Silikon-Oberflächenaktive Zusatzstoffe. Hauptanwendungen und Vorteile

Einführung

Einführung: Silicon-Oberflächenadditive sind essenziell in vielen industriellen Anwendungen, wie zum Beispiel bei der Formulierung von Farben, Druckfarben und Beschichtungen. Ihr Hauptvorteil besteht darin, die Oberflächenspannung zu verringern und so die Benetzung auf verschiedenen Oberflächen zu verbessern. Darüber hinaus bieten sie spezifische Funktionen, die die Produktleistung steigern.

Mit über 75 Jahren Erfahrung ist Concentrol ein führender Experte in der Entwicklung und Herstellung von chemischen Spezialitäten. Im Laufe seiner Geschichte hat das Unternehmen Forschung und Innovation in den Vordergrund gestellt und bietet seinen Kunden kontinuierlich innovative chemische Lösungen, die auf ihre Bedürfnisse zugeschnitten sind.

Bei Concentrol produzieren wir Polydimethylsiloxan-Polyether-Copolymere, die die Basis unserer Silicon-Oberflächenadditive bilden. Diese Expertise ermöglicht es uns, einzigartige Strukturen zu entwerfen, die speziell auf jede Anwendung zugeschnitten sind und eine optimale Leistung sicherstellen. Unsere nicht hydrolysierbaren Polysiloxan-Polyether-Copolymere sind besonders widerstandsfähig gegen extreme Bedingungen und bieten langfristige Stabilität, selbst in anspruchsvollen Umgebungen.

Was sind Silicon-Tenside?

Silicon-Oberflächenadditive gehören zu einer speziellen Gruppe von Tensiden, bei denen eine hydrophobe Kette (Polydimethylsiloxan, PDMS) mit einer oder mehreren polaren Gruppen verbunden ist. Die am häufigsten verwendeten polaren Gruppen sind nicht-ionische Einheiten von Ethylenoxid (EO) und Propylenoxid (PO), obwohl es auch andere gibt. Die Länge der PDMS-Kette (bestimmt durch die x- und w-Einheiten) steuert das Molekulargewicht, während das Verhältnis dieser Einheiten den Verzweigungsgrad bestimmt. Die Verbindung zwischen den PDMS- und Polyethergruppen erfolgt über eine stabile, nicht hydrolysierbare Propylgruppe (-CH2CH2CH2-).

Das Verhältnis zwischen den EO- (n) und PO-Einheiten (m) beeinflusst die Polarität des Polyether-Segments, was seine Interaktion mit verschiedenen Oberflächen bestimmt. Die Gesamtzahl dieser Einheiten gibt das Molekulargewicht des Additivs an. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Endgruppe des Polyethers, die entweder eine Hydroxylgruppe (-OH) oder durch andere nicht reaktive funktionelle Gruppen ersetzt sein kann. Dies ist besonders relevant in Formulierungen, die reaktive Chemikalien wie Isocyanate enthalten, da hier nicht reaktive Endgruppen bevorzugt werden.

Auf der Oberfläche richtet sich der unpolare Teil des PDMS zur Luft hin aus, während der polare Teil mit der flüssigen Phase interagiert, was diesen Copolymeren ihre tensidähnlichen Eigenschaften verleiht. Durch die Reduzierung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten verringern sie den Kontaktwinkel zwischen der Beschichtung und dem Substrat, was die Benetzung der Oberfläche verbessert.

Abbildung 1: Allgemeine Struktur eines Copolymers aus Polydimethylsiloxan und Polyether.

Anwendungen und Vorteile

Silicon-Benetzungsmittel sind unerlässlich in Formulierungen, die für Oberflächenbehandlungen wie Farben, Beschichtungen, Lacke und Druckfarben verwendet werden. Diese Additive sind ungiftig, hochwirksam in geringen Konzentrationen und kompatibel mit einer Vielzahl von wasser- und lösemittelbasierten Systemen. Additive mit niedrigem Molekulargewicht sind besonders wirksam bei der Vermeidung häufiger
Oberflächenfehler wie Krater und Fischaugen. Sie verbessern auch das Nivellieren und reduzieren die Oberflächenspannung erheblich, was sie ideal für wasserbasierte Formulierungen oder schwer benetzbare Oberflächen macht. Sie werden häufig in Systemen verwendet, bei denen mehrere Schichten aufgetragen werden müssen.

Additive mit mittlerem und hohem Molekulargewicht spielen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Vermeidung von Oberflächenfehlern, obwohl ihr Einfluss auf die Oberflächenspannung moderat ist. Sie verbessern den Fluss und das Nivellieren der Formulierung insgesamt. Darüber hinaus verändern sie die Oberflächeneigenschaften, indem sie den Glanz erhöhen, das Gleiten verbessern und die Abriebfestigkeit steigern.

Die Ursache für viele Oberflächenfehler in Beschichtungen liegt in den Unterschieden der Oberflächenspannung der beteiligten Materialien. Damit eine Flüssigkeit ein Substrat benetzen kann, muss ihre Oberflächenspannung niedriger sein als die Oberflächenenergie des Substrats. Dadurch haftet die Flüssigkeit und bedeckt das Substrat ohne Fehler. Weitere Fehler entstehen durch Unterschiede in der Oberflächenspannung, die durch die Verdampfung von Lösungsmitteln oder die Vernetzung der Beschichtung verursacht werden, was den Orangenschaleneffekt zur Folge hat.

OBERFLÄCHENSPANNUNG

Die Oberflächenspannung eines Flüssigkeit wird als die Energie definiert, die erforderlich ist, um ihre Oberfläche um eine bestimmte Fläche zu vergrößern. Sie ist ein Maß für die intermolekularen Anziehungskräfte zwischen den verschiedenen Molekülen einer Flüssigkeit an ihrer Oberfläche: Flüssigkeiten mit starken intermolekularen Kräften haben eine hohe Oberflächenspannung.

Es gibt verschiedene Methoden zur Messung der Oberflächenspannung. Eine der gebräuchlichsten ist der Du Noüy-Ring, mit dem die statische Oberflächenspannung der Flüssigkeit gemessen wird. In industriellen Prozessen, in denen schnell neue Oberflächen entstehen, wie beim Rollenauftrag oder beim Drucken, ist es jedoch interessant, die dynamische Oberflächenspannung zu messen. Dazu kann die Methode des dynamischen Blasendrucks verwendet werden. Dieses Instrument erzeugt Blasen bei verschiedenen Frequenzen durch ein in die Flüssigkeit eingetauchtes Kapillarrohr und misst den Druck, der erforderlich ist, um eine Blase mit dem Radius des Kapillars zu bilden (Maximaldruck). Der Druck, der zum Bilden der Blase erforderlich ist, steht in direktem Zusammenhang mit der Oberflächenspannung.

Der Wert der Oberflächenspannung einer reinen Flüssigkeit ist unabhängig von der Lebensdauer der Blase. In Flüssigkeiten, die Tensid-Additive enthalten, hängt die Oberflächenspannung jedoch von der Blasenlebensdauer ab. Wenn eine neue Oberfläche entsteht, diffundieren Tensidmoleküle zu dieser neuen Oberfläche und richten sich aus, was Zeit in Anspruch nimmt und von der Mobilität des Tensids in der Lösung abhängt. Aus diesem Grund hängt der Wert der dynamischen Oberflächenspannung von der Lebensdauer der Blase ab. Bei Concentrol verfügen wir über ein Blasendrucktensiometer in unseren F&E-Labors. Dieses Gerät ermöglicht es uns, dynamische Oberflächenspannungen in einem Blasenlebenszeitbereich von 15 Millisekunden bis zu 100.000 Millisekunden (100 Sekunden) zu messen, wobei die erhaltenen Werte nahezu statisch sind. Dieses Gerät hilft uns bei der Entwicklung neuer Benetzungsadditive, da es uns ermöglicht, Unterschiede im Verhalten verschiedener Benetzungsmittel zu beobachten und deren Verhalten in verschiedenen Beschichtungssystemen vorherzusagen.

Regulatorische Überlegungen: SVHC-freie Additive

Seit Juni 2018 (ED/61/2018) müssen Silicon-Additive, die mehr als 0,1 % der Silikonzyklen D4, D5 oder D6 enthalten, als besonders besorgniserregende Stoffe (SVHC) im europäischen Sicherheitsdatenblatt deklariert
werden. Concentrol bietet Silicon-Oberflächenadditive mit einem stark reduzierten Gehalt an Silikonzyklen an. Durch einen zusätzlichen Reinigungsschritt im Produktionsprozess wird sichergestellt, dass unsere Additive weniger als 0,1 % D4, D5 und D6 enthalten. Dadurch müssen die ORDISOLProdukte nicht als SVHC gekennzeichnet werden.

Darüber hinaus erfüllen die meisten der von Concentrol hergestellten Silicon-Additive die FDAVorschriften für den Lebensmittelkontakt, und viele von ihnen entsprechen auch Kapitel XV der BfR-Richtlinien und der EU-Verordnung Nr. 10/2011.

Forschung und Entwicklung bei Silicon-Oberflächenadditiven

Die ORDISOLFamilie bietet eine breite Palette von Silicon-Oberflächenadditiven, die optimale Lösungen für Formulierer bieten, die die Oberflächeneigenschaften ihrer Produkte verbessern möchten. Diese Additive sind organofunktionelle Silikone, die aus nicht hydrolysierbaren Polysiloxan-Polyether-Copolymeren bestehen und eine hervorragende Stabilität unter extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen oder korrosiven Umgebungen bieten. Diese Produktfamilie unterteilt sich in zwei Hauptkategorien:

• Substratbenetzungs- und Antikrater-Additive (ORDISOL SWT)
• Sowie Oberflächenkontroll-Additive (SLP)

SUBSTRATBENETZUNGS-  UND ANTIKRATER-ADDITIVE (ORDISOL SWT)

Sind speziell für Druckfarben und wässrige Systeme entwickelt, in denen die Oberflächenspannung drastisch gesenkt werden muss. In diesen Beschichtungen ist dies entscheidend, da das Substrat aufgrund der hohen Oberflächenspannung des Wassers schwer zu benetzen ist. In dieser Produktlinie bietet Concentrol Additive an, die die Oberflächenspannung des Wassers auf Werte von fast 20 mN/m reduzieren können. Sie sind auch ideal, um das Nivellieren zu verbessern und Krater auf kontaminierten Oberflächen zu reduzieren.
Vor kurzem wurden zwei neue Produkte in das Sortiment aufgenommen:

• ORDISOL SWT-28. Speziell entwickelt für wässrige Systeme, Druckfarben und Überdrucklacke. Es bietet eine starke Reduzierung der Oberflächenspannung und verbessert gleichzeitig das Benetzen und Nivellieren. Es ist für Systeme ohne organische Co-Lösemittel geeignet.
• ORDISOL SWT-49. Entwickelt für wässrige Systeme und Klebstoffe, verbessert dieses Additiv das Nivellieren und den Fluss, reduziert die Oberflächenspannung und erzeugt in allen Systemen sehr wenig Schaum.

SOWIE OBERFLÄCHENKONTROLL-ADDITIVE (ORDISOL SLP)

Die Oberflächenkontroll-Additive (ORDISOL SLP) eignen sich sowohl für lösungsmittelbasierte, lösungsmittelfreie als auch für wässrige Systeme. Diese Additive verbessern das Nivellieren, den Fluss und die Kraterbeständigkeit und verändern gleichzeitig die Oberflächeneigenschaften, um mechanische Eigenschaften wie Kratzfestigkeit oder Abriebfestigkeit zu verbessern.

Ein kürzlich hinzugefügtes Produkt dieser Linie ist Ordisol SLP-35, ein universelles Additiv, das einen guten Antikrater-Effekt bietet und das Oberflächengleiten verbessert. Es erhöht auch die Kratzfestigkeit und steigert den Glanz, mit einem leichten Entschäumungseffekt, der die Schaumbildung deutlich weniger stabilisiert als andere Polysiloxan-Polyether-Copolymer-Additive.

Concentrol setzt sich dafür ein, für jeden Kunden die ideale Lösung zu bieten. Unsere Entwicklungsabteilung experimentiert ständig mit innovativen Formulierungen, um sicherzustellen, dass wir weiterhin führend in der chemischen Industrie bleiben und als ein führendes Unternehmen anerkannt werden.