Aufbau der ES-Anlage

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PTS/IOM-Forschungsbericht ES Polypap Einsatz des Elektronenstrahlenverfah- rens für die Modifizierung wässriger Standard-Polymerdispersionen zur Re- duzierung des Bindereinsatzes in Stan- dard- und Spezial-Papierbeschichtun- gen

Dr. Marcel Haft, Dr. Daniel Breite

Ansprechpartner Dr. Marcel Haft

Telefon: 03529-551 697 / 661

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merdispersionen zur Reduzierung des Bindereinsatzes in Standard- und Spezial-Papierbe- schichtungen

(ES Polypap)

PTS/IOM-Forschungsbericht März 2019

Ansprechpartner:

Dr. Marcel Haft

marcel.haft@ptspaper.de Papiertechnische Stiftung (PTS) Institut für Zellstoff und Papier – IZP Pirnaer Straße 37, 01809 Heidenau

Dr. Daniel Breite

daniel.breite@iom-leipzig.de

Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizie- rung (IOM)

Permoserstraße 15, 04318 Leipzig

Das Forschungsvorhaben IGF 18141 BG der kooperierenden AiF-For- schungsvereinigungen PTS-IZP und IOM wurde über die AiF im Rah- men des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschafts- forschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen der Papier-, Druck und Zulieferindustrie für die Unterstützung der Arbeiten.

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Inhaltsverzeichnis

Seite

1 Zusammenfassung... 3

2 Wissenschaftlich- technische und wirtschaftliche Problemstellung ... 4

2.1 Anlass für das Forschungsprojekt ... 4

2.2 Stand der Forschung und Entwicklung... 4

3 Forschungsziel ... 5

4 Gesamtvorgehen ... 6

5 Ergebnisse ... 7

5.1 Rohstoffauswahl – wässrige Polymerdispersionen, niedermolekulare Verbindungen und Polymerdispersionen zur Modifikation ... 7

5.2 Aufbau der ES-Anlage ... 7

5.3 Untersuchungen zur Kompatibilität der Rohstoffe ... 8

5.4 Untersuchung von Funktionalisierungseffekten ... 13

5.5 Stabilität der ES-Modifikate und Reinigung von Nebenprodukten ... 24

5.6 Optimierungen der ES-Modifizierung ... 26

5.7 Beschichtungsformulierung und –applikation ... 31

5.8 Durchführung eines Technikumsversuches ... 35

5.9 Konzept für die Technologie und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ... 36

Literaturverzeichnis ... 38

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1 Zusammenfassung

Zielstellung Ziel des Projektes war die Herstellung von Bindemitteln für die Anwendung in Papierstreichfarben mithilfe von Elektronenbestrahlung aus niedermolekularen Modifizierungsreagenzien und zu modifizierenden Bindemitteln.

Die erhaltenen Bindemittel sollten in Papierstreichfarben eingearbeitet und ihre Eigenschaften untersucht werden.

Ergebnisse Mithilfe der Elektronenbestrahlung im durch das IOM entwickelten Verfahren können niedermolekulare Substanzen, sowie polymere Verbindungen über einen grafting-Prozess an die Polymerketten verschiedener Bindemittel angebun- den werden.

Infolge dessen kann sowohl auf die Rheologie des Bindemittels Einfluss ge- nommen werden, als auch auf die Oberflächenladung des Polymers und somit resultierende Oberflächeneigenschaften der applizierten Schicht.

Im Rahmen des Projektes wurden aus einem breiteren Fundus an Bindemitteln durch Kompatibilitätsuntersuchungen besonders geeignete Varianten identifi- ziert und systematisch untersucht.

Verfahrensbedingt sind sämtliche Modifizierungsreagenzien von hydrophilem Charakter, wodurch in der Regel auch hydrophile Bindemittel, bzw. dann Ober- flächen mit polarem Charakter erhalten werden.

Neben der Applikation der Bindemittel direkt auf unterschiedlichen Substraten gelang auch die Einarbeitung in Streichfarben (Zusatz von Pigmentdispersio- nen) und deren Applikation auf Substraten.

Schlussfolge- rung

Das Verfahren der Elektronenstrahlmodifikation, bzw. Anbindung führt zu den gewünschten modifizierten Bindemitteln, die wiederum leicht verbesserte Ei- genschaften gegenüber den Ausgangsstoffen aufweisen können.

Der Grad der Modifizierung ist noch ausbaufähig, sind beispielsweise die Mas- sekonzentrationen der Lösungen der Modifizierungsreagenzien begrenzt auf wenige Massenprozent und zwingend wässrig. Eine Hydrophobierung ist mit dem derzeitigen Verfahren noch nicht möglich, hier tut sich Raum für weitere Forschung auf.

Weiterhin ist die Zahl der Bindemittel, die eine Elektronenstrahlbehandlung to- lerieren recht eingeschränkt, da möglicherweise intramolekulare Funktionali- sierungen auftreten, die wiederum zu einem Viskositätsanstieg führen.

Nichtsdestotrotz konnten durch systematische Tests, erfolgreiche Varianten der Modifikation hergestellt, appliziert und getestet werden. Eine Veränderung der Oberflächeneigenschaften wurde nachgewiesen.

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2 Wissenschaftlich- technische und wirtschaftliche Problemstellung 2.1 Anlass für das Forschungsprojekt

Vorangestellte Bemerkungen

Das beantragte Forschungsvorhaben konnte nur durch die enge Zusammenar- beit der Forschungsstellen PTS-IZP (FS1) und IOM (FS2) realisiert werden.

Jede der Forschungsstellen besaß dabei ihre eigenen Aufgabenbereiche und Expertisen. FS1 war zuständig für alle Applikationen der zur Verfügung gestell- ten Bindemittel und der daraus hergestellten Streichfarben, sowie für die Ober- flächenbeurteilung der erhaltenen Schichten. FS2 übernahm alle Arbeiten die Bestrahlung betreffend, vom Aufbau der Anlage bis zur Optimierung der Be- strahlungsbedingungen, sowie die grundlegenden Charakterisierungen der erhaltenen Modifikate.

Branchenüber- greifende Bedeu- tung

Das neue Basiswissen zum Einsatz der ES-Technologie für stoffliche Funktio- nalisierungen an wPD mit verschiedenen Hilfsmitteln konnte ausgebaut werden. Verschiedene Branchen können diese Materialien und das Know-how für weitere Entwicklungen nutzen. Möglichkeiten sind in der Textil- und Kunststoff- , der Holzwerkstoff-, der Farben- und Lack- oder in der Baustoffindustrie zu se- hen.

2.2 Stand der Forschung und Entwicklung

Bindemittel Das Ziel des Projekts war die Modifizierung von wässrigen Polymerdispersio- nen (PD) mit der ES, welches nicht Stand der Technik ist. Alternativ wird die Modifizierung von Polymerpartikeln in Dispersionen im Wesentlichen durch die Herstellung von Blends mit anderen Polymeren oder anorganischen Additiven realisiert. So lassen z.B. sich Core-Shell-Latizes auf Basis von Polycarbonat mit Polystyrol-Polymethacrylat-basierten Copolymeren aufbauen oder Polyani- lin/Polystyrol-Kompositpartikel durch Einsatz von Tensiden und Metalloxidaddi- tiven während der Herstellung hinsichtlich Größe und Oberflächenchemie variieren.

Elektronenbe- strahlung

Die ES durchdringt je nach angelegter Beschleunigungsspannung und Materi- aldichte Probendicken von 100 µm bis 6 cm (160 keV-10 MeV) und ist damit im Gegensatz zu anderen Modifizierungstechnologien (z. B. UV, Corona oder Plasma) problemlos für Stoffsysteme auch in Rohrleitungen mit entsprechender Durchmischung einsetzbar. Man ist zur Erzeugung neuer Eigenschaften auf solchen Polymerpartikeln also nicht auf die sonst groß konzipierten Anlagen festgelegt, die Installation ist auch an Behältern oder Rohrleitungen denkbar.

Folglich wird der Einsatz der ES-Technologie auch für die Wertschöpfungskette der Papierindustrie interessant. Es sind keine großen Maschinenbreiten über

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Papierbahnbreiten erforderlich. Die Modifizierungen finden mit unproblemati- schen Hilfsmitteln statt, wobei nach entsprechender Funktionalisierung auch keine kritischen Nebenprodukte gebildet werden. Zusätzlich können Vergil- bungseffekte im Fasersubstrat ausgeschlossen werden.

Funktionalisie- rung

Durch die ES wird das Polymer aktiviert und die Bildung reaktiver Spezies ini- tiiert. Es werden Radikale gebildet, die entweder rekombinieren, disproportio- nieren oder Wasserstoff eines anderen Moleküls abstrahieren können. Gezielt kann dieser Prozess genutzt werden, um an die Polymerpartikel spezielle funktionelle Gruppen anzubinden. Im FuE-Vorhaben wurde die wPD-Modifi- zierung durch ES im grafting-to-Verfahren durchgeführt. Das zu modifizie- rende Polymerpartikel in der wPD wird dabei mit einer anderen PL oder einer wässrigen gesättigten Lösung einer nV benetzt und anschließend bestrahlt.

Durch die Bestrahlung werden auf dem Polymer reaktive Spezies gebildet, die je nach Material aus Ionen und/oder Radikalen bestehen. Zwischen dem bestrahlten Polymerpartikel und dem gesättigten Hilfsmittel-Molekül werden che- mische Bindungen gebildet, so dass eine stabile, kovalente Bindung geknüpft wird. Das Ergebnis ist eine modifizierte Bindemitteldispersion, die aus einer Vielzahl solcher funktionellen Polymerpartikel besteht.

3 Forschungsziel

Ziel Ziel des Forschungsvorhabens war es eine Anlage zur Elektronenbestrahlung aufzubauen und mit ihr Polymerdispersionen durch Reaktion mit niedermolekularen Substanzen zu funktionalisieren. Dabei sollten neue Eigenschaften durch Einführung funktioneller Gruppen in die Polymermoleküle generiert werden. In Streichfarbenformulierungen eingebracht sollen diese eine hydrophilen, bzw.

hydrophoben Charakter der Oberfläche erzielen.

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4 Gesamtvorgehen

Übersicht Die Bearbeitung des Projekts erfolgte entsprechend dem folgenden Ablauf- schema in verschiedenen Arbeitspaketen (AP).

Abb. 1: Ablaufschema des Lösungsweges

Hypothesen Im Projekt wurden folgende Hypothesen zu der Funktionalisierung und den her- vorgerufenen Effekten beleuchtet:

H1: Die ES-Modifizierung von wPD mit Hilfsmitteln wie PVP, PAH, PSS oder Alkoholderivaten führt zu deren kovalenter Anbindung. Durch das grafting-to-Verfahren erfolgen Eigenschaftsänderungen dieser Bindemittel im Sinne der Hydrophobierung oder Hydrophilierung.

H2: Die Änderung der Eigenschaften der Papierbeschichtungen resultiert al- lein aus den ES-Modifikaten und nicht durch Nebenprodukte oder unge- bundenes Hilfsmittel.

H3: Ein wirtschaftlicher Einsatz der ES-Technologie ist durch unmittelbare Bestrahlung der wPD möglich. Eine technische Realisierung erfolgt an der Rohrleitung im Bypass durch leistungsstarke Emitter.

H4: Die ES-Modifizierung erzeugt keine schädlichen Substanzen, da die ein- zusetzenden Produkte nicht halogeniert sind oder toxische Abbaupro- dukte bei deren Zersetzung aufweisen.

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5 Ergebnisse

5.1 Rohstoffauswahl – wässrige Polymerdispersionen, niedermolekulare Verbindungen und Polymerdispersionen zur Modifikation

Ziel Ziel war die Definition geeigneter Kombinationen von wässrigen Polymerdisper- sionen (wPD) mit Elektronenstrahlung (ES) und anderer Polymerdispersionen (PL) oder niedermolekularer gesättigter Verbindungen (nV). Es waren zugrunde liegende Reaktionsmechanismen kovalenter Anbindungen zwischen den jewei- ligen Produkten zu klären.

Vorbemerkung Abweichend von der im Vorfeld vorherrschenden Erwartung sowohl eine Hyd- rophilie, als auch eine Hydrophobie durch Modifikation generieren zu können ist lediglich eine Anbindung hydrophiler Funktionalisierungsreagenzien mög- lich. Dies ist dem Bestrahlungsverfahren geschuldet, bei dem im Medium Was- ser gelöst und bestrahlt werden muss.

Die zu Projektbeginn breit aufgestellte Matrix aus Polymerdispersionen und Funktionalisierungsreagenzien wurde schrittweise auf geeignete Kombinatio- nen eingeengt, sodass im späteren Verlauf erfolgreiche Beschichtungsversu- che durchgeführt werden konnten.

Auswahl von Po- lymerdispersio- nen

Nach Rücksprache mit dem PbA wurde eine breite Palette von Bindemitteln beschafft, die eine Vielfalt hinsichtlich der chemischen Natur und ihren Eigen- schaften abbilden. Neben Styrolacrylat und Styrolbutadien- Latices kamen auch Polyolefinbasierte Bindemittel zum Einsatz.

Auswahl von Mo- difizierungsrea- genzien

Dem oben definierten Ziel entsprechend wurden PVP (3500 g/mol), PEG (400 bzw. 3350 g/mol) und PVA (2000 g/mol) als Polymerdispersionen und Glucose als niedermolekulare gesättigte Verbindungen ausgesucht. Die Auswahl deckt verschiedene Substanzklassen (PL und nV) ab, welche für das Projektziel interessant erscheinen. Bei allen Verbindungen handelt es sich um nicht toxische, kommerziell verfügbare Substanzen. Die Möglichkeit zur kovalenten Anbindung an die wässrigen Polymerdispersionen (wPD) ist gegeben.

Tabellarische Übersicht

Bindemitel A Bindemittel B

Primal Eco 16 Litex P5100

Primal C - 330 RS Litex P7100

Primal P - 308 MR Litex P7110

Polyco - 4160 Litex PX9324

Polyco - 4300 Litex PX9330

Hypod 2000 Litex PX 9694

5.2

Aufbau der ES-Anlage

Ziel Ziel war die Anpassung der ES-Anlage an die Aufgabenstellung. Es war si- cherzustellen, dass Dispersionen im Sinne der Arbeitshypothese 3 modifiziert werden können.

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Anlagentest/

Methodik

Die ES-Modifizierung der flüssigen Formulierungen erfolgte zunächst statisch in Kunststoffbehältern aus Polypropylen mit Hilfe einer ES-Anlage (10 MeV, Me- vex Corporation). Nachdem alle Parameter in einem erfolgreichen Funktions- test evaluiert worden waren, erfolgte der Aufbau einer kontinuierlich arbeiten- den Anlage. Die Modifizierung der flüssigen Formulierungen passierte dann in einer Rohrleitung, so dass nach Anpassung der Durchsatzrate eine Aufskalie- rung möglich wäre. Dabei wurden die Dispersionen mit Elektronen bestrahlt während sie durch ein Glasrohr geströmt wurden. Die Kühlung wurde durch einen kontinuierlichen Kühlwasserstrom auf der Außenseite des Glasrohrs ge- währleistet. Die Förderung der Dispersionen erfolgte mit Hilfe einer handelsüb- lichen Schlauchpumpe (siehe Abbildung).

Abbildung 1 Modellaufbau zur kontinuierlichen ES-Modifizierung von wPD:

Schlauchpumpe (Bildmitte), verbunden mit Glasrohr mit Kühlung (links, plat- ziert unter ES-Quelle) sowie mit Vorlage- und Auffanggefäß (rechts).

5.3 Untersuchungen zur Kompatibilität der Rohstoffe

Ziel Ziel war die Untersuchung der Kompatibilität sowie die Festlegung der in den weiteren Schritten zu verwendeten Kombinationen, um die Einflüsse der ES- Parameter und deren Auswirkungen auf die Eigenschaften in den Beschichtun- gen zu klären. Zudem sollte der Einfluss der ES auf die reinen wPD untersucht werden. Dazu wurden diese ohne Zumischungen von Modifizierungsreagen- zien bestrahlt und anschließend charakterisiert.

Vorbemerkung Um geeignete Kombinationen aus Bindemittel und Modifizierungsreagenz zu finden, wurden zunächst unbestrahlte Mischungen dieser untersucht. Als Grundlage für eine Funktionalisierung musste zudem überprüft werden ob reine Bindemittel einer Elektronenbestrahlung standhalten oder ob beispielsweise Agglomeratbildung auftrat. Eine Kombination mit den Modifizierungsreagenzien (siehe AP4) erfolgte dann nur mit bestrahlbaren Bindemitteln.

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Kompatibilität mit Modifizie- rungsreagien- zien

Die Modifizierungsreagenzien wurden jeweils in Wasser vorgelöst und dann in die Bindemittel eingemischt. Abgestufte Massenkonzentrationen wurden in den Gemischen eingestellt um eine Kompatibilität festzustellen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1: Mischbarkeit von Bindemittel und ModifizierungsreagenzTabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Mischbarkeit von Bindemittel und Modifizierungsreagenz

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Viskosität Sämtliche Bindemittel wurden mit abgestuften Dosen von 0, 50, 100 und 150 kGy bestrahlt und im Anschluss auf ihre Viskosität nach Brookfield untersucht. Konnte kein Wert für die Viskosität mehr bestimmt werden war das Bin- demittel verklumpt und härtete durch.

Abbildung 2: Viskosität in Abhängigkeit der Bestrahlungsdosis Teil 1

Abbildung 3: Viskosität in Abhängigkeit der Bestrahlungsdosis Teil 2

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Partikelgröße Neben der Viskosität wurde mittels Malvern Zetasizer Nano ZS die Partikel- größe der Ausgangsbindemitteldispersionen und der bestrahlten Bindemittel gemessen. Auch hiermit kann eine Aussage zur Eignung der Bindemittel für eine Elektronenstrahlmodifikation gewonnen werden. Rote Balken in Abbildung 4 und Abbildung 5 zeigen eine bimodale Verteilung der Partikel mit den jeweils angegebenen prozentualen Verteilungen der kleineren Fraktion (blau) und der größeren Fraktion (rot).

Abbildung 4: Partikelgrößen der bestrahlten Bindemittel Teil 1

Abbildung 5: Partikelgrößen der bestrahlten Bindemittel Teil 2

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Visuelle Bewer- tung

Die Bindemittel wurden zur optischen Beurteilung (Farbeindruck, Transparenz und Agglomeratbildung) auf Lackkarte und Glassubstrat in dünnen Filmen mittels Handrakel ausgestrichen.

Tabelle 3: Visuelle Bewertung der Filme Bindemittel Dosis

[kGy]

Farbeindruck Agglomerate Primal Eco-16 0

50 100 150

farblos/matt farblos/glänzend farblos/glänzend farblos/glänzend

nein nein nein nein Primal C-330 RS 0

50 100 150

Alle farblos/glänzend nein nein nein ja Primal P-308 MR 0

50 100 150

leicht gelb/matt leicht gelb/matt

gelb/matt gelb/glänzend

nein nein nein nein

Polyco-4160 0

50 100 150

leicht gelb/glänzend gelb/glänzend gelb/glänzend gelb/glänzend

nein nein nein nein

Polyco-4300 0

50 100 150

farblos/matt farblos/matt farblos/matt leicht

gelb/glänzend

nein nein nein nein

Hypod 2000 0

50 100 150

Alle weiß/matt ja

ja ja ja

Litex P 5100 0

50 100 150

farblos/matt farblos/glänzend

- -

nein nein nein nein

Litex P 7100 0

50 100 150

farblos/matt farblos/glänzend leicht gelb/ glänzend leicht gelb/ glänzend

nein nein ja ja

Litex P 7110 0

50 100 150

farblos/glänzend -

- -

nein nein nein nein

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Litex PX 9324 0 50 100 150

farblos/matt farblos/glänzend farblos/glänzend farblos/glänzend

nein nein ja ja Litex PX 9330 0

50 100 150

farblos/matt farblos/glänzend leicht gelb/glänzend

-

nein nein ja ja Litex PX 9464 0

50 100 150

leicht gelb/glänzend -

- -

nein nein nein nein

Fazit Nach ersten Untersuchungen zur Bestrahlung und Kompatibilität konnten Infor- mationen zu maximaler Bestrahlungsdosis, Konzentration des Modifizierungs- reagenzes und sich einstellender Eigenschaften gewonnen werden. Die Matrix wurde auf 5 Bindemittel eingegrenzt, die nach Möglichkeit mit 5 Modifizierungs- reagenzien im nächsten AP kombiniert wurden. Die Bewertung der Schichtei- genschaften wird vergleichend mit den bestrahlten Varianten im folgenden Ka- pitel behandelt.

5.4 Untersuchung von Funktionalisierungseffekten

Ziel Ziel war die Eigenschaftsbeschreibung der durch ES modifizierten Polymerdis- persionen. Außerdem wird die Frage nach möglichen Nebenprodukten der ES beantwortet.

Vorbemerkung Die im AP 3 festgelegten Kombinationen von Bindemitteln und Modifizierungsre- agenzien wurde mit Hilfe von ES modifiziert, wobei die ES-Dosis variiert wurde.

Die so erhaltenen Produkte wurden in Hinblick auf Viskosität charakterisiert.

Durch Ausbringen auf Lackkarten konnten das Farb- und Agglomerationsverhal- ten überprüft, sowie Kontaktwinkelmessungen durchgeführt werden. Insbeson- dere konnten Einflüsse des Modifizierungsreagenzes auf Oberflächenspannung, Filmbildungseigenschaften und das Wegschlagverhalten von Modelltinte in die Schichten analysiert werden.

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Viskosität Die fünf ausgewählten wPD (PolyCo4300, Primal C-330RS, Hypod 2000, Litex 7100, Plextol PX9324) wurden mit verschiedenen Modifizierungsreagenzien gemischt und die Viskosität der bestrahlten bzw. unbestrahlten Proben verglichen.

Konnte kein Wert für die Viskosität mehr bestimmt werden war das Bindemittel verklumpt und härtete durch.

Abbildung 6: Viskosität der (un)bestrahlten Bindemittel mit Modifizierungsreagenzien, Teil 1: PolyCo 4300.

Abbildung 7: Viskosität der (un)bestrahlten Bindemittel mit Modifizierungsreagenzien, Teil 2: Primal C-330RS.

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Abbildung 8: Viskosität der (un)bestrahlten Bindemittel mit Modifizierungsreagenzien, Teil 3: Hypod 2000.

Abbildung 9: Viskosität der (un)bestrahlten Bindemittel mit Modifizierungsreagenzien, Teil 4: Litex P7100.

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Abbildung 10: Viskosität der (un)bestrahlten Bindemittel mit

Modifizierungsreagenzien, Teil 5: Plextol PX9324.

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Die Bindemittel wurden zur optischen Beurteilung (Farbeindruck, Transparenz und Agglomeratbildung) auf Lackkarte und Glassubstrat in dünnen Filmen mittels Handrakel ausgestrichen.

Tabelle 4: Visuelle Bewertung der Polyco 4300 Varianten

Binder Dosis [kGy] Farbeindruck Agglomerate

Ref 0 Farblos / matt Nein

Ref EB 100 Farblos / matt Nein

PVP 1% 0 Farblos / matt Nein

PVP 2% 0 Farblos / leicht glänzend Nein

PVP 5% 0 -- --

PVP 1% 100 Farblos / glänzend Nein

PVP 2% 100 Farblos / glänzend vereinzelt

PVP 5% 100 -- --

PVA 0,2% 0 Farblos / matt Nein

PVA 0,5% 0 Farblos / matt Nein

PVA 1% 0 Farblos / matt Nein

PVA 0,2% 100 Farblos / glänzend Nein

PVA 1% 100 Farblos / glänzend Nein

PEG 3,5k 1% 0 Farblos / matt Nein

PEG 3,5k 1% 100 Farblos / glänzend Nein

Glucose 1% 0 Farblos / matt Nein

Glucose 1% 100 leichter Gelbstich / matt Nein

Glucose 2% 100 Gelbstich / matt Nein

PEG 400 0,2% 0 Farblos / matt Nein

PEG 400 1% 0 Farblos / matt Nein

Taurin 2% 100 min. Gelbstich / glänzend Nein

Lysin 2% 100 min. Gelbstich / glänzend Nein

Ölsäure 2% 100 Farblos / glänzend Nein

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Tabelle 5: Visuelle Bewertung der Primal C-330 RS Varianten

Ref 0 Farblos / glänzend Nein

Ref EB 100 Farblos / glänzend Nein

Glucose 1% 0 Farblos / glänzend Nein

Glucose 1% 100 leichter Gelbstich / glänzend Nein

Glucose 2% 100 Gelbstich / glänzend Nein

Glucose 5% 100 Gelbstich / glänzend Nein

PEG 3,5k 0,2% 0 Farblos / glänzend Nein

PEG 3,5k 0,5% 0 -- --

PEG 3,5k 1% 0 -- --

PEG 3,5k 0,2% 100 Farblos / glänzend Ja / Luftblasen

PEG 3,5k 0,5% 100 -- gehärtet durch EB

PEG 3,5k 1% 100 -- gehärtet durch EB

PVA 0,5% 0 -- --

PVA 1% 0 -- --

PVA 0,2% 100 Farblos / glänzend Ja / Luftblasen

PVA 0,5% 100 -- gehärtet durch EB

PVA 1% 100 -- gehärtet durch EB

PEG 400 0,2% 0 Farblos / glänzend Nein

PEG 400 1% 0 Farblos / glänzend Nein

PEG 400 1% 100 Farblos / glänzend Nein

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Tabelle 6: Visuelle Bewertung der Hypod 2000 Varianten

Ref 0 Weiß / matt Ja / Luftblasen

Ref EB 100 Weiß / matt Ja / Luftblasen

PVP 1% 0 Weiß / matt Ja / Luftblasen

PVA 0,2% 0 Weiß / matt Ja / Luftblasen

PVA 1% 0 Weiß / matt Ja / Luftblasen

PVA 1% 100 farblos / matt vereinzelt

PEG 3,5k 1% 0 Weiß / matt Ja / Luftblasen

PEG 3,5k 1% 100 farblos / matt vereinzelt

PEG 3,5k 2% 100 farblos / matt Ja

PEG 3,5k 5% 100 milchig / matt Ja

Glucose 1% 0 Weiß / matt Ja / Luftblasen

Glucose 5% 100 minimaler Gelbstich / matt Ja / Luftblasen

PEG 400 0,2% 0 Weiß / matt Ja / Luftblasen

PEG 400 1% 0 Weiß / matt Ja / Luftblasen

PEG 400 0,2% 100 Weiß / matt Ja / Luftblasen

PEG 400 1% 100 Weiß / matt Ja / Luftblasen

Lysin 2% 100 milchig / matt Ja

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Tabelle 7: Visuelle Bewertung der Litex 7100 Varianten

Ref EB 100 minimaler Gelbstich / glänzend vereinzelt

PVP 1% 100 minimaler Gelbstich / glänzend Nein

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Tabelle 8: Visuelle Bewertung der Plextol PX 93224 Varianten

Ref EB 100 Farblos / glänzend Ja

PVP 1% 0 Farblos / matt kl. Löcher

PVP 2% 0 Farblos / matt kl. Löcher

PVP 1% 100 Farblos / glänzend Luftblasen

PVP 2% 100 Farblos / glänzend Luftblasen

PVP 5% 100 Farblos / matt Luftblasen

Glucose 1% 0 Farblos / matt kl. Luftblasen

Glucose 1% 100 Farblos / matt kl. Löcher/Luftblasen

Glucose 2% 100 minimaler Gelbstich / matt kl. Löcher/Luftblasen Glucose 5% 100 minimaler Gelbstich / matt kl. Löcher/Luftblasen

PEG 400 0,2% 100 Farblos / glänzend kl. Luftblasen

PEG 400 1% 100 Farblos / matt vereinzelt kl. Luftblasen

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Oberflächen- spannung

Die Oberflächenspannung der ausgestrichenen Bindemittel wurde an Hand von Kontaktwinkelmessungen bestimmt. Exemplarisch werden hier nur die Werte für modifizierte und unmodifizierte Varianten von Polyco 4300 und Hypod 2000 gezeigt.

Abbildung 11: Oberflächenspannung der (un)bestrahlten Polyco 4300 Varianten.

Abbildung 12: Oberflächenspannung der (un)bestrahlten Hypod 2000 Varianten.

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Wegschlagver- halten

Das Wegschlagverhalten der ausgestrichenen Bindemittel wurde an Hand einer Modelltinte bestimmt. Exemplarisch werden hier nur die Werte für modifizierte und unmodifizierte Variaten von Polyco 4300 und Hypod 2000 gezeigt.

Abbildung 13: Wegschlagverhalten der (un)bestrahlten Polyco 4300 Varianten.

Abbildung 14: Wegschlagverhalten der (un)bestrahlten Hypod 2000 Varianten.

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XPS Zusätzlich zu den Ergebnissen der Oberflächencharakterisierung mit Flüssig- keitswechselwirkungen wurden XPS-Untersuchungen der verschiedenen ES- Modifikate der Binder Polyco und Hypod angefertigt. Vor allem bei Polyco wurde ein deutlicher Trend festgestellt, wonach sowohl die Zugabe von PEG als auch die ES-Modifizierung und die Kombination aus beidem zu einer Zunahme des Sauerstoff-Anteils führen. Zusätzlich ergibt sich in der Reihenfolge Polyco<Po- lyco-ES<Polyco-PEG<Polyco-PEG-ES ein Trend hin zu höher oxidierten Koh- lenstoffspezies, wobei für Polyco-PEG-ES die höchsten Oxidationsstufen gefun- den wurden.

Tabelle 9: XPS-Ergebnisse für Polyco und die zugehörigen Modifikate.

Fazit Die Binder Polyco 4300 und Hypod 2000 wurden für die weiteren Arbeiten in Kombination mit PVA (0,5 m%), PVP (1 m%) oder PEG (3350 g/mol, 1 m%) aus- gewählt.

5.5 Stabilität der ES-Modifikate und Reinigung von Nebenprodukten

Ziel Ziel war, die ES-Materialien und die durch ES erzeugten kovalenten Bindungen im Wechselspiel mit äußeren Einflussfaktoren zu bewerten und mögliche Ände- rungen wichtiger Stoffspezifika zu erfassen.

Vorbemerkung Zur Untersuchung der Stabilität der ES-Modifikate von Polyco 4300 und Hypod 2000 wurden diese auf Glasplatten aufgetragen und bei Raumtemperatur getrocknet. Anschließend wurde die Stabilität der aufgetragenen Binder gegenüber Temperatur (100 °C, 1 h bzw. 24 h) und UV-Licht (UV-A, 3 mW/cm², 1 h bzw.

24 h) getestet und mittels Schwingungsspektroskopie sowie durch optische Be- gutachtung untersucht.

Temperatur hat auf die Varianten mit dem Binder Polyco 4300 keinen signifikanten Einfluss. Über die Zeit ist lediglich eine leichte Vergilbung erkennbar. Die faltige Oberfläche bleibt bestehen.

Die Hypod-Varianten verändern sich insofern, als dass der ursprünglich matte Eindruck hin zu einer Transparenz geht. Mikroskopisch ist eine deutlich Reduk- tion der kleinen Risse zu erkennen, wobei schnell eine Art Sättigung eintritt und eine längere Dauer keine weitere Veränderung erkennen lässt.

Die Stabilitätsuntersuchung mit UV-Strahlung führte zu keiner erkennbaren Ver- änderung der Materialien.

Na O Ca C S 285 eV 286,3 eV 289,1 eV 290,9 eV

C-C

Polyco 3 17,6 1 77,4 0,9 50,5 20,7 6,2 -

Polyco 100 2 26,7 0,7 69,5 1,2 38,7 21,7 9,1 -

Polyco PEG 2,3 26,4 0,5 69,8 1,1 31,8 27,8 10,2 -

Polyco PEG 100 2 30,2 - 66,9 0,9 19,5 33,5 11,9 2,1

Binder +

Modifizierung oxidierte C-Spezies

Elementzusammensetzung [atm.-%] C1s-Detailspektrum [atm.-%]

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Abbildung 15: Photographische Aufnahmen der ausgestrichenen Bindemittel nach Stabilitätstest: v.l.n.r. Hypod Ref, Hypod EB, Hypod PVA, Hypod PVA EB;

1. Reihe: unbehandelt, 2. Reihe: 1 h, 100 °C, 3. Reihe: 24h, 100 °C, 4. Reihe: 1 h UV, 5. Reihe: 24 h UV

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Abbildung 16: Photographische Aufnahmen der ausgestrichenen Bindemittel nach Stabilitätstest: v.l.n.r. Polyco Ref, Polyco EB, Polyco PEG, Polyco PEG EB;

1. Reihe: unbehandelt, 2. Reihe: 1 h, 100 °C, 3. Reihe: 24h, 100 °C, 4. Reihe: 1 h UV, 5. Reihe: 24 h UV

IR-Spektrosko- pie

Die Untersuchung der Modifikate mittels Schwingungsspektroskopie vor und nach den Stabilitätsuntersuchungen zeigte keine Veränderung in den aufge- nommenen Spektren. Es kann davon ausgegangen werden, dass trotz opti- scher Veränderungen durch den Einfluss hoher Temperaturen keine detektier- baren chemischen Änderungen auftreten.

Fazit Die (un)modifizierten Varianten der Binder Polyco und Hypod waren stabil ge- genüber äußeren Einflussfaktoren wie Temperatur und UV-Strahlung.

5.6 Optimierungen der ES-Modifizierung

Ziel Ziel war unter Berücksichtigung der Resultate aus AP3 bis AP5 von ausgewähl- ten Kombinationen der Polymerdispersionen und ES-PL bzw. ES-nV optimierte ES-Modifikate zu erzeugen. Dazu ist das Erschließen der Potenziale erforderlich:

sowohl für die Rezepturgestaltung als auch die technologischen Parameter des ES-Verfahrens.

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Vorbemerkung Die Optimierung der ES-Modifizierung der Bindemittel erfolgte an Hand der Be- strahlung von Polyco 4300 bzw. einer Variante mit 0,5% PEG (3350 g/mol). Da die Bestrahlung in kontinuierlicher Weise erfolgte, wurde die Leistung der zur Förderung des Bindemittels eingesetzten Schlauchpumpe variiert. Die applizierte Strahlungsdosis wurde durch die Bestrahlung und anschließende photometri- sche Bestimmung von Dichromat-Lösungen festgestellt. Zudem wurden die Ei- genschaften (Viskosität, XPS) von kontinuierlich bestrahlten Bindern mit den bisher festgestellten Eigenschaften verglichen.

Korrelation zwi- schen Fließge- schwindigkeit und ES-Dosis

Die Schlauchpumpe zur Förderung des Bindemittels (siehe AP 2) wurde mit Hilfe einer Steuereinheit reguliert (Pumpstufen 1-5). Für jede Pumpstufe wurden dabei die Fließgeschwindigkeiten des Bindemittels bestimmt und die applizierte Dosis über die Dichromat-Methode festgestellt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Tabelle 10 dargestellt.

Tabelle 10: Korrelation zwischen Fließgeschwindigkeit und ES-Dosis Pumpeneinstellung Fluss [mL/min] Dosis [kGy]

P1 20 150

P2 40 75

P3 50 -

P4 50 -

P5 50 -

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Visko-

sität Die Viskositäten der bei verschiedenen Pumpeinstellungen bestrahlten Polyco 4300 Binder sowie des PEG Modifikats wurden in Abhängigkeit von der Scherrate bestimmt (Abbildung 17). Es hat sich gezeigt, dass nur die Einstellung P1 (100 kGy) zu einem signifikanten Anstieg der Viskosität führt. Pumpeinstellungen mit höheren Fließgeschwindigkeiten (geringeren Dosen) haben keinen negativen Einfluss auf die Viskosität der Binder und können verwendet werden. Dies könnte auch für die Bestrahlung eines PEG Modifikats bestätigt werden.

Abbildung 17: Viskosität vs. Scherrate für Polyco 4300 und Polyco 4300-PEG, bestrahlt im kontinuierlichen Betrieb unter Verwendung verschiedener Pumpleistungen

XPS Zum Vergleich mit den Daten der bisherigen Untersuchungen wurden XPS Spektren (Ta- belle 13) der bestrahlten Bindemittel aufgenommen. Die Elementzusammensetzung ist dabei vergleichbar mit den bisherigen Analysen. Das Verhältnis von Sauerstoff zu Koh- lenstoff (~ 1:2) des PEG Modifikats beispielsweise stimmt mit den bisherigen Daten über- ein.

Tabelle 11: XPS Ergebnisse der kontinuierlich bestrahlen Binder

Aus diesen Ergebnissen kann geschlossen werden, dass die mittels kontinuierlicher Be- strahlung gewonnen Binder mit den bisher (nicht-kontinuierlich) hergestellten Bindern vergleichbar sind.

Trock- nungs varia- tion

Die Beschichtungseigenschaften wurden in Abhängigkeit von den Trocknungsbedingun- gen untersucht. Es wurde bei unterschiedlichen Temperaturen getrocknet und dann die Oberflächen mikroskopisch untersucht und die resultierenden Eigenschaften analysiert.

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Abbildung 6 Polyco mit verschiedenen Modifizierungsreagenzien, unbestrahlt.

Oberflächenenergie in mN/m.

Abbildung 7 Polyco mit verschiedenen Modifizierungsreagenzien, bestrahlt.

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Abbildung 8 Hypod mit verschiedenen Modifizierungsreagenzien, unbestrahlt.

Abbildung 9 Hypod mit verschiedenen Modifizierungsreagenzien, bestrahlt.

Besonders auffällig bei Betrachtung der Oberflächeneigenschaften ist der starke Anstieg der dispersiven Teile der Oberflächenspannung für Hypod bei Trocknung bei 100°C, hier ist vermutlich die Oberflächenstruktur mit Ursache. Die Oberfläche zeigt deutliche Mikro- risse, wie in Abbildung 10 sichtbar.

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Mikro- skop

Abbildung 10 Mikroskopische Oberflächenaufnahmen bei variierter Trocknungstempera- tur

Fazit Die Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Bestrahlung von Bindemitteln in kontinuierlicher Weise möglich ist. Es kommt zu einer kovalenten Anbindung der Modifizierungsreagenzien, ohne dass dabei unerwünschte Nebenpro- dukte entstehen, Dabei ist zu beachten, dass die Gesamtdosis geringer sein sollte als bei einer nicht-kontinuierlichen Betriebsweise, da es sonst zu einer Verstopfung des Rohrsystems kommen kann. ES-Dosen bis 75 kGy (kontinuierlicher Betrieb) haben zu keiner nennenswerten Erhöhung der Viskosität ge- führt. Eine Dosis von 100 kGy führte jedoch zu einer erkennbaren Erhöhung der Viskosität, was zu einem Verstopfen des Rohrsystems geführt hat.

5.7 Beschichtungsformulierung und –applikation

Ziel Ziel ist, die ES-Modifikate in Papierbeschichtungen zu bringen. Dazu sind Bar- riere- und Hybridbeschichtungsrezepturen zu entwickeln und mit Auftragsver- fahren (Blade, Rakel) aufzutragen.

Vorbemerkun- gen

Modifikate sowie unmodifizierte Varianten der Binder Polyco 4300 und Hypod 2000 wurden zur Herstellung von Streichfarben genutzt und auf zwei verschiedene Substrate (Inkjet-Druckpapier, Faltschachtelkarton) aufgebracht. Die so hergestellten Beschichtungen wurden bzgl. ihrer Oberflächeneigenschaften charakterisiert. Parallel dazu wurden die (un)modifizierten Bindemittel mittels SPME GC/MS auf eventuelle toxische Bestandteile untersucht, welche durch die ES-Modifizierung entstanden sein könnten.

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Streichfarbe Die Herstellung der Streichfarbe erfolgte nach folgender Rezeptur:

- 100 Teile Pigment (Calciumcarbonat 90%, < 2 µm) - 12 Teile des Bindemittels

- Viskosität etwa 1000 mPa s

- Strichauftrag ca. 10 g/m² (Applikation mit Rakel)

Folgende Beobachtungen wurden dabei gemacht: Hypod 2000 ist besser zu verarbeiten als Polyco, da dieser rasch eindickt (hohe Viskosität, mit Wasser nachverdünnen). Ein möglicher Grund ist der leicht saure Charakter des Binde- mittels.

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Oberflächen- spannung

Die Oberflächenspannung verschiedener Bindemittelmodifikate in Streichfar- ben wurde über Kontaktwinkelmessungen ermitteln

Abbildung 11 Oberflächenergie verschiedener Streichfarben mit ES-modifizierten Bindemitteln. Oberflächenenergie in mN/m.

Fazit Die Oberflächenspannung von den gestrichenen Mustern variieren nur in geringer Weise innerhalb der unterschiedlichen Modifizierungsreagenzien. Der große Anteil an Pigmentslurry nivelliert hier Unterschiede. Dennoch haben die mit Hypod gestrichenen Oberflächen einen geringeren Oberflächenspannungs- wert, Bestrahlung erhöht hier den polaren Anteil. Es lässt sich keine klare Ten- denz ausmachen was die bestrahlten Polyco-Bindemittel angeht. Hervorzuhe- ben ist die deutliche Erniedrigung der Oberflächenspannung im Falle von Po- lyco-PEG, vor allem vor dem Hintergrund der Erhöhung der Polarität des puren Bindemittels während durch die Bestrahlung.

- 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00

b ub b ub b ub b ub

Hypod Hypod (PEG) Hypod (PVA) Hypod (PVP)

polar [mN/m]

dispers [mN/m]

- 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00

b ub b ub b ub b ub

Polyco Polyco (PEG) Polyco (PVA) Polyco (PVP)

(35)

Mögliche Neben- produkte der ES- Modifizierung

Zur Untersuchung der Entstehung möglicher bedenklicher Nebenprodukte durch die ES-Modifizierung wurden Proben der ausgestrichenen Binder mittels Festphasenmikroextraktion beprobt und mittels GC/MS untersucht. Die dabei detektierten Verbindungen sind in den folgenden Tabellen aufgelistet.

Tabelle 12: Mittels SPME GC/MS detektierbare Verbindungen aus Hypod.

Hypod Hypod EB 100

Hypod PVA

Hypod PVA EB 100 Benzene, 1,3-bis(1,1-dimethyl-

ethyl)- X X

Heptane, 5-ethyl-2-methyl- X

Dodecane, 2,6,10-trimethyl- X

2,4-Dimethyldodecane X X

Dodecane X

Decane, 4-methyl- X X X

Pentadecane X X X X

Nonadecane X X

Nonane, 2-methyl- X

Phenol, 2,4-bis(1,1-dimethylethyl)- X X X X

Undecane X X X X

Tabelle 13: Mittels SPME GC/MS detektierbare Verbindungen aus Polyco.

Polyco Polyco EB 100

Polyco PEG

Polyco PEG EB

100

Acetic acid X X X X

Acetic acid, butyl ester X X X

1-Butanol X X X

Cyclododecane X X X X

1-Dodecanol X X X X

Dodecanal X X X X

2-Dodecanone X X

3-Dodecanone X X

1-Dodecanol, methyl ether X

Decane X X

Decanal X

Dodecane X X X

3(2H)-Isothiazolone, 2-methyl- X X

3-Hydroxypropanoic acid

1-butyl ester X X X X

Butanoic acid, butyl ester X X

Benzaldehyde, 2,5-dimethyl- X

Benzaldehyde, 2,4-dimethyl- X X X

n-Butyl ether X X X X

Propanoic acid, butyl ester X X X X

Nonadecane X

Tetradecanal X X X X

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Tridecanal X X

Tridecane X X X X

Undecanal X X X X

Undecane X X X X

Methyl 4,6-decadienyl ether X

Fazit

Eine Untersuchung der Bindermischungen auf mögliche Nebenprodukte der ES-Modifizierung ist auf Grund der komplexen Zusammensetzung der Binde- mittel nur bedingt möglich. Die Analyse extrahierbarer Bestandteile mittels SPME GC/MS hat jedoch keine bedenklichen Verbindungen gezeigt, welche ausschließlich bei mit ES behandelten Proben auftraten.

5.8 Durchführung eines Technikumsversuches

Ziel Ziel ist, eine ausgewählte Rezeptur aus AP7 in einem Technikumsversuch auf das entsprechende Substrat aufzutragen.

Vorbemerkung Für den Technikumsversuch wurden 0,5 L des Polyco-PEG-75kGy (Pumpen- einstellung P2 der kontinuierlichen Bestrahlungsanlage, siehe AP6) am IOM hergestellt und die Charakteristika der Charge des Bindemittels überprüft.

Das modifizierte Bindemittel wurde dann bei PTS zur Herstellung von Streich- farben verwendet und im technischen Maßstab verarbeitet. Die dabei entstan- denen Beschichtungen wurden ebenfalls charakterisiert und mit den vorheri- gen Ergebnissen verglichen.

Elektronenstrahl- modifikation

Eine Probe des Modifikats Polyco-PEG-75kGy wurde auf einer Glasplatte ausgestrichen, getrocknet und anschließend analysiert. Der Wasserkontaktwinkel der Probe wurde mit 12 ± 1° bestimmt. Dies ist in guter Übereinstimmung mit der Vergleichsprobe derselben Modifizierung (10 ± 2°), welche mit der nicht- kontinuierlichen Verfahrensweise erzeugt wurde. Die Untersuchung mittels XPS ergab eine Elementzusammensetzung, welche deckungsgleich mit der in Tabelle 11 (siehe AP6) gezeigten Zusammensetzung ist. Dies macht Sinn, da es sich um dasselbe Modifikat handelt, welches für den Technikumsversuch in einem größeren Volumen dargestellt wurde.

Applikation Die Herstellung der Streichfarbe erfolgte nach folgender Rezeptur: Gesamtan- satz 2 Liter

- 100 Teile Pigment (Calciumcarbonat 90%, < 2 µm) - 12 Teile des modifizierten Polyco –PEG 75 kGy - Viskosität etwa 1000 mPa s

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- Strichauftrag ca. 10 g/m² (Applikation mit Rakel)

Am Laborcoater Sumet CU 8 wurde ein Beschichtungsversuch in Rollenfahrweise realisiert. Die hergestellte Streichfarbe wurde auf ein Faltschachtelkarton-Substrat aufgebracht und thermisch getrocknet.

 Gestrichen wurde mit folgenden Parametern mittels Kunststoffblade:

 Walzendruck: 25 N

 Bladedruck /- winkel: 10 N / 25°

 Geschwindigkeit 10 m/min

 IR-Trocknerleistung (Trocknereinheit, siehe Abbildung) wurde auf 60% gestellt und somit ein Auftragsgewicht von 10 g je m² erzielt

Fazit Das erhaltene Rollengestrichene Substrat glich in seinen Eigenschaften den zuvor im Labormaßstab erhaltenen Substraten. Die Strichdicke und – qualität war sogar noch etwas homogener. Eine Aufskalierung hin zum Technikums- maßstab ist möglich.

5.9 Konzept für die Technologie und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Ziel Ziel war die Erstellung eines konzeptionellen Entwurfes für ein ES-Verfahren zur Modifizierung von Polymerdispersionen im Bypass-Verfahren bei der Streichfarbenherstellung sowie die Wirtschaftlichkeitsbewertung von Technolo- gie und neuen Schichten.

Vorbemerkun- gen

In den vorangegangenen Arbeitspakten wurden die verschiedenen Bindemittel jeweils am IOM (Forschungsstelle 2) modifiziert und dann bei der PTS (For- schungsstelle 1) zur Herstellung von Streichfarben genutzt. Diese Konzeptio- nierung soll nun Kombination beider Arbeitsschritte berücksichtigen, so dass eine kontinuierliche Herstellung von ES-modifizierten Bindemitteln zur Herstel- lung von Streichfarben u.ä. möglich ist.

Abbildung 12 Trocknereinheit (Infrarot- strahler) am Technikum- coater der PTS

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Konzept Zur Erstellung eines Konzepts zur kontinuierlichen Herstellung von ES-modifizierten Bindemitteln können die Durchsätze eines durchschnittlichen Techni- kumsversuches (PTS) herangezogen werden. Dabei werden 5 L/h Streichfarbe hergestellt, wofür im Durschnitt 1 L/h Bindemittel verbraucht werden.

Wenn an Stelle der normalen Bindemittel deren ES-Modifikate zum Einsatz kommen sollen, muss ein zusätzlicher Prozessschritt integriert werden. Dabei muss zunächst das Bindemittel mit den zu verwendenden Modifizierungsrea- genzien gemischt werden und anschließend an der ES-Quelle vorgebeigeführt werden (Skizze in Abbildung 13). Zur Herstellung der ES-Modifikate eignen sich entweder eine kontinuierliche oder eine Bypass-Fahrweise. Eine diskontinuier- liche Fahrweise zur ES-Modifizierung der Bindemittel ist nicht ratsam, da so zusätzlich zum neuen Prozessschritt weiterer Aufwand für Lagerung etc. ent- steht. Dabei ist zu beachten, dass die ES-Modifizierung in einem für diese Tech- nik geeigneten Reaktionsraum (z.B. Glasrohr) stattfindet, welcher aktiv gekühlt werden muss um die bei der Bestrahlung entstehende Wärme abzuführen.

Die Kosten für Modifizierungsreagenzien wie bspw. PEG 400 (35€/L) sind ver- gleichsweise gering. Für die ES-Modifizierung sind des Weiteren keine Medien wie bspw. Stickstoff o.ä. notwendig. Der Stromverbrauch einer solchen Anlage wird im Wesentlichen von der Energie ausgemacht, welche für die Kühlung be- nötigt wird (maximale Kühlleistung der am IOM installierten ES-Quelle:

100 kW). Der Stromverbrauch der eigentlichen ES-Quelle ist im Vergleich dazu vernachlässigbar.

Der wesentlichste Kostenpunkt für die Installation ist die ES-Quelle selbst. Die Kosten für die am IOM aufgebaute ES-Anlage beliefen sich auf ca. 2,5 Mio.€.

Dabei ist jedoch zu beachten, dass für eine Anlage zur Bestrahlung von Binde- mitteln andere Spezifikationen benötigt werden, welche in engen Grenzen defi- niert werden können. Die Investitionskosten für eine ES-Anlage sollten dem- nach signifikant geringer ausfallen. Eine konkrete Abschätzung ist an dieser Stelle jedoch nicht möglich, da der jeweilige Durchsatz an zu modifizierenden Bindemitteln die Auslegung der ES-Quelle maßgeblich beeinflusst. Das Poten- tial für eine Kostenersparnis liegt im Preisunterschied von einfachen Bindemittel (ca. 1000 Euro / Tonne) zu Spezialbindemitteln (bis 2500 Euro / Tonne). Kann man eine Funktion der Spezialbindemittel durch Modifikation generieren, so ist durch einen Ersatz oder Teilersatz aufgrund der Elektronenbestrahlung eine wirtschaftliche Einsatzmöglichkeit gegeben.

(39)

Abbildung 13 Konzept zur kontinuierlichen Herstellung von Streichfarben mit ES-modifizierten Bindemitteln

Fazit Die Verwendung von mittels Elektronenstrahlung modifizierten Bindemitteln zur Herstellung von Papierbeschichtungen mit verbesserten Eigenschaften ist grundsätzlich möglich. Sowohl durch das Zumischen von Modifizierungsrea- genzien wie PEG als auch durch die Elektronenbestrahlung mit bzw. ohne Modifizierungsreagenz konnten die Eigenschaften der Bindemittel und der daraus resultierenden Papierbeschichtungen messbar verändert werden.

Gemessen am Grad der Veränderung der Eigenschaften muss jedoch ge- schlussfolgert werden, dass die erreichten Vorteile unzureichend sind um eine technische Umrüstung und Installation einer Anlage zur Elektronenbestrahlung der Bindemittel in einem bestehenden Produktionsprozess zu rechtfertigen.

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