Zur Rolle von Kohäsion und Elastizität bei der Filmbildung aus Polymerdispersionen

Pohl, Katja GND

In der vorliegenden Arbeit wurde die Filmbildung, d.h. der Trocknungsprozess von Polymerdispersionen untersucht. Bei Polymerdispersionen handelt es sich um Polymernano-partikel, welche stabil in Wasser dispergiert vorliegen. Die Filmbildung ist in drei Schritte unterteilt: das Verdampfen des Wassers, die Partikeldeformation und die Interdiffusion der Polymerketten. Letztere führt zur Kohäsion zwischen den Partikeln. Polymerdispersionen finden häufig Anwendung als wasserbasierte Lacke. Eine Herausforderung stellt das Filmbildungsdilemma dar. Dieses besagt, dass die meist erwünschten, harten und kratzfesten Filme nur bei Verwendung harter Polymere erreichbar sind, harte Polymerpartikel aufgrund ihrer Elastizität jedoch keinen kontinuierlichen, mechanisch stabilen Film bilden. Durch diese Arbeit sollten Grundlagen geschaffen werden, mit Hilfe derer das Filmbildungsdilemma gelöst werden kann, ohne Zusatzstoffe einsetzen zu müssen, wie es bisher meist geschieht. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Dynamik des Trocknungsprozesses untersucht. Es wurde angenommen, dass eine frühe Interdiffusion, relativ zur Partikeldeformation gesehen, dazu führt, dass harte und rissfreie Filme entstehen. Dafür wurden Partikeldeformation und Interdiffusion simultan am selben Ort im Film quantifiziert und über die Zeit der Trocknung betrachtet. Es wurde herausgefunden, dass kleine anionische Tenside für dieses Ziel besser geeignet sind, als große, nichtionische. Weiterhin führen große Partikel, relativ zur Partikel- deformation gesehen, zu früherer Interdiffusion als kleine. Somit könnte durch Einsatz von großen Partikeln Rissbildung vermindert werden. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit den bei der Trocknung entstehenden Fronten sowie mit Mikrorissen an der Oberfläche der Filme. Beide Aspekte sind essentiell für das Verständnis des Filmbildungsprozesses, wurden jedoch bisher in der Literatur für die in dieser Arbeit verwendeten Systeme nicht umfassend beschrieben. Die Trocknungsfronten wurden in Abhängigkeit von der Glastemperatur, d.h. der Härte des Polymers, mit verschiedenen Arten der Lichtmikroskopie untersucht. Es wurde ein Modell erstellt, welches erläutert, was an den einzelnen Fronten geschieht und wie die beobachteten Effekte zustande kommen. Die Mikrorisse wurden zusätzlich zur Lichtmikroskopie mit konfokaler Mi kroskopie untersucht, wobei die Annahme bestätigt wurde, dass es sich hierbei um ein Oberflächenphänomen handelt. Für die Entstehung der Mikrorisse und die Beschränkung derer auf die Oberfläche des Films wurde ebenfalls ein Modell erstellt.

This thesis is about film formation, the drying process of polymer dispersions. Polymer dispersions are polymer nanoparticles dispersed in water. The process of film formation is divided into three steps: evaporation of water, particle deformation and interdiffusion of polymerchains. The interdiffusion of polymer chains across interparticle boundaries leads to cohesion between the particles. One of the most common applications for polymer dispersions are water based coatings. A challenge there by is the film formation dilemma. It states that the commonly desired hard and scratch resistant films can only be achieved when employing hard polymers. On the other hand, hard polymer particles cannot form a continuous, mechanically strong film due to their elasticity. The aim of this work was to lay a foundation for resolving the film formation dilemma without using additives, as it is done so far. In the first part of this work, the dynamics of film formation were analyzed. The assumption was that early interdiffusion of the polymer chains, compared to deformation of the particles, leads to crack-free films even for hard particles. To investigate this, particle deformation and interdiffusion have been quantified simultaneously at the same spot on the film and observed over drying time. One result was that small anionic surfactants lead to earlier interdiffusion than large, non-ionic ones. It was also found, that large particles lead to earlier interdiffusion, compared to deformation, than small ones. Hence, cracking could be avoided, when employing large particles. The second part of this work is concerned with drying fronts and micro-cracks. The latter appear on the surface of sufficiently hard films. Both phenomena are essential for the understanding of the film formation process, but have not yet been described extensively in literature for the systems used in this work. The drying fronts have been investigated for films with different glass temperatures (that means, different hardness) using different types of light microscopy. A model has been developed, which describes what happens at the different drying fronts and explains the causes for the fronts. The micro-cracks have also been investigated using light microscopy and, additionally, by confocal laser scanning microscopy. The assumption that the micro-cracks are a surface phenomenon could be confirmed by the latter method. A new model has been developed to explain the formation of these micro-cracks for latex films and why they do not penetrate through the whole film.

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Pohl, Katja: Zur Rolle von Kohäsion und Elastizität bei der Filmbildung aus Polymerdispersionen. 2014.

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