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2024-08-22T14:12:15Z

Mindestfilmbildetemperatur: bkl fix

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[[Datei:Latices.jpg|mini|Beispiele für Polymerdispersionen unterschiedlicher Teilchendurchmesser]]
[[Datei:Latex tem1.jpg|mini|TEM-Aufnahme eines Polystyrollatex]]

Als '''Polymerdispersion''' oder auch ''Polymerlatex'' bezeichnet man eine kolloidal stabile [[Dispersion (Chemie)|Dispersion]] von Polymerpartikeln in einer wässrigen Phase. Der Durchmesser der Polymerpartikel kann zwischen einigen 10 Nanometern und wenigen Mikrometern liegen. Je nach Teilchendurchmesser und Polymergehalt erscheinen Polymerdispersionen als mehr oder weniger trübe bis weiße Flüssigkeiten. Die kolloidale Stabilität der Dispersion wird meistens durch grenzflächenaktive Stoffe, wie [[Tenside]] oder [[Schutzkolloid]]e erzielt. Polymerdispersionen können durch verschiedene [[Polymerisation]]sverfahren (z. B. [[Emulsionspolymerisation]], [[Suspensionspolymerisation]]) direkt aus den Monomeren oder auch durch Dispergieren eines Polymeren hergestellt werden. Ein Beispiel für eine natürlich vorkommende Polymerdispersion ist der [[Milchsaft|Naturlatex]] des Gummibaumes (Hevea brasiliensis). Industriell werden Polymerdispersionen in großem Umfang produziert (s. a. [[Synthesekautschuk]]) und direkt – z. B. als [[Klebstoff]], [[Bindemittel]] für [[Dispersionsfarbe]]n und so weiter – oder als Zwischenprodukt in der Kunststoff- und Kautschukindustrie genutzt.

== Herstellung ==
Nach der Art ihrer Herstellung können Polymerdispersionen in Naturlatizes, synthetische Polymerdispersionen oder durch Dispergierung eines Polymers hergestellte Sekundärdispersionen eingeteilt werden.

=== Naturlatizes ===
Die wichtigste, natürlich vorkommende Polymerdispersion ist Naturlatex, der [[Milchsaft]] des Gummibaums (Hevea brasiliensis). Es handelt sich um eine Polyisoprendispersion mit > 97 % cis-1,4-[[Polyisopren]] und einer Teilchengröße zwischen 100 und ca. 1500 nm. Eine weitere, zumindest zeitweilig bedeutende Quelle ist der Guttaperchabaum (Palaquium gutta), dessen Milchsaft fast reines trans-1,4-Polyisopren enthält.

=== Synthetische Polymerdispersionen ===
Synthetische Polymerdispersionen werden durch Polymerisation der entsprechenden Monomere in der wässrigen Phase gewonnen. Zum Einsatz kommende Polymerisationsverfahren sind die Emulsionspolymerisation, die Suspensionspolymerisation sowie (als eine spezielle Form der Suspensionspolymerisation) die Miniemulsionspolymerisation. Die Teilchen werden dabei entweder während der Polymerisation in der wässrigen Phase gebildet (Emulsionspolymerisation) oder gehen durch Polymerisation der Monomertröpfchen aus diesen hervor (Suspensions- und Miniemulsionspolymerisation).

=== Sekundärdispersionen ===
Sekundärdispersionen werden durch Dispergierung eines Polymers in der wässrigen Phase erhalten. Dies kann z. B. durch Dispergieren einer [[Polymerlösung]] in Wasser und anschließendes Abdestillieren des Lösemittels erfolgen. Andere Verfahren sind das Ausfällen einer Polymerlösung in einem wassermischbaren Lösemittel durch Wasserzugabe oder die fortschreitende Dispergierung von Wasser in einem Polymer bis zum Auftreten einer Phaseninversion. Ein Beispiel für Sekundärdispersionen sind am Markt erhältliche [[Polyurethan]]dispersionen, die durch Dispergierung einer Lösung gewonnen werden.

== Stabilität von Polymerdispersionen ==
Polymerdispersionen sind im Allgemeinen thermodynamisch nicht stabil: Durch Koagulation der Dispersion, d. h. durch Zusammenlagern der einzelnen Polymerpartikel zu kompakteren Gebilden (dem Koagulat), wird die Grenzfläche <math> A_{PW} </math> zwischen den beiden Phasen und damit die innere Grenzflächenenergie <math>\Delta G_{PW} = \gamma_{PW} A_{PW} </math> des Systems drastisch reduziert (<math>\gamma_{PW}</math> ist die Grenzflächenspannung zwischen dem Polymeren und der wässrigen Phase). Wird beispielsweise durch eine elektrisch geladene Doppelschicht auf den Teilchen eine Energiebarriere für die Koagulation geschaffen, so spricht man von einem kinetisch stabilen bzw. metastabilen System. Die Dispersion ist damit immer noch thermodynamisch instabil, für eine Koagulation muss aber erst eine gewisse Energie (z. B. durch Scherung) aufgewendet werden, um die Energiebarriere zu überwinden.
[[Datei:Latex koagulat.jpg|mini|Koagulation einer nicht ausreichend stabilisierten Polymerdispersion in einer [[Exzenterschneckenpumpe]] ]]

Die Metastabilität der Polymerdispersionen ist bedeutend für ihre Anwendung und Verarbeitung. So können Polymerdispersionen durch entsprechend hohe Scherkräfte, wie sie z. B. in Pumpen, an Rohreinbauten (z. B. Blenden), Siebanlagen und so weiter auftreten, koagulieren. Beim Abmischen zu Farben, Klebstoffformulierungen und so weiter kann es durch ungeeignete Rührwerke (z. B. schnelldrehende Dissolverscheiben) zur scherinduzierten Koagulation kommen. Weiterhin besteht die Gefahr der Auslösung von Koagulatbildung durch einzelne Rezepturbestandteile, wie z. B. starke Säuren oder Basen (pH-Wert Änderung, Verminderung der Solvatisierung der hydrophilen Anteile an- bzw. kationischer Tenside), mehrwertiger Metallionen (ionische Vernetzung), Füllstoffe oder Pigmente ohne gleichzeitige, ausreichende Netzmittelzugabe (Emulgatormoleküle wandern von den Polymerpartikeln auf die Füllstoffteilchen) u. a. Weitere Ursachen für die Koagulation können starke Temperaturänderungen, Einfrieren oder ein starker Viskositätsanstieg des Serums (z. B. durch zu schnelle Zugabe von Verdickern) sein.

Die Stabilisierung von Polymerdispersionen kann erfolgen mit anionischen oder kationischen Tensiden durch Bildung einer elektrisch geladenen Doppelschicht oder durch sterische Stabilisierung mit nichtionogenen Tensiden oder Schutzkolloiden.

== Eigenschaften, Charakterisierung ==
Die interessierenden Eigenschaften und deren Charakterisierung hängen naturgemäß stark vom jeweiligen Anwendungszweck oder – bei Entwicklungsarbeiten – von der entsprechenden Fragestellung ab. Die nachfolgende Auflistung kann daher keinen Anspruch auf Vollständigkeit erheben, sondern nur einige Möglichkeiten aufzeigen.

=== Festkörper ===
Der [[Festkörpergehalt]] einer Polymerdispersion ergibt sich aus dem Anteil der nicht verdampfbaren Bestandteile. Den Hauptbestandteil machen die Polymerpartikel aus, weitere Anteile sind Emulgatoren, Schutzkolloide und andere in der wässrigen Phase gelösten Bestandteile (z. B. Salze). Hochsiedende Lösemittel und Weichmacher werden meist auch dem Festkörper zugerechnet, leichterflüchtige Lösemittel (z. B. als Filmbildehilfsmittel) dagegen nicht. Die Bestimmung erfolgt gravimetrisch durch Bestimmung des Verdampfungsrückstandes, üblicherweise wird auf die DIN EN ISO 3251 Bezug genommen.

=== pH-Wert ===
Die Bestimmung des pH-Wertes wird meist mittels einer Glaselektrode ausgestatteten Messgeräten vorgenommen (meist auf DIN 53785 verweisend). Die Einhaltung eines bestimmten pH-Wertes der Polymerdispersion ist für Anwendungen wichtig, bei denen der pH-Wert eine entscheidende Rolle spielt, beispielsweise bei der Formulierung von Dispersionsfarben, wo viele der eingesetzten Verdicker und Netzmittel starke pH-Abhängigkeiten aufweisen. Ferner ist der pH-Wert für die Stabilität der Dispersion selbst von Bedeutung, da anionische Tenside und im Polymer gebundene Säuregruppen (z. B. aus [[Methacrylsäure]]) nur im neutralen bis leicht basischen Bereich ausreichend zur kolloidalen Stabilisierung beitragen können.

=== Viskosität, Rheologie ===
Das rheologische Verhalten von Polymerdispersionen ist meist recht komplex und weicht häufig deutlich vom [[Newtonsches Fluid|newtonschen]] Fließverhalten ab. Lediglich schutzkolloidfreie Dispersionen mit sehr geringem Festkörpergehalt zeigen ein annähernd Newtonsches Verhalten. Meist liegt ein [[Thixotropie|thixotropes]] und/oder [[Strukturviskosität|strukturviskoses]] Fließverhalten vor. Durch Abweichungen bzw. Fehler bei der Herstellung (z. B. Emulsionspolymerisation) können auch [[Dilatanz (Fluid)|dilatante]] Dispersionen gebildet werden. Charakterisiert werden können die rheologischen Eigenschaften nur durch die Aufnahme von Fließkurven bei unterschiedlichen Scherraten. In der Qualitäts- bzw. Wareneingangskontrolle beschränkt man sich dennoch oft auf die Messung der Viskosität bei einer Scherrate mit dem Brookfield Rheometer (Viskositätsangabe dann unter Angabe von Geschwindigkeit und Spindelnummer). Speziell für genauere Messungen ist eine genaue Temperierung von Bedeutung.

=== Mikroskopische Methoden ===
Die konventionelle Lichtmikroskopie stößt bei den gängigen Polymerdispersionen mit Teilchengrößen im Bereich einiger hundert Nanometer an ihre Auflösungsgrenzen. Es ist zwar möglich, die [[Brownsche Bewegung]] der Teilchen bei stark verdünnten Dispersionen und nicht zu kleinen Teilchendurchmessern zu beobachten (besser: zu erahnen), Abmessungen oder gar innere Strukturen lassen sich aber nicht erkennen.

[[Datei:Latex tem2.jpg|mini|TEM-Aufnahme einer Dispersion aus Polyacrylsäureestern mit Inklusionen aus Polystyrol]]
Die derzeit effizienteste und aussagekräftigste, mikroskopische Charakterisierungsmethode für Polymerdispersionen ist die [[Transmissionselektronenmikroskop]]ie. Aufgrund der viel geringeren Wellenlänge der Strahlung können Einzelheiten bis zur Größe weniger Nanometer dargestellt werden. Da die Elektronenstrahlung die Polymere durchdringt, können neben der äußeren Gestalt auch innere Strukturen der Partikel abgebildet werden. Die Beispielaufnahme zeigt eine Dispersionen aus schwach vernetzten Partikeln aus Poly(Butylacrylat/Ethylacrylat), in denen in einem zweiten Polymerisationschritt Inklusionen aus Polystyrol (mit etwas [[Divinylbenzole|Divinylbenzol]]) gebildet wurden. Die Inklusionen wurden durch eine selektive Kontrastierung mit [[Ruthenium(VIII)-oxid|Rutheniumtetroxid]] (welches sich nur in der Polystyrol-Phase anlagert) sichtbar gemacht. Nachteilig ist der hohe apparative Aufwand sowie die Empfindlichkeit einiger Polymere (z. B. Acrylate) gegen die Elektronenstrahlung. Bei der Bestimmung der Teilchengröße anhand von TEM-Aufnahme muss berücksichtigt werden, dass gerade Partikel aus weicheren Polymeren auf dem Objektträger etwas „breitlaufen“ können und damit einen größeren Durchmesser vortäuschen.

[[Datei:Hohllatex rem1.jpg|mini|REM-Aufnahme eines [[Hohllatex]] mit unvollständiger Schale]]
Steht ein [[Rasterelektronenmikroskop]] zur Verfügung, so können zumindest die äußere Gestalt der Partikel und ihre Größe bestimmt werden. Rückschlüsse auf die innere Struktur sind i. A. nicht möglich.

[[Datei:Latex afm1.jpg|mini|AFM-Aufnahme einer Dispersion aus Polyacrylsäureestern mit Inklusionen aus Polystyrol.]]
Auch mit dem noch relativ jungem Verfahren der [[Rasterkraftmikroskop]]ie können die einzelnen Partikel von Polymerdispersionen sichtbar gemacht werden. Ähnlich wie bei der Rasterelektronenmikroskopie können nur die Ausmaße und die äußere Gestalt der Teilchen abgebildet werden, innere Strukturen bleiben unsichtbar. Im sogenannten „Tapping-Mode“ einiger Mikroskope können unterschiedliche mechanische Eigenschaften von einzelnen Phasen visualisiert werden. Das Beispielbild zeigt dieselbe Dispersion wie das TEM-Bild. Die harten, bis an die Oberfläche reichenden PS-Inklusionen sind in der weichen Acrylatmatrix aufgrund der abweichenden Phasenlage des Signals sichtbar (Materialkontrast, im Gegensatz zum TEM ''ohne'' spezielle Kontrastierung). Die relativ weichen Teilchen sind auf dem Objektträger (frisch gespaltener [[Glimmer]]) zusammengelaufen (verfilmt), so dass die ursprüngliche Kugelform nur noch zu erahnen ist.

=== Mindestfilmbildetemperatur ===
Für viele Anwendungen, wie z. B. als Klebstoffe oder Bindemittel in Beschichtungen ist die Fähigkeit der Polymerdispersionen, beim Eintrocknen einen durchgehenden Film zu bilden, von entscheidender Bedeutung. Beim Verdunsten des Wassers rücken die Partikel zunehmend enger zusammen, bis schließlich die zwischen den Partikeln wirkenden [[Kapillareffekt|Kapillarkräfte]] so groß werden, dass die Abstoßung durch Tenside oder Schutzkolloide überwunden wird und sich die Teilchen berühren. Sind die Partikel ausreichend verformbar, so werden sie durch die wirkenden Kräfte deformiert und verschmelzen schließlich zu einem durchgehenden Film. Für ein ausreichendes Verformungsvermögen der Polymerteilchen muss die Temperatur bei der Verfilmung oberhalb einer bestimmten Temperatur, der [[Mindestfilmbildetemperatur]] oder kurz MFT, liegen. Die MFT hängt naturgemäß stark mit der [[Glasübergangstemperatur]] des Polymeren zusammen, wird aber auch durch den Anteil an hydrophilen Polymerbestandteilen (wasserlösliche Monomere wie Methacrylsäure, [[Hydroxyethylmethacrylat]], [[Acrylamid]] und so weiter), die Partikelmorphologie (z. B. Kern/Schale), evtl. in der wässrigen Phase enthaltene Schutzkolloide, externe Weichmacher u. a. beeinflusst. Die Bestimmung der MFT erfolgt meist auf einer Filmbildebank mit Temperaturgefälle.

== Anwendungen ==
=== Klebstoffe ===
Im einfachsten Fall kann eine gegebenenfalls noch geringfügig modifizierte (Zugabe von Weichmacher, Verdicker) Polymerdispersion bereits als Klebstoff verwendet werden. Ein Beispiel ist der [[Kaltleim]] (oder Weißleim) in der Holzverarbeitung. Es handelt sich im Wesentlichen um eine oft mit [[Polyvinylalkohol]] stabilisierte [[Polyvinylacetat]]dispersion (meist copolymerisiert mit geringen Anteilen an [[Acrylsäurebutylester|Butylacrylat]] oder anderen Acrylsäureestern, [[Acrylamid]], [[Acrylsäure]] u. a.). Weitere Anwendungen sind Klebstoffdispersionen für Selbstklebeetiketten (Copolymere auf Basis [[Styrol]]-Butadien oder (Meth) Acrylsäureester) sowie Klebstoffe in der Bauchemie wie Fliesenkleber oder Kleber für Wärmedämmverbundsysteme (meist Copolymerisate aus Styrol und (Meth) Acrylsäureestern).

=== Dispersionsfarben ===
In [[Dispersionsfarbe]]n, wässrigen Lacken und ähnlichen Beschichtungen werden Polymerdispersionen als Bindemittel eingesetzt. Für Fassadenfarben kommen vorzugsweise witterungsbeständige Copolymere auf Basis von (Meth)Acrylsäureestern und Styrol zum Einsatz. Preiswertere Qualitäten basieren auf Vinylacetatcopolymeren mit Acrylsäureestern, für einige Spezialanwendungen auch Copolymere mit [[Maleinsäuredibutylester|Dibutylmaleinat]] (rissüberbrückende Systeme) oder mit Vinylestern der [[Versaticsäure]] (VeoVa-Monomere der Shell, verbesserte Witterungsbeständigkeit).

Innendispersionsfarben werden heute nur noch selten auf Basis von Styrolcopolymerisaten formuliert. Meistens werden Copolymere von [[Ethylen]], [[Vinylacetat]] und Acrylsäureestern verwendet. Für die Realisierung der heute zunehmend geforderten emissions- und lösemittelfreien Farben ([[Blauer Engel]]) werden weichmacherfreie Dispersionen mit relativ weichem Polymer (niedrige Glasübergangstemperatur) und geringem Restmonomeranteil eingesetzt.

Für die Formulierung wässriger Lacke setzt man überwiegend Polyurethan- oder Reinacrylatdispersionen ein. Letztere werden häufig unter Verwendung spezieller Comonomere hergestellt, die eine verbesserte Haftung des Lackes auf schwierigen Untergründen, eine Vernetzung der Teilchen nach dem Trocknen untereinander u. a. bewirken sollen.

Eine weitere (Nischen-)Anwendung finden sogenannte [[Hohllatex|Hohllatizes]] als Weißpigment. Es handelt sich um Dispersionen aus mehrphasigen Polymerpartikeln, die einen wassergequollenen Kern beinhalten. Beim Auftrocknen der Dispersion diffundiert das Wasser aus dem Kern heraus, das gequollene Polymer trocknet unter Schrumpfen ein und hinterlässt einen Hohlraum, an dem im Polymerfilm das Licht gestreut wird.

=== Kunststoffindustrie ===
Bei der Herstellung von Kunststoffen spielen Polymerdispersionen in einigen Fällen als Zwischenprodukt eine Rolle. Neben der Herstellung von [[Polyvinylchlorid|PVC]] und [[Polyacrylnitril]] werden vor allem [[Acrylnitril-Butadien-Styrol|ABS]] und schlagzähes PMMA über den Zwischenschritt einer Polymerdispersion hergestellt. Man nutzt hierbei die Möglichkeit der Emulsions- und Suspensionspolymerisation aus, mehrphasiger Polymerpartikel genau definierter Morphologie herstellen zu können, wie sie für die Schlagzähmodifizierung spröder Polymere notwendig sind. Nachteilig ist neben der Notwendigkeit des Abtrennens des Wassers die hohe Verunreinigung durch Tenside und Salze, die sich nachteilig auf die Produkteigenschaften (Verfärbungen, Zersetzungsneigung bei der Verarbeitung) auswirken können.

== Literatur ==
* D.C. Blackley: ''Polymer Latices'' (Bd. 1–3). Chapman & Hall, London 1997, ISBN 0-412-62870-8.
* R.M. Fitch: ''Polymer Colloids''. Academic Press, London 1997, ISBN 0-12-257745-0.
* Dieter Distler: ''Wäßrige Polymerdispersionen''. Wiley-VCH, Weinheim 1999, ISBN 3-527-29587-9.
* R. Athey: ''Emulsion polymer technology''. Marcel Dekker, New York 1991, ISBN 0-8247-7850-2.

[[Kategorie:Dispersion (Chemie)]]

Polymerdispersion - Versionsgeschichte

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