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Elektrostatische Stabilisierung

Durch dissoziierte ionische Strukturen in der Feststoffoberfläche und durch selektive Ionen­adsorption kommt es dazu, dass in einer flüssigen Phase dispergierte Feststoffpartikel elektrische Ladungen tragen. Da das gesamte System elektrisch neutral ist, muss in der angrenzenden Flüssigkeit die entsprechende Anzahl Gegenionen vorhanden sein. Man spricht von einer elektrischen Doppelschicht, die sich nach dem Modell von Stern zusammensetzt aus einer adsorptiv gebundenen und einer diffusen Schicht.

Nähern sich zwei Teilchen, so beeinflussen sich die Doppelschichten; bei gegensätzlicher Ladung ziehen sie sich an, bei gleichnamiger Ladung stoßen sie sich ab. Das Zusammenspiel zwischen diesen elektrostatischen Kräften und den anziehenden London-van der Waals-Kräften wird durch die DLVO-Theorie beschrieben.

Durch Additive kann die Oberflächenladung der Pigmentpartikel stark beeinflusst werden: durch gezielte Erzeugung starker Ladungen wird ein hohes Abstoßungspotential erzielt und damit die Flockulation zurückgedrängt. Als Dispergieradditive, die auf diese Weise wirken, sind insbesondere Polyelektrolyte geeignet, die aufgrund ihrer Polymerstruktur leicht und dauerhaft auf der Pigmentoberfläche adsorbieren und durch ihre Vielzahl von ionischen Gruppen eine starke Oberflächenladungen bewirken.

Diese Art der Stabilisierung ist im Wesentlichen auf wässrige Systeme beschränkt, da sich nur hier (wegen der hohen Dielektrizitätskonstante des Wassers) ausreichend starke Ladungen ausbilden. Im Prinzip funktioniert dieser Mechanismus ebenfalls in organischen Lösungsmitteln, allerdings sind die Oberflächenladungen wesentlich geringer, d.h. die Dicke der elektrischen Doppelschicht ist deutlich reduziert und in den meisten Fällen für eine wirksame Verhinderung der Flockulation nicht ausreichend.

Neben der Dielektrizitätskonstante hat auch die Ionenkonzentration und vor allem die Wertigkeit der Ionen einen starken Einfluss auf die elektrische Doppelschicht. Hohe Ionenkonzentration und mehrwertige Ionen (bereits in geringer Konzentration) können die Stabilisierung erheblich verschlechtern und sogar ganz zusammenbrechen lassen.

Elektrische Doppelschicht um ein negativ geladenes Teilchen

 
Adsorptiv gebundene Schicht (Sternschicht) und diffuse Schicht

Natriumpolyacrylat als typischer Polyelektrolyt

Die in der Lackindustrie gebräuchlichen Dispergieradditive, die über elektrostatische Effekte wirken, sind Polyphosphate und Polyacrylate als Kalium-, Natrium- oder Ammoniumsalz.

Neben der reinen Ladungsbeeinflussung ist teilweise (abhängig von der Polymerstruktur) auch noch ein Beitrag zur Stabilisierung durch sterische Effekte zu beobachten. Die Polyacrylate sind vom Aufbau her bindemittelähnlicher und beeinflussen damit die getrockneten Filme weniger als die Polyphosphate. Die Phosphate haben den Vorteil, dass sie auch geeignet sind mehrwertige Ionen (z.B. Calcium) im System zu komplexieren und dadurch den negativen Einfluss dieser Ionen auf den Stabilisierungsmechanismus auszuschalten.

Dispergieradditive dieses Typs haben sich seit Jahrzehnten in wässrigen Dispersionsfarben bewährt und sind auch heute noch erfolgreich im Einsatz.

Dispergieradditive auf Polyelektrolytbasis für wässrige Systeme sind reine Dispergieradditive und weisen praktisch keinerlei Pigmentbenetzungseigenschaften auf. Wenn die Pigmentbenetzung ebenfalls verbessert werden soll, müssen sie also mit entsprechenden Netzadditiven kombiniert werden.