Als Colöser werden polare Lösemittel, die mit Wasser teilweise oder vollständig mischbar sind, eingesetzt. Bevorzugt Anwendung finden Monoalkylether von Ethylenglycol, Diethylenglycol und Propylenglycol, wie das Butylglycol sowie verschiedene Alkohole, wie iso- oder sec-Butanol. Colöser beeinflussen weiterhin so wichtige Eigenschaften wie Pigment- und Substratbenetzung, Trocknungsverlauf und Verfilmung.

Die Viskosität ist weiterhin vom Grad der Neutralisation und von der Art des Neutralisationsmittels abhängig, da viele Amine auch als Lösungsvermittler wirken. So werden beispielsweise nach Neutralisation mit Triethylamin niedrigviskosere Produkte erhalten als nach Neutralisation mit Dimethylethanolamin. Ammoniak dagegen wirkt kaum als Lösungsvermitttler.

Bei Auswahl des Neutralisationsmittels ist besondere Aufmerksamkeit den Trocknungsbedingungen und damit der Flüchtigkeit des Neutralisationsmittels zu widmen, da im Polymerfilm verbleibende Salzgruppen die Wasserbeständigkeit verschlechtern. Für lufttrocknende Beschichtungen werden Ammoniak bzw. leichter flüchtige Amine, wie Triethylamin und DMAMP eingesetz. Für ofentrocknende Beschichtungen bevorzugt DMEA und AMP.

Es sei aber darauf verwiesen, das in vielen Fällen auch nach längerer Trocknungszeit grössere Mengen Neutralisationsmittel im Film nachweisbar sind.

Synthese wasserlöslicher Alkydharze

Wasserlösliche Alkydharze werden heute hauptsächlich über eine zweistufiges Verfahren hergestellt. In der ersten Stufe wird das Harz zu niedrigen Säurezahlen gefahren, wobei ein höherer Hydroxylgruppengehalt kalkuliert wird. In der zweiten Stufe wird dann das Harz mit Polycarbonsäuren bzw. bevorzugt mit deren Anhydriden umgesetzt. Bei Verwendung der Säureanhydride kann diese Umsetzung bei Reaktionstemperaturen von 160-170 °C erfolgen, was eine Weiterkondensation des Harzes weitgehend ausschließt. Bevorzugten Einsatz findet das trifunktionelle Trimellitsäureanhydrid, da hiermit die gewünschte Säurezahl bei einem geringeren Verbrauch an Hydroxylgruppen erreichbar ist. Nach Zugabe des Colösemittels und Neutralisation ist das Harz mit Wasser verdünnbar.

Problematisch ist bei den wasserverdünnbaren Alkydharzen die geringe Verseifungsstabilität, was Änderungen in Molmasse, Viskosität und pH-Wert zur Folge hat. Dieser Effekt ist bei ortho-Phthalsäureharzen aufgrund des anchimerischen Effektes (Abb. 6), bei dem die der Estergruppe benachbarte Carboxylatgruppe die Esterspaltung über die Ausbildung eines Säureanhydrid-Intermediats katalysiert.

Stabilere Produkte werden durch Substitution der ortho-Phthalsäure durch ihre Isomeren Terephthalsäure und Isophthalsäure sowie sterische Abschirmung der Estergruppen erhalten.

Modifizierte wassermischbare Alkydharze

Wasserverdünnbare Alkydharze sind prinzipiell den gleichen Modifikationen zugänglich wie klassische lösemittelbasierende Harze. So kann durch Acrylmodifizierung eine Verbesserung der Trocknung, der Witterungs-beständigkeit sowie der Filmmechanik erreicht werden.

Eine spezielle Synthesemethode führt zu selbstemulgierenden modifizierten Alkydharzen, die aus einem hydrophoben Teil, dem eigentlichen Alkyd-Segment, und einem hydrophilen Polymer-Segment aufgebaut sind. Diese Harze bilden Emulsionen in denen die hydrophilen Molkülsegmente den hydrophoben Teil einhüllen und eine Kern-Schale- bzw. Core-Shell-Struktur ausbilden (Abb. 7).

Tab. 2: Übersicht über Eigenschaften und Anwendungen verschiedener wasserverdünnbare modifizierte Alkydharze

Extern emulgierte Alkydharze

Die Emulgierung hydrophober Harze in Wasser kann auch mit Hilfe grenzflächenaktiver Substanzen erfolgen, die zwischen hydrophober Harz- und hydrophiler Wasser-Phase vermitteln. Die Emulgatoren besitzen einen amphiphilen Molekülaufbau und ermöglichen durch die Herabsetzung der Grenzflächenspannung Öl in Wasser- (O/W) bzw. Wasser in Öl- (W/O) Emulsionen

Zur Abschätzung der Eignung von Emulgatoren kann der HLB-Wert (Hydrophilic Lipophilic Balance) herangezogen werden, der das Verhältnis der Stärke des hydrophilen zur Stärke des hydrophoben Anteils im Molekül ausdrückt.

Die Klassifizierung der Emulgatoren erfolgt auf einer Skala von HLB-Werten von 0 – 20. HLB-Werte <10 kennzeichnen eher lipophile Moleküle, die sich bevorzugt in der Ölphase einer Emulsion lösen und eher W/O-Emulsionen bilden. Emulgatoren mit HLB-Werten >10 sind hydrophile Emulgatoren. Diese besitzen eine größere Wasserlöslichkeit und bilden bevorzugt O/W-Emulsionen.
Meist werden heute nichtionische sowie anionische Emulgatoren eingesetzt (Abb.x). Nichtionische Emulgatoren stabilisieren die Emulsionstropfen über sterische Abschirmung. Sie sind stabil gegen Salze, zeigen aber eine gewisse Empfindlichkeit gegen erhöhte Temperaturen. Durch ionische Emulgatoren elektrostatisch stabilisierte Emulsionen sind in der Umkehrung dagegen wenig empfindlich gegen Temperaturerhöhungen, werden aber durch Elektrolyte beeinflusst.

Grundstruktur nichtionischer und ionischer Emulgatoren

Ionische Emulgatoren
(bevorzugt Sulfate und Sulfonate)

R-(O-CH₂-CH₂-)_X – OSO₃-

R-(O-CH₂-CH₂-)_X – SO₃-

Nichtionische Emulgatoren

R-(O-CH₂-CH₂-)_Y – OH

R = Alkyl- bzw. Aryl-
X = 10-30
Y = 10-50

In bezug auf den Emulgiervorgang sei an dieser stelle nur kurz auf zwei mögliche Emulgiertechniken hingewiesen. Zum einen kann eine direkte Emulgierung erfolgen, bei der das Harz direkt in die wässrige Phase einemulgiert wird. Der zweite Weg ist das Phasen-Inversions-Verfahren. Hier wird das Wasser in das Harz unter Ausbildung einer W/O- Emulsion einemulgiert, die nach Erreichen des Phaseninversionspunktes, der ähnlich der bei wasserdünnbaren Alkydharzen beschriebenen Viskositätsanomalie mit einem Viskositätsmaximum verbunden ist, in eine O/W- Emulsion umschlägt, wobei nach diesem Verfahren eine gleichmässigere Grössenverteilung der Harztröpfchen erreicht werden soll.

Um ausreichend stabile Emulsionen zu erhalten, ist eine sehr feine Harzverteilung notwendig. Dies wird erreicht durch Herabsetzung der Grenzflächenspannung, d.h. durch den entsprechenden Einsatz von Emulgatoren und gegebenenfalls Neutralisationsmitteln, durch Erhöhung der zur Emulgierung eingebrachten Schehrkräfte sowie die Absenkung der Viskosität des zu emulgierenden Harzes. Hierzu können gegebenenfalls auch Lösemittel zum Einsatz kommen.

Der besondere Vorteil solcher Alkydharzemulsionen liegt jedoch in der Möglichkeit VOC-freie Beschichtungssysteme zu formulieren. Es können zudem höhere Feststoffgehalte von ca. 50-60% erhalten werden, was zu einer Verbesserung der Fülle beiträgt.

Die Emulgatoren führen allgemein zu einer Verringerung der Trocknungsgeschwindigkeit und zu einer geringeren Härteausbildung der Filme gegenüber lösemittelhaltigen Lacken. Durch Variation beispielsweise des Ölgehaltes kann hier aber ein gewisser Ausgleich erfolgen.

Mit dem Synthalat AEM 440 steht dem Markt eine schnelltrocknende mittelölige Alkydharzemulsion zur Verfügung, die zwar für den Holzbereich konzipiert ist aber auch im Bereich des Korrosionsschutzes sehr ansprechende Ergebnisse zeigt. Neben einer guten Wasserfestigkeit zeigt das Synthalat AEM 440 eine vergleichsweise sehr gute Filmhärteentwicklung. In Tabelle 3 sind die wichtigsten Eigenschaften des Synthalat AEM 440 kurz zusammengefasst.

Tab. 3: Eigenschaften und Anwendungen der Alkydharzemulsion Synthalat AEM 440

Wasserverdünnbare Alkydharze haben in den vergangenen Jahren erhebliche Verbesserungen erfahren und sind heute in vielen Anwendungsbereichen in der Lage lösemittelbasierende Harze ohne Abstriche an der Qualität der Beschichtungen zu ersetzen. Ein wichtiger Punkt soll abschließend noch genannt werden.

In Zeiten knapper werdender Resourcen an fossilen Rohstoffen kann das Alkydharz für sich in Anspruch nehmen, als einzige bedeutende Bindemittelklasse zu einem grossen Anteil auf natürlichen nachwachsenden Rohstoffen zu basieren.