscheidende Rolle bei der Formulierung von Polymeren für eine spezifische Endanwendung. Allgemein lässt sich sagen, dass ein Polymer unterhalb der Tg in glasartiger, kristalliner Struktur vorliegt, wie beispielsweise die Plastikgabeln in Fastfood-Restaurants. Oberhalb der Tg geht ein Polymer in einen amorphen Zustand über und wird gummiartig (wie Hüpfkitt). Es lässt sich strecken und passt sich der Form des jeweiligen Behälters an, behält die Form unter Krafteinwirkung jedoch nicht bei.

Bei der Glasübergangstemperatur handelt es sich im Gegensatz zu einem Schmelzpunkt nicht um einen exakten Wert, sondern um einen Bereich. Chemiker versuchen, bestimmte Tg zu erreichen, um Polymere im gesamten Spektrum von glas- bis gummiartig zu erzeugen. Eine gute Faustregel hierbei ist, dass die Kombination mehrerer Monomere eine Tg ergibt, die zwischen den Homopolymer-Tg der einzelnen Monomere liegt. Beispielsweise weist Styrol eine Tg von 100°C auf. Bei Butadien liegt diese bei -85 °C. Ein Styrolbutadien-Copolymer weist eine Tg auf, die zwischen diesen Werten liegt.

Grundlagen der Latexfertigung

Die grundlegende Formulierung bei der Latexfertigung durch Emulsionspolymerisation umfasst die Gabe von hydrophobischen (wasserabstoßenden) Polymeren in einen Reaktionsbehälter mit Wasser sowie anderen zur Polymerformulierung gehörigen Inhaltsstoffen. Die Mischung wird dann erwärmt und gerührt. 200605-Latex-101-Overview-Steps-DE

Die drei Einflussfaktoren bei der Polymerbildung sind: Mechanik, Prozess und Chemie. Bei der Chemie handelt es sich um den komplexesten Faktor. Auf diesen gehen wir daher näher ein.

Mechanische Faktoren mit Einfluss auf die Latexbildung sind die Eigenschaften des Rührwerks (Form, Geschwindigkeit), die Dauer des Verbleibs im Reaktionsgefäß, der angelegte oder erzeugte Druck sowie die zugeführte Wärme. Variationen dieser Elemente bestimmen die Eigenschaften des Endprodukts wie Tg, Molekulargewicht, Zugfestigkeit, Klebrigkeit, Scherung und Flexibilität.

Das Verfahren hängt von der jeweiligen Polymeremulsion ab. In einigen Fällen werden alle Inhaltsstoffe gleichzeitig hinzugegeben, in anderen Fällen erfolgt dies über einen langen Zeitraum nacheinander. In einem abgestuften Prozess lässt sich das Monomerverhältnis im Lauf der Zeit ändern.  

Inhaltsstoffe und Variablen bei der Latexchemie

Die Chemie beschreibt die Reaktion der Inhaltsstoffe in einer Charge miteinander. Wasser ist als kontinuierliche Phase der Emulsion einer der wichtigsten Inhaltsstoffe. Weitere Inhaltsstoffe sind Chemikalien wie Tenside, Starter, Vinylcarbonsäure und zahlreiche Modifikatoren sowie weitere Additive wie Entschäumer, Rheologieadditive und Dispergiermittel in spezifischen Kombinationen. In unseren Blog-Beiträgen „Four Questions for Tailoring an Emulsion Polymer Recipe Part One“ und „Part Two“ gehen wir näher auf dieses Thema ein.

Vernetzung

Externe Vernetzung lässt sich z. B. durch die Einbettung von Vinylcarbon in das Polymer und die Verwendung von Additiven wie Melaminharz, Aziridin, Epoxid usw. erzeugen.

Latexbindemittel – ein unerschöpfliches Thema

Doch fürs Erste reicht es. Möchten Sie sich jetzt, da Sie mit den Grundlagen der Latexchemie vertraut sind, informieren, wie Sie Latex zum Vorteil Ihres Unternehmens einsetzen können? Lassen Sie uns besprechen, was wir für Sie tun können.

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