Synthese und Eigenschaften von amphipolaren Copolymeren und Untersuchungen zur Polymer/Pigment-Wechselwirkung mit Titandioxid

Abstract

Bei allen Anwendungen von Pigmentdispersionen kommt es auf einen möglichst hohen Dispersionsgrad der Pigmente an, um deren Eigenschaften optimal nutzen zu können. Daher werden Pigmentdispersionen mithilfe spezieller Additive stabilisiert. Gegenwärtig verfügen Pigmenthersteller und –verarbeiter über eine große Auswahl an Dispergier- und Stabilisieradditiven. Allerdings liegen nur sehr ungenügende Kenntnisse über die Zusammenhänge zwischen der Struktur des Additives und der Wirkung bei der Stabilisierung vor. Ziel der Arbeit war es, Grundlagen für eine gezielte Auswahl eines effizienten Stabilisators zu erarbeiten. Dabei wurde angestrebt, neue Erkenntnisse darüber zu erhalten, welche Strukturen von amphipolaren Copolymeren welche Effekte bei der Polymer/Pigment-Wechselwirkung verursachen und welche Strukturen für welche stabilisierenden Effekte verantwortlich sind. D.h. es sollten mögliche charakteristische Unterschiede zwischen amphipolaren Copolymeren mit unterschiedlichen Molekülarchitekturen aufgezeigt und daraus resultierende Struktur/Wirkungsbeziehungen aufgestellt werden. Deshalb sollte an amphipolaren Block-, Pfropf- und statistischen Copolymeren untersucht werden, welche Polymer/Pigment-Wechselwirkungen und Stabilisiereffekte auftreten, um grundsätzliche Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Polymertypen abschätzen zu können. Nach Synthese und Charakterisierung der amphipolaren Copolymeren, welche Poly(methylmethacrylat) als unpolares Strukturelement und Poly(methacrylsäure) als polar-ionisches Strukturelement enthielten, wurde deren Wechselwirkung mit anorganischen Pigmenten (TiO2) untersucht. Mittels IR-Spektroskopie in diffuser Reflektion (DRIFT) wurde die Adsorption der Copolymeren auf die Pigmentoberfläche nachgewiesen und bestimmt, mit welchem der beiden Strukturelemente sich die Copolymeren auf die Pigmentoberfläche adsorbieren. Mittels der Elektrokinetischen Schallamplituden (ESA)-Methode wurden an wässrigen Titandioxiddispersionen Aussagen zur Kinetik des Adsorptionsvorgangs getroffen und Adsorptionsisothermen erhalten. Über eine Variation des pH-Wertes bei den ESA-Messungen wurde der Einfluss des Ladungsverhältnisses der Polymere und Pigmente zueinander bei der Adsorption untersucht. Mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) wurden Aussagen zur Adsorptionsschichtdicke getroffen. Durch Sedimentationsanalysen an wässrigen Dispersionen der Pigmente wurden Aussagen zur Dispersionsstabilität erhalten.

In all applications of pigment dispersions a high degree of dispersion of the pigments is required in order to avail their properties in an optimal way. Therefore pigment dispersions are stabilized by the use of particular additives. At present pigment manufactures and users can select dispersion additives and stabilizing agents out of a large variety of commercially available products. Actually only little is known about the correlations between the molecular structure of the additive and its stabilizing effect, however. The objective of this thesis was the evaluation of basics that ensure a selective choice of an efficient stabilizer. It was aimed to evaluate which kind of molecular structures may cause what kind of effects in the polymer/pigment interaction and which kind of structures may cause what kind of stabilizing effects. Eventually occurring differences in the polymer/pigment interaction between amphipolar copolymers with different molecular architectures should be determined and relations between the structure of the polymers and their stabilizing efficiency should be evaluated. Hence, in order to evaluate basic advantages/disadvantages in the use of the different copolymer types it should be investigated which polymer/pigment interactions and stabilizing effects occur using amphipolar block, graft and random copolymers. After synthesis and characterization of the amphipolar copolymers, which contained poly(methylmethacrylate) as the non-polar part and poly(methacrylic acid) as the polar-ionic part, their interaction with inorganic pigments (TiO2) was investigated. The adsorption of the copolymers onto the pigment surface was verified by diffuse reflectance infrared spectroscopy (DRIFT). Simultaneously it was determined which structural component acted as the anchoring group. By means of the electrokinetic sonic amplitude (ESA) method the kinetics of the polymer adsorption was investigated and adsorption isotherms were determined using aqueous titanium dioxide dispersions. By ESA measurements at different pH values the influence of the polymer/pigment charge ratio on the adsorption was investigated. By means of transmission electron microscopy (TEM) information about the adsorption layer thickness were evaluated. By sedimentation analysis the stability of aqueous pigment dispersions was determined.