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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-95279
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2019/9527/


Redispergierung industrieller Dispersionspulver : Einflussgrößen und Charakterisierungsmöglichkeiten

Redispersion of Industrial Polymer Powders : Main Factors of Influence and Characterization

Idzikowski, Philip

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Redispergierung , Dispersionspulver , Methodenentwicklung , Redispergierungsmechanismus, Optimierung
Freie Schlagwörter (Englisch): Redispersion , Dispersion powders , Method development , Redispersion mechanism , Optimization
Basisklassifikation: 35.18
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Moritz, Hans-Ulrich (Prof. Dr)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 18.12.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 18.01.2019
Kurzfassung auf Deutsch: Bauchemische Additive gewinnen in Zeiten von Migrationsbewegungen, akuter Wohnungsnot in Deutschland, sowie der in Asien stetig steigenden Urbanisierung immer stärker an Bedeutung. Entsprechend werden an moderne Baustoffe, wie Mörtel, Estriche, oder Beton immer höhere Anforderungen gestellt, welche durch Einsatz von Dispersionspulvern (polymeres Bindemittel) befriedigt werden. Dispersionspulver sind hierbei die sprühgetrockneten, wässrigen Polymeremulsionen, welche während des Trocknungsvorgangs mit Anti-Blockmittel behandelt werden und sorgen für die speziellen Eigenschaften moderner Baustoffe, wie Hydrophobie, Elastizität, Haltbarkeit, Pumpbarkeit und zeitgenaues Abbindeverhalten. Die Sprühtrocknung von Emulsionen wird aus Gründen der Lagerstabilität, Transportkostenminimierung und der Möglichkeit, Werkstrockenmörtel (1K-Systeme) anzubieten, durchgeführt. Nach der Trocknung werden sie an den Anwendungsort verbracht, in Wasser redispergiert und zusammen mit Zuschlägen (z.B. Sand, Zement, Kies) oder als 1K-System entsprechend der Anwendung appliziert (z.B. als Mörtel). Eine zentrale Rolle für die genannten Eigenschaften stellt die Redispergierbarkeit des Dispersionspulvers dar, da bei idealer Redispergierung die Partikelanzahl, Oberfläche und Eigenschaften der wässrigen Emulsion vollständig wiederhergestellt werden.
Zunächst wurde zur Durchführung dieser Arbeit der Begriff „Redispergierbarkeit“ definiert. Diese beschreibt einerseits wie vollständig ein Dispersionspulver wieder in seine Primärlatices redispergiert, andererseits wie schnell es dies vollzieht. Folgend wurden drei Hauptziele formuliert: 1.) Identifizierung eines kosten- und zeiteffizienten Verfahrens zur Charakterisierung der Redispergierbarkeit industriell hergestellter Dispersionspulver, 2.) Erweiterung des Verständnisses über die ablaufenden Prozesse während der Redispergierung und 3.) Aufzeigen von Optimierungsmöglichkeiten von Dispersionspulvern.
Zur Identifizierung einer Untersuchungsmethode zur Beschreibung der Redispergierbarkeit wurde ein Methodenscreening von insgesamt 20 unterschiedlichen Methoden durchgeführt. Von den insgesamt 20 untersuchten Methoden konnten sechs Methoden zur Untersuchung der Redispergierbarkeit als geeignet festgestellt werden. Zwei davon, Photonendichtewellen-Spektroskopie (PDW-Spektroskopie) und statische Lichtstreuung (SLS) wurden kombiniert eingesetzt. Die vier weiteren umfassen die Zerfallszeit von zu Tabletten gepressten Dispersionspulvern, die Tropfenkonturanalyse von Wassertropfen auf zu Tabletten gepressten Dispersionspulvern, die optische Mikroskopie an Dispersionspartikeln und die gravimetrische Messung des PVOH-Matrixzerfalls. Mit Hilfe dieser sechs Methoden, sowie ergänzender Methoden, war es möglich einen vierstufigen Mechanismus der Redispergierung zu identifizieren, bestehend aus Benetzung, Diffusion, Quellung und schließlich dem Zerfall.
Eine Optimierung der Dispersionspulver kann im Wesentlichen über zwei Wege erfolgen: die Veränderung des Anti-Blockmittels und die Wahl des Verdüsungsschutzkolloides (PVOH). Bei den Dispersionspulvern, welche mit steigender Kompressionsrate ansteigende Zerfallszeiten zeigten, kann die Verblockung durch zusätzliches Anti-Blockmittel oder Änderung der Anti-Blockmittelmischung verbessert werden. Die erwartete freie Benetzungsenthalpie eines Dispersionspulvers kann mithilfe einer bekannten Oberflächenzusammensetzung vorhergesagt werden und die Benetzungseigenschaften zukünftiger Dispersionspulver gezielt eingestellt werden.
Die Wahl des Verdüsungsschutzkolloids gestaltet sich herausfordernder, da hierdurch drei Schritte des Mechanismus beeinflusst werden. Zur Verbesserung der Redispergierbarkeit wäre ein hoher Quellkoeffizient (= schnelle Diffusion) und ein niedriger Interaktionsparameter χ (= starke Quellung) von Vorteil. Generell muss sich die Empfehlung aber stark an der Anwendung orientieren, da starke Quellung und darauf folgender starker Schrumpf im Bausektor oftmals unerwünscht sind. Es ist daher anzuraten eine Mischung aus den Verdüsungsschutzkolloiden M04/88, M13/88 und S-1 zu verwenden. Der Vorteil ist eine maximale Anwendungsbreite, da ein niedermolekularer PVOH (M04/88) für eine langsamere Wasserdiffusion sorgt, dafür wenig quellt und am vollständigsten dispergiert. In einem höhermolekularen PVOH (M13/88) diffundieren die Wassermoleküle schneller, der PVOH quellt stärker, dafür findet die Redispergierung weniger vollständig statt. Letztlich diffundieren die Wassermoleküle in einem vollhydrolysierten, modifizierten PVOH (S-1) am schnellsten, bei minimaler Quellung und bei mittleren dispergierten Anteilen. Eine ungefähre Verdopplung des Verdüsungsschutzkolloids (PVOH) halbiert den Quellkoeffizienten, erniedrigt den Interaktionsparameter und redispergiert nahezu vollständig. Daraus folgt, dass die Redispergierbarkeit eines Dispersionspulvers stärker vom Gewichtsanteil des PVOH’s abhängt, als von der Art/Mischung des eingesetzten PVOH‘s.
Kurzfassung auf Englisch: Chemical construction products gain increasing importance in times of migration, acute housing shortage in Germany, as well as constant growth of urbanization in Asia. Modern construction materials, such as concrete, mortars and self-leveling compounds, have to fulfill an increasing list of requirements, which are met by the usage of dispersion powders (polymeric binders). The worldwide market volume of dispersion powders will increase to 30 billion dollars by 2019. Dispersion powders are spray-dried water-based emulsions, which are treated with anti-caking agents during the drying process and which guarantee the special properties of modern building materials, such as hydrophobicity, elasticity, pumpability and a time-accurate settling behavior. The spray-drying of emulsions is carried out to achieve increased storage stability, reduction of transportation costs and the possibility to offer dry-mix mortars. After drying, the dispersion powder is transported to its destination, redispersed in water and applied with other supplements (sand, cement, gravel) or as a one-component-system (e.g., as dry-mix mortar). The redispersibility of a dispersion powder plays a central role in ensuring (maintaining) the mentioned properties, since an ideal redispersion would mean the full recovery of particle numbers, surfaces and emulsion properties.
First of all, a clear definition of the term “redispersibility” has to be given in this work. This term describes on the one hand, how completely a dispersion powder redisperses to its primary latices and, on the other hand, how fast it redisperses. In the following, three main objectives were formulated: 1.) Identify cost- and time-effective methods to characterize the redispersibility of industrially produced dispersion powders, 2.) Expand the understanding of the processes occurring during redispersion and 3.) Show opportunities for the improvement of dispersion powders.
To identify an investigative method describing the redispersibility a method screening of 20 different methods was carried out. Of these 20 methods, six of them were considered as suitable. Two of them, the Photon Density Wave (PDW) spectroscopy and the static light scattering (SLS), were used as a combined method. The four further methods consist of the disintegration time of dispersion powders compressed in tablet form, the drop shape analysis of water on such a tablet of dispersion powder, the optical microscopy of dispersion particles and the gravimetric measurement of the PVOH matrix disintegration. With the aid of these six methods, as well as some additional methods, it was possible to identify a four-step redispersion mechanism consisting of wetting, diffusion, swelling and finally disintegration.
The optimization of dispersion powders can be carried out in two ways: By changing the anti-caking agent and by choosing the appropriate protective colloid (PVOH). The dispersion powders, which show increasing disintegration times with increasing compression rates, could be improved using additional anti-caking agent or by changing the anti-caking mixture. The expected free wetting enthalpy of a dispersion powder can be predicted using the known surface composition, thus enabling a tailor-made wetting behavior of future dispersion powders.
The choice of the protective colloid seems to be more challenging, because it influences three steps of the identified mechanism. To improve the redispersibility, a high swelling coefficient (= fast diffusion) and a low interaction parameter (= strong swelling) would be favorable. Generally, a recommendation should be application-oriented, since a strong swelling followed by shrinkage is usually not desirable in the construction industry. It is, therefore, recommended to use a mixture of the protective colloids M04/88, M13/88 and S-1. The advantage is a maximal range of applications, since a low molecular PVOH (M04/88) shows a slow diffusion, a weak swelling and a nearly complete redispersion. A higher molecular PVOH (M13/88) shows a slightly faster diffusion and a stronger swelling, but it redisperses less fully. Additionally, the flexibility increases with a higher molar mass, which leads on the one hand, to higher disintegration times through caking, but, on the other hand, to a higher elasticity of the final material (e.g. concrete). Ultimately, the water molecules diffuse the fastest in the fully hydrolyzed, modified PVOH (S-1), showing minimal swelling with an average amount of dispersed parts. The approximate doubling of the protective colloid (PVOH) halves the swelling coefficient lowers the interaction parameter and causes nearly fully redispersion. Therefore, it can be concluded that the redispersibility of a dispersion powder is more influenced by the mass fraction of the PVOH than by the type/mixture of the PVOH used.

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