Einleitung: Wasserbasierte Epoxidharze – wie man den „Ölschlucker“ Epoxid das „Schwimmen“ lehrt
Epoxidharzbeschichtungen sind der König im Korrosionsschutzbereich – beständig gegen Salzsprühnebel >3000 h, Haftfestigkeit >8 MPa, exzellente Chemikalienbeständigkeit –, aber sie sind lösemittelbasiert und wasserunlöslich. Die zentrale Herausforderung bei der Wasserbasierung von Epoxidharzen: Ein vollständig hydrophobes Epoxidharz und einen hydrophoben Aminhärter stabil in Wasser zu dispergieren und dafür zu sorgen, dass nach dem Verdunsten des Wassers beide normal zur Vernetzungsreaktion kommen und eine dichte, wasserundurchlässige Schicht bilden. Die Lösung der Chemiker: An die Moleküle von Epoxidharz und Aminhärter hydrophile PEO-Segmente (Polyethylenoxid) anzubringen – gleichsam dem Öl einen wässrigen Mantel überzustreifen. Die PEO-Segmente wechselwirken über Wasserstoffbrückenbindungen mit dem Wasser und lassen die Gesamtpartikel stabil in Wasser suspendiert bleiben.
Wasserverdünnbare Epoxidbeschichtungen werden hergestellt, indem in die Moleküle des Epoxidharzes und/oder des Aminhärters hydrophile Kettensegmente (PEO/PPO – Polyethylenoxid/Polypropylenoxid – nichtionisch hydrophil) eingeführt werden – wodurch das System in Wasser selbstemulgierend stabile submikrometrische Epoxid/Amin-Dispersionen bilden kann – nach dem Auftragen verdunstet das Wasser – Epoxidpartikel und Aminpartikel verschmelzen – eine Vernetzungsreaktion findet statt – ein dreidimensionales Netzwerk entsteht – ein Zweikomponenten-Wassersystem für industrielle Korrosionsschutzbeschichtungen, das sowohl die hohe Korrosionsschutzleistung von Epoxidharz (Salzsprühnebelbeständigkeit >1500–2500 h) als auch die umweltfreundliche Sicherheit von wasserverdünnbaren Beschichtungen (VOC <50–100 g/L) vereint.
I. Vergleich der zwei technischen Ansätze für wasserverdünnbare Epoxidharze
| Route | Prinzip | Partikelgröße (μm) | Wasserbeständigkeit | Salznebelbeständigkeit (h) | Aktueller Status |
|---|---|---|---|---|---|
| Type I: Selbstemulgierendes Epoxid | Epoxidharzmolekül chemisch mit hydrophilem PEO gepfropft – Selbstemulgierung durch Wasserzugabe | 0.5-2 | Mittel-Gut | 1500-2500 | >70 % Markt – am verbreitetsten |
| Type II: Fremdemulgierendes Epoxid | Konventionelles Epoxid + externer Emulgator – Hochgeschwindigkeitsdispergierung und Emulgierung | 2-10 (grob) | Schlecht (Emulgatorrückstände) | 500-1000 | <10 % – wird ausgemustert |
| Wässriges Aminaddukt-Härter | Aliphatisches Amin + geringe Menge Epoxid Vorreaktion – Addukt | Nach Mischung 0.5-3 | Gut | Mit Type I kombiniert – >1500-2500 | >60 % Anteil |
| Wässriger selbstemulgierender Aminhärter | Aminmolekül mit hydrophilem PEO/PPO gepfropft – Selbstemulgierung | Nach Mischung <0.5 (feinst) | Gut-Sehr gut | Mit Type I kombiniert – >2500-3500 | 15-20 % – High-End |
FAQ
Q1: Abbinden (Induction) von wasserverdünnbarem Epoxid – warum muss die Mischung aus A+B nach dem Mischen >30 min ruhen, bevor sie verarbeitet wird? Nach dem Mischen von A (Epoxidemulsion) und B (wässrigem Aminhärter) von wasserverdünnbarem Epoxid ist eine gewisse Abbindzeit erforderlich, damit die Aminmoleküle mit den Epoxidgruppen an der Oberfläche der Epoxidpartikel zunächst vorreagieren, wodurch ein Teil des hochreaktiven freien Amins verbraucht wird und das Risiko der Aminverblassung verringert wird (nicht umgesetztes freies Amin wandert an die Oberfläche und reagiert mit CO2/H2O aus der Luft zu weißen Carbamatflecken, was die Zwischenschichthaftung stark beeinträchtigt). Gleichzeitig bewirkt das Abbinden eine erste Verschmelzung von Epoxid- und Aminpartikeln, wobei die Partikelgröße von 0,5–2 μm auf 2–10 μm zunimmt, was das Einsetzen der Vernetzung anzeigt. Zu kurze Abbindzeit (60–90 min) lässt die Viskosität der Mischung steigen und nähert sich dem Limit der Topfzeit, was das Spritzen erschwert. 30 min (25 °C) ist das optimale Abbindfenster für die meisten wasserverdünnbaren Epoxidsysteme.
Q2: Warum ist die Topfzeit von wasserverdünnbarem Epoxid kürzer als die von lösemittelhaltigem – aber der Viskositätsanstieg steiler?Die Topfzeit von wasserverdünnbarem Epoxid beträgt typischerweise 2–6 h (25 °C) – kürzer als die von lösemittelhaltigen Polyamid-Systemen (>8 h) – aufgrund der Überlagerung zweier Faktoren: (1) Die Anwesenheit von Wasser – Wasser ist ein polares Lösungsmittel – beschleunigt die Ringöffnungsreaktion von Amin und Epoxid (Wassermoleküle aktivieren das Epoxid durch Wasserstoffbrückenbindungen – senken die Aktivierungsenergie der Reaktion); (2) Kontinuierliche Wasserverdunstung – erhöht allmählich den Feststoffgehalt des Systems – vergrößert die Partikelkonzentration – steigert die Kollisionsfrequenz zwischen Partikeln – beschleunigt die Vernetzungsrate – erhöht die Viskosität. Dies ist der Grund, warum die Viskositäts-Zeit-Kurve von wasserverdünnbarem Epoxid steiler verläuft – in den ersten 2–3 h steigt die Viskosität langsam – nach 3–4 h plötzlicher Anstieg – bei etwa 4–6 h ist möglicherweise kein Spritzen mehr möglich. Schlüssel für das Bauausführungsmanagement: Mischmenge pro Charge kontrollieren (nicht mehr als in 2 h verspritzbar – kleine Mengen, häufiger mischen) – Umgebungstemperatur bei der Verarbeitung senken (<25 °C – verzögert die Reaktion – verlängert die Topfzeit).
Q3: Wasserbeständigkeit von wasserverdünnbarem Epoxid – Warum verringert die selbstemulgierende PEO-Hydrophilkette die Wasserbeständigkeit der Beschichtung – Wie kann man das kompensieren?Bei Typ-I-selbstemulgierendem Epoxid hinterlässt die gepfropfte PEO-Hydrophilkette (-CH2CH2O- – geht über Wasserstoffbrückenbindungen eine starke Wechselwirkung mit Wasser ein) nach dem Trocknen der Beschichtung – im Inneren der Beschichtung – und wird zur Autobahn für die Wasserpenetration – Wassermoleküle diffundieren entlang der PEO-Segmente schnell – senkt den Beschichtungswiderstand – beschleunigt die Korrosion. Kompensationsstrategien: (a) PEO-Gehalt minimieren – solange ausreichend für Selbstemulgierung (10 %) – verringert die Wasserpenetrationswege; (b) Vernetzungsdichte maximieren – ein hochdichtes Vernetzungsnetzwerk fixiert die PEO-Ketten – begrenzt deren Bewegung – verringert die Wechselwirkung mit Wasser; (c) hydrophobe Modifizierung – am PEO-Ende hydrophobe Alkylgruppen (C12–C18) anbinden – verhindert die Wasserpenetration entlang des PEO – bewahrt gleichzeitig die Selbstemulgierungsfähigkeit des PEO – dies ist derzeit der beste Ausgleichsansatz.
Verwandte Lektüre
Zusammenfassung
Wasserverdünnbare Epoxidbeschichtungen – durch PEO/PPO hydrophile Modifizierung – erreichen Selbstemulgierung von Epoxid und Aminhärter in Wasser – Typ-I-Selbstemulgierung + wässriges Aminaddukt ist das aktuelle Hauptsystem (>70 % Marktanteil) – opfert teilweise Wasserbeständigkeit (Salzsprühnebelbeständigkeit 1500–2500 h vs. lösemittelhaltig >3000 h) für Sicherheit und Umweltfreundlichkeit (VOC 30 min – Eliminierung freier Amine), Pot-Life-Management (2–6 h – in kleinen Mengen, häufiger), Verdunstungskontrolle des Wassers (langsamtrocknende Filmbildungshilfsmittel – verhindert Nadelstiche und Ablaufen). Kexin New Materials bietet Kunden vollständige wässrige Epoxidrezepturen und Unterstützung bei der Auswahl wässriger Aminhärter.