In letzter ArtikelWir haben die Entstehung von Dispersionsmitteln sowie einige ihrer Mechanismen und Funktionen vorgestellt. In diesem Abschnitt werden wir die verschiedenen Arten von Dispersionsmitteln in unterschiedlichen Epochen und ihre Entwicklungsgeschichte untersuchen.

Traditionelles niedermolekulares Netz- und Dispergiermittel
Das erste Dispergiermittel war Triethanolaminsalz einer Fettsäure, das vor etwa 100 Jahren auf den Markt kam. Dieses Dispergiermittel ist in allgemeinen industriellen Lackieranwendungen sehr effizient und wirtschaftlich. Seine Anwendung ist durchaus möglich, und seine anfängliche Leistung in mittelöligen Alkydharzsystemen ist zufriedenstellend.

In den 1940er- bis 1970er-Jahren wurden in der Lackindustrie anorganische und einige leichter dispergierbare organische Pigmente verwendet. Die Dispergiermittel dieser Zeit ähnelten Tensiden und besaßen an einem Ende eine Pigment-Ankergruppe und am anderen Ende ein harzkompatibles Segment. Die meisten Moleküle hatten nur einen Pigment-Ankerpunkt.

Aus struktureller Sicht lassen sie sich in drei Kategorien einteilen:

(1) Fettsäurederivate, einschließlich Fettsäureamide, Fettsäureamidsalze und Fettsäurepolyether. Beispielsweise die von BYK in den Jahren 1920–1930 entwickelten modifizierten Fettsäuren mit Blöcken, die mit langkettigen Aminen gesalzen wurden, um Anti-Terra U zu erhalten. Ebenfalls relevant ist BYKs P104/104S mit hochfunktionellen Endgruppen, basierend auf einer DA-Additionsreaktion. BESM® 9116 von Shierli ist ein Dispergiermittel mit deflockulierender Wirkung und ein Standarddispergiermittel in der Kittindustrie. Es zeichnet sich durch gute Benetzbarkeit, Anti-Sedimentations-Eigenschaften und Lagerstabilität aus. Zudem verbessert es die Korrosionsschutzeigenschaften und wird häufig in Korrosionsschutzgrundierungen eingesetzt. BESM® 9104/9104S ist ebenfalls ein typisches Dispergiermittel mit kontrollierter Flockung und mehreren Ankergruppen. Es bildet beim Dispergieren eine Netzwerkstruktur, die die Pigmentsedimentation und das Ausflocken von Farbe deutlich reduziert. Da die Rohstoffe für Dispergiermittel auf Fettsäurederivatbasis nicht mehr von petrochemischen Rohstoffen abhängig sind, sind sie erneuerbar.

(2) Organische Phosphorsäureesterpolymere. Diese Dispergiermittel besitzen ein universelles Verankerungsvermögen für anorganische Pigmente. Beispielsweise eignen sich BYK 110/180/111 und BESM® 9110/9108/9101 von Shierli hervorragend zur Dispergierung von Titandioxid und anorganischen Pigmenten und zeichnen sich durch eine ausgezeichnete Viskositätsreduktion, Farbentwicklung und Lagerstabilität aus. Darüber hinaus bieten BYK 103 und BESM® 9103 von Shierli bei der Dispergierung matter Suspensionen ebenfalls eine ausgezeichnete Viskositätsreduktion und Lagerstabilität.

(3) Nichtionische aliphatische Polyether und Alkylphenol-Polyoxyethylenether. Das Molekulargewicht dieser Dispergiermittel liegt im Allgemeinen unter 2000 g/mol. Sie eignen sich besonders für die Dispergierung anorganischer Pigmente und Füllstoffe. Sie benetzen die Pigmente beim Mahlen, adsorbieren effektiv an der Oberfläche anorganischer Pigmente und verhindern deren Schichtung und Ausfällung. Zudem kontrollieren sie die Ausflockung und verhindern das Auslaufen von Farbpigmenten. Aufgrund ihres geringen Molekulargewichts bieten sie jedoch keine effektive sterische Hinderung und verbessern weder Glanz noch Deckkraft des Lackfilms. Ionische Ankergruppen können nicht an der Oberfläche organischer Pigmente adsorbieren.

Dispergiermittel mit hohem Molekulargewicht
Ab 1970 wurden organische Pigmente in großem Umfang eingesetzt. Die Phthalocyaninpigmente von ICI, die Chinacridonpigmente von DuPont, die Azo-Kondensationspigmente von CIBA, die Benzimidazolonpigmente von Clariant usw. wurden in den 1970er Jahren industrialisiert und auf den Markt gebracht. Die ursprünglich verwendeten niedermolekularen Netz- und Dispergiermittel konnten diese Pigmente nicht mehr stabilisieren, weshalb neue hochmolekulare Dispergiermittel entwickelt wurden.

Diese Art von Dispergiermittel besitzt ein Molekulargewicht von 5000–25000 g/mol und eine große Anzahl an Pigmentankergruppen am Molekül. Die Polymerhauptkette sorgt für eine breite Kompatibilität, während die solvatisierte Seitenkette sterische Hinderung bewirkt, sodass die Pigmentpartikel vollständig deflockuliert und stabil sind. Hochmolekulare Dispergiermittel stabilisieren verschiedene Pigmente und lösen Probleme wie Farbauswaschungen und Flockenbildung, insbesondere bei organischen Pigmenten und Ruß mit kleiner Partikelgröße und Neigung zur Flockung. Hochmolekulare Dispergiermittel sind allesamt deflockulierende Dispergiermittel mit mehreren Pigmentankergruppen an der Molekülkette. Sie reduzieren die Viskosität der Farbpaste deutlich, verbessern die Farbstärke, den Glanz und die Farbbrillanz und erhöhen die Transparenz transparenter Pigmente. In wasserbasierten Systemen weisen hochmolekulare Dispergiermittel eine ausgezeichnete Wasser- und Verseifungsbeständigkeit auf. Allerdings können auch hochmolekulare Dispergiermittel Nebenwirkungen haben, die hauptsächlich auf die Aminzahl des Dispergiermittels zurückzuführen sind. Ein hoher Aminwert führt zu einer erhöhten Viskosität von Epoxidsystemen während der Lagerung; zu einer verkürzten Aktivierungszeit von Zweikomponenten-Polyurethanen (bei Verwendung aromatischer Isocyanate); zu einer verringerten Reaktivität von säurehärtenden Systemen; und zu einer abgeschwächten katalytischen Wirkung von Kobaltkatalysatoren bei lufttrocknenden Alkydharzen.

Aus chemischer Sicht lassen sich diese Dispergiermittel hauptsächlich in drei Kategorien einteilen:

(1) Hochmolekulare Polyurethan-Dispergiermittel, wie beispielsweise BYK 160/161/163/164, BESM® 9160/9161/9163/9164, EFKA 4060/4061/4063 sowie die neueste Generation der Polyurethan-Dispergiermittel BYK 2155 und BESM® 9248, sind typische Polyurethan-Dispergiermittel. Diese Dispergiermittel sind relativ früh auf dem Markt erschienen und weit verbreitet. Sie bieten gute Viskositätsreduktions- und Farbentwicklungseigenschaften für organische Pigmente und Ruß und galten lange Zeit als Standarddispergiermittel für organische Pigmente. Die neueste Generation von Polyurethan-Dispergiermitteln weist deutlich verbesserte Viskositätsreduktions- und Farbentwicklungseigenschaften auf. BYK 170 und BESM® 9107 eignen sich besonders für säurekatalysierte Systeme. Da die Dispergiermittel keine Aminbindungszahl aufweisen, wird das Risiko der Agglomeration während der Lacklagerung reduziert und die Trocknung des Lacks nicht beeinträchtigt.

(2) Polyacrylat-Dispergiermittel. Diese Dispergiermittel, wie beispielsweise BYK 190 und BESM® 9003, haben sich zu universellen Standarddispergiermitteln für wasserbasierte Beschichtungen entwickelt.

(3) Hyperverzweigte Polymerdispergiermittel. Die am häufigsten verwendeten hyperverzweigten Dispergiermittel sind Lubrizol 24000 und BESM® 9240. Es handelt sich dabei um Amide und Imide auf Basis langkettiger Polyester. Diese beiden patentierten Produkte stabilisieren Pigmente hauptsächlich über das Polyestergerüst. Ihre Fähigkeit, Ruß zu dispergieren, ist nach wie vor ausgezeichnet. Polyester kristallisiert jedoch bei niedrigen Temperaturen und fällt in der fertigen Farbe aus. Daher kann Lubrizol 24000 nur in Druckfarben eingesetzt werden. Dennoch zeigt es in der Druckfarbenindustrie eine sehr gute Farbentwicklung und -stabilität bei der Dispergierung von Ruß. Um die Kristallisationseigenschaften zu verbessern, wurden Lubrizol 32500 und BESM® 9245 entwickelt. Im Vergleich zu den beiden erstgenannten Kategorien weisen hyperverzweigte Polymerdispergiermittel eine sphärische Molekularstruktur und hochkonzentrierte Pigmentaffinitätsgruppen auf, was in der Regel zu einer hervorragenden Farbentwicklung und einer stärkeren Viskositätsreduzierung führt. Die Kompatibilität von Polyurethan-Dispergiermitteln lässt sich in einem breiten Bereich einstellen und deckt im Wesentlichen alle Alkydharze von lang- bis kurzkettig, alle gesättigten Polyesterharze und Hydroxyacrylharze ab. Sie können die meisten Ruße und organischen Pigmente verschiedener Strukturen stabilisieren. Da es im Molekulargewichtsbereich von 6000 bis 15000 Da noch viele verschiedene Qualitäten gibt, müssen Kunden die Kompatibilität und die optimale Zugabemenge prüfen.

Kontrollierbare Dispergiermittel für die radikalische Polymerisation
Nach 1990 verbesserte sich die Marktnachfrage nach Pigmentdispersionen weiter, es gab Durchbrüche in der Polymersynthesetechnologie und es wurde die neueste Generation von Dispergiermitteln für die kontrollierte radikalische Polymerisation entwickelt.

Die kontrollierbare radikalische Polymerisation (CFRP) zeichnet sich durch eine präzise gestaltete Struktur aus, mit einer Ankergruppe an einem Ende des Polymers und einem solvatisierten Segment am anderen. CFRP verwendet dieselben Monomere wie die konventionelle Polymerisation, jedoch sind die Monomere regelmäßiger auf den Molekülsegmenten angeordnet, und die Molekulargewichtsverteilung ist gleichmäßiger. Dadurch verbessert sich die Leistung des synthetisierten Polymerdispergiermittels deutlich. Diese effiziente Ankergruppe optimiert die Antiflockungswirkung des Dispergiermittels und die Farbentwicklung des Pigments erheblich. Das präzise solvatisierte Segment verleiht dem Dispergiermittel eine niedrigere Viskosität beim Vermahlen der Farbpaste und eine hohe Pigmentzugabe. Zudem ist das Dispergiermittel mit verschiedenen Harzbasismaterialien gut kompatibel.

Die Entwicklung moderner Beschichtungsdispergiermittel hat eine Geschichte von weniger als 100 Jahren. Auf dem Markt sind zahlreiche Dispergiermittel für verschiedene Pigmente und Systeme erhältlich. Hauptrohstoffe für Dispergiermittel sind nach wie vor petrochemische Rohstoffe. Die Erhöhung des Anteils nachwachsender Rohstoffe in Dispergiermitteln ist ein vielversprechender Entwicklungsansatz. Im Zuge der Weiterentwicklung werden Dispergiermittel immer effizienter. Sowohl ihre Viskositätsreduzierung als auch ihre Farbentwicklung und andere Eigenschaften verbessern sich kontinuierlich, und diese Entwicklung wird sich auch in Zukunft fortsetzen.

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