Synthesis and properties of novel rheological modifiers for high solid coatings

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden neue rheologische Additive für lösungsmittel-basierende High Solid Einbrennlacke synthetisiert und charakterisiert. Der Schwerpunkt lag auf der Derivatisierung von telechelen Polyestern. Weiters wurden aber auch Additive auf Basis von Di- und Trimerfettsäure und Polytetrahydrofuran hergestellt. Um Additive mit unterschiedlicher Anzahl von Hydroxygruppen (1-10) zu erhalten, wurden diese Ausgangsmaterialien mit verschiedenen Aminohydroxy-verbindungen (z.B. Ethanolamin, Glucamin...) endgruppenmodifiziert. Mittels rheologischer Messungen wurden die Eigenschaften der neuen Additive untersucht. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Anzahl der Hydroxylgruppen einen direkten Einfluss auf den Scherverdünnungsfaktor, der ein Maß für die Effizienz des Aufbaus von Überstrukturen darstellt, hat. Abgesehen von der Anzahl an OH-Gruppen ist auch deren räumliche Nähe ein entscheidender Faktor für die rheologische Aktivität. Weiters ist die Flexibilität und Zugänglichkeit der Endgruppe eine nicht zu vernachlässigende Größe für die rheologischen Eigenschaften. Zusätzlich wurde festgestellt, dass sowohl das Pigment als auch das Lösungsmittel einen entscheidenden Beitrag zur Wirkung dieser Additive liefern. Einerseits zeigte sich, dass ohne das Pigment keine "Ankerpunkte" zur Ausbildung eines dreidimensionalen Netzwerkes, das die hohe Viskosität bei niedriger Scherung verursacht, vorhanden sind. Andererseits wurde festgestellt, dass die Wasserstoffbrückenbindungen der Additive zur Partikeloberfläche stark durch protische Lösungsmittel beeinflusst werden. Abgesehen davon konnten keine weiteren generell gültigen Schlussfolgerungen gezogen werden, da einerseits manche Additive eine zu geringe Löslichkeit zeigten, andererseits Polytetrahydrofurane-Derivate trotz ihrer sehr definierten Struktur und teilweise hoher rheologischer Aktivität keine eindeutigen Aussagen über Struktur-Wirkungs-Mechanismen zuließen.<br />

In the present work, novel rheological additives for solvent borne high solid paints were synthesised and characterised. The main focus was on derivatisation of telechelic polyesters, but dimeric and trimeric fatty acids as well as polytetrahydrofurane derivatives were also prepared. Amino hydroxyl compounds containing one to ten hydroxyl groups (i.e diethanolamine, glucamine...) were attached to these polymer backbones. The rheological properties of the novel modifiers were investigated by rheological measurements in typical high solid thermosetting paints to elucidate the influence of the end groups on the rheological performance. According to the shear thinning factors of the paints an increasing numbers of hydroxyl groups yields a more efficient rebuilding of a superstructure until a maximum in the range from five to six HO-moieties is reached. It was found that a spatial closeness of the hydroxyl groups as well as the flexibility and accessibility of these moieties has a significant impact on the rheological performance. Apart from this it was exhibited that the pigment as well as the nature of the solvent has a strong influence on the rheological activity of hydroxyl end groups. Without pigment no shear thinning behaviour can be observed due to the lack of "anchor points" for the formation of a three dimensional network. Hydroxyl end groups were found to be sensitive towards protic solvents, while carboxylic end groups are not influenced.<br />Apart from these rather general results no clear correlation between the structure of the end group and the activity in the paint formulation was found. Reasons for this were (i) an insufficient solubility/dispersibility of several compounds which resulted in the need of a protic solvent as solubility promoter and (ii) the fact that the with respect to the backbone structure well defined polytetrahydrofurane derivatives showed a strongly varying behaviour.