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Grundlagen zu Latexbindemitteln: Glasübergangstemperatur

Juni 10, 2020 09:17 PM

Die meisten von uns wissen sicher, was der Schmelzpunkt ist: die Temperatur, bei der ein Festkörper in einen flüssigen Zustand übergeht. Jedoch haben nicht alle Materialien einen festen Schmelzpunkt. Amorphe Polymere haben eine Glasübergangstemperatur. Hierbei handelt es sich nicht um eine feste Temperatur, sondern um einen Temperaturbereich, in dem sich die Eigenschaften der Polymere drastisch ändern.

Haben Sie sich je gefragt, warum Anstreichern die Temperatur so wichtig ist? Der Grund ist jedenfalls nicht, dass Anstreicher nur an Tagen mit angenehmer Temperatur gerne arbeiten, an denen es weder zu heiß noch zu kalt ist. Der Grund ist vielmehr, dass die verwendete, höchstwahrscheinlich latexbasierte Farbe sich am besten bei Temperaturen zwischen 10 und 20 °C verarbeiten lässt. Wird die Farbe außerhalb dieses Temperaturbereichs verarbeitet, trocknet sie womöglich nicht richtig. Sie haftet dann nicht gut an der Oberfläche, kann reißen oder sogar abblättern.

Diese Eigenschaft von Latexfarben ergibt sich daraus, dass es sich bei Latexbindemitteln um amorphe Polymere handelt, zu deren grundlegenden Merkmalen die Glasübergangstemperatur (Tg) gehört. Die Glasübergangstemperatur bestimmt die Eigenschaften gefertigter Polymere und ist deswegen extrem wichtig.

In diesem Artikel dreht sich alles um Tg: Worum es sich handelt, wie sie gemessen wird und wie sich mit ihrer Hilfe die Eigenschaften von Endprodukten beeinflussen lassen. Zunächst geht es um den Unterschied zwischen amorphen Polymeren und ihren kristallinen Gegenstücken.

Amorphe und kristalline Polymere im Vergleich

Es gibt zahlreiche Arten von Polymeren, darunter Plastikwerkstoffe, Kautschuk, Elastomere und Latex. All diese Materialien haben jedoch eines gemeinsam: Sie bestehen aus komplexen Strukturen, die von langkettigen Molekülen gebildet werden. Bei einigen, den sogenannten kristallinen Polymeren bilden die langen Molekülketten geordnete Strukturen, in denen die Molekülketten oft nebeneinander liegen. Bei den sogenannten amorphen Polymeren wiederum verschlaufen sich die Molekülketten nach einem zufälligen Muster.

Werden kristalline Polymere erhitzt, erreichen diese eine bestimmte Temperatur, bei der die langkettige Struktur in einen zufälligen, ungeordneten Zustand übergeht. Das Polymer verwandelt sich von einem Festkörper in eine Flüssigkeit. Diese Temperatur wird als Schmelzpunkt (Tm) bezeichnet. Beispielsweise hat Polypropylen einen Schmelzpunkt von 175 °C. Bei hochdichtem Polyethylen liegt der Schmelzpunkt bei 130 °C.

Amorphe Polymere schmelzen beim Erhitzen nicht plötzlich. Sie erreichen einen Temperaturbereich, bei dem das Material sich statt wie Glas eher wie Gummi verhält. Aus diesem Grund haben amorphe Polymere keinen Schmelzpunkt, sondern eine Glasübergangstemperatur (Tg). Die Glasübergangstemperatur eines bestimmten Polymers wird unter Umständen als Einzelwert angegeben. Hierbei handelt es sich jedoch immer um einen Durchschnitt, der aus einem Temperaturbereich berechnet wurde. Mehr dazu im folgenden Abschnitt.

Es soll noch angemerkt werden, dass es auch teilkristalline Polymere gibt, die sowohl amorphe als auch kristalline Ketten enthalten. Diese Polymere weisen sowohl einen Schmelzpunkt als auch eine Glasübergangstemperatur auf.

Messen der Tg

Chemiker messen die Glasübergangstemperatur amorpher Polymere mithilfe unterschiedlicher Verfahren. Das am häufigsten eingesetzte ist die dynamische Differenzkalorimetrie oder DSC (Differential Scanning Calorimetry). Bei einem Kalorimeter handelt es sich um ein Gerät, das die Menge der Wärme misst, die eine Probe im Gerät aufnimmt bzw. abgibt. Bei der DSC wird eine Polymerprobe im Gerät platziert und von Raumtemperatur auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt, beispielsweise -100°C. Im nächsten Schritt wird die Probe gleichmäßig von -100 °C auf 50°C oder eine ähnliche Temperatur erwärmt.

Ein mit dem System verbundener Computer misst die thermische Reaktion des Polymers und stellt das Verhältnis zwischen Wärmestrom und Temperatur in einer Kurve wie der unten gezeigten dar. Die Glasübergangstemperatur erscheint als Knick in der Kurve. Die Glasübergangstemperatur wird durch ein Halbhöhenverfahren berechnet, bei dem der Mittelpunkt des Knicks bzw. die Mitte des steil abfallenden Bereichs bestimmt wird.

200608-Glass-Transition-DE

Um zu verstehen, weshalb sich erhitzte amorphe Polymere auf diese Weise verhalten, müssen wir den Vorgang auf molekularer Ebene betrachten. Bedenken Sie, dass die langen Ketten amorpher Polymere zufällig angeordnet sind, die Bindungen der Ketten im glasartigen Zustand (d. h. unter Tg) jedoch nur geringe Segmentbewegungen zulassen, was das Material härter und spröder macht. Bei Tg lassen die Bindungen aufgrund der höheren thermischen Energie mehr Segmentbewegung zu, wodurch sich die Ketten mit merklicher Geschwindigkeit gegeneinander verschieben können. Hierbei verliert das Polymer seine glasartigen Eigenschaften und wird flexibler.

Wenden wir uns nun der Rolle zu, die der Tg bei der Entwicklung von Latexbindemitteln für spezifische Anwendungen zukommt.

Die Bedeutung von Tg

Der Übergang vom glasartigen zum gummiartigen Zustand geht mit drastischen Veränderungen der Eigenschaften amorpher Polymere einher, sodass sich anhand der Tg Polymere mit den passenden Eigenschaften für spezifische Anwendungen auswählen lassen. Beispielsweise fühlen sich Polymere mit niedriger Tg bei Raumtemperatur weich und biegsam oder sogar klebrig an. Ein Polymer mit einer Tg von etwa Raumtemperatur fühlt sich zäh und ledrig an. Polymere mit hoher Tg sind bei Raumtemperatur in der Regel hart und spröde. Die folgende Tabelle gibt die Glasüberganstemperaturen für mehrere wichtige Homopolymere an. Das sind Polymere, die aus einer einzigen Monomerart bestehen.

Monomer Polymer-Tg (°C) Klasse
Butadien -85 Weich
2-Ethylhexyl-Acrylat -60 Weich
n-Butylacrylat -54 Weich
Ethylacrylat -23 Weich
Methylacrylat +8 Mittel
Raumtemperatur: 20–25 °C
Vinylacetat +28 Mittel
Vinylchlorid +75 Hart
Acrylonitril +97 Hart
Styrol +100 Hart
Methylmethacrylat +105 Hart

 

Bei Copolymeren, also Polymeren aus zwei Arten von Monomeren verhält es sich mit der Tg ein wenig komplizierter. Dies liegt daran, dass die Tg durch die Zusammensetzung des Polymers verändert werden kann. Beispielsweise hat bei einer Styrolbutadien-Latexemulsion Styrol eine Tg von 100 °C. Bei Butadien sind es dagegen -85 °C. Das Mischungsverhältnis von Styrol und Butadien bestimmt die Tg.

Wenn wir die von Mallard Creek Polymers entwickelten Styrolbutadien-Latexbindemittel betrachten, wird die Bedeutung der chemischen Zusammensetzung anhand der Tg deutlich. Beispielsweise ist eine carboxylierte Styrolbutadienemulsion mit einer Tg von -56 °C bei Raumtemperatur besonders weich und damit bestens geeignet für Haftkleber. Ein anderes Styrolbutadien-Universalpolymer kann eine höhere Tg von -15 °C aufweisen, was dem Produkt eine geringe Steifigkeit verleiht, wodurch es einen weichen, jedoch robusten Film bilden kann.

Tg und die Mindestfilmbildungstemperatur

Farbe, Lacke und Klebstoffe müssen einen stabilen Latexfilm bilden können. Für Chemiker ist hierbei die sogenannte Mindestfilmbildungstemperatur (Minimum Film Formation Temperature, MFFT) von Bedeutung. Die MFFT bezeichnet die minimale Temperatur, bei der sich Latex einheitlich verbindet, wenn es als dünner Film auf eine Trägerschicht aufgetragen wird. Die MFFT liegt in der Regel im Bereich der Glasübergangstemperatur eines Polymers. Chemikern geht es jedoch darum, die optimale Balance zwischen geeigneter Filmbildung und Härte zu finden. Viele für Lacke und Farben verwendete Polymere werden extra so entwickelt, dass die MFFT niedriger liegt als die Tg, um die Filmbildung unter Beibehaltung der Endfestigkeit zu verbessern.

All dies bringt uns zurück zu den Anstreichern vom Anfang dieses Artikels. Diese kennen die Begriffe Glasüberganstemperatur und Mindestfilmbildungstemperatur vielleicht nicht, wenden die dahinterstehenden Prinzipien jedoch täglich an. Bei Mallard Creek Polymers bestimmen wir anhand der Tg, wie sich ein Latexprodukt bei den Temperaturen verhält, denen es in der Anwendung ausgesetzt wird. Unsere Experten besprechen gerne mit Ihrem Team die Anforderungen spezifischer Anwendungen und entwickeln eine Formulierung, die sich in allen Umgebungen durch überragende Leistungen auszeichnet. Wenden Sie sich noch heute an uns.

 

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