Crosslinking of Polyesters in Emulsion Droplets

Abstract

Fremskritt innen alkydemulsjoner er nødvendig for å forbedre svakheter som lange tørketider og myke filmer assosiert med alkydmaling. Å øke molekylvekten kan redusere herdetiden og forbedre hardheten til filmene.

En fullstendig studie på et forenklet base-system for en alkydmaling som involverte alkyden før emulgering ble utført. Målet var å identifisere gjennomførbare reaksjonsforhold, basert på Diels-Alder reaksjonsmekanisme, som direkte kan være anvendelige ved den industrielle produksjonslinjen ved Jotun AS. Et forenklet system ble undersøkt som involverte alkyden før emulgering. Det ble funnet at valg av kryssbinder, konsentrasjon og reaksjonstid spiller avgjørende roller i molekylvekten i sluttproduktet. Den største økningen i molekylvekt ble oppnådd med økte temperaturer, forlengede reaksjonstider og kryssbinder pentaerytritol tetraakrylat. Dette ble ekstrapolert til det emulgerte systemet. Imidlertid viste emulsjonssystemet seg til å være mer komplekst og sidereaksjoner ble observert. Den viktigste sidereaksjonen antas å være forårsaket av hydrolyse av esterbindingen i alkyden.

Studien viste også at kryssbinderen kunne tilsettes alkyden før emulgering uten at dette begrenset muligheten for emulgeringsprosessen. Dette var fordelaktig for noen av utfordringene som oppsto ved å tilsette kryssbinderen etter emulgering. Gjennom dette settet av eksperimenter ble den største økningen i molekylvekt oppnådd med kryssbinder 1,1’(metylendi-4,1-fenylen)bimaleimid (MPB).

En mekanisk studie ble utført med den konjugerte fettsyren. Det var ingen indikasjoner på at Diels-Alder reaksjonen skjedde. I stedet ble en autoksidativ reaksjon mellom fettsyren og oksygen fra atmosfæren bekreftet. En annen reaksjon som ble påvist var transesterifisering av esterbindingen i fettsyren av en alkohol. Kryssbindingens rolle i alkyd- og alkydemulsjonsreaksjonene ble ikke bestemt selv om det ble funnet til å ha en avgjørende effekt på den endelige molekylvekten.

Advances in the alkyd emulsions are required to improve shortcomings such as long drying times and softness associated with alkyd paints. Increasing the molecular weight can reduce the curing time and improve the hardness of the films.

A complete study on a simplified base system for an alkyd paint, involving the crosslinker of the alkyd prior to emulsification was carried out. The goal was to identify viable reaction conditions, based on the Diels-Alder reaction mechanism, that can be directly applicable to the industrial production line at Jotun AS. It was found that the choice of crosslinker, concentration and reaction times play crucial roles in the molecular weight of the final product. The largest increase in molecular weight was achieved with increased temperatures, prolonged reaction times and crosslinker pentaerythritol tetraacrylate (PT). This was extrapolated to the emulsified system. However, the emulsion system proved to be much more complex and side-reactions were observed. The main side-reaction is believed to be caused by hydrolysis of the ester backbone in the alkyd.

The study also showed that the crosslinker could be added to the alkyd prior to emulsification without restricting the emulsification process. This bypassed some of the challenges encountered by adding the crosslinker post-emulsification. During this series of experiments, the largest molecular weight was obtained with crosslinker 1,1’(methylenedi-4,1- phenylene)bismaleimide (MPB).

A mechanical study was conducted with the conjugated fatty acid. There were no indications that the Diels-Alder reaction occurred. Instead, an autoxidative reaction between the fatty acid and oxygen from the atmosphere was confirmed. Another reaction detected was the transesterification of the ester bond in the fatty acid by an alcohol species. The role of the crosslinker in the alkyd and alkyd emulsion reactions was not determined although it was found to have a crucial effect on the resulting molecular weight.