Hydrophobically Modified Polymers. Rheology and Molecular Associations

University dissertation from Physical Chemistry 1, Lund University

Abstract: Popular Abstract in Swedish Vattenbaserad målarfärg är ett exempel på en vattenlösning som måste förtjockas för att den skall uppföra sig som vi vill. I en färg med för låg viskositet sjunker alla partiklar snabbt till botten på burken och när man målar kan man bara ta lite färg i penseln om inte färgen skall droppa. För att färgen skall få rätt viskositet tillsätts vattenlösliga polymerer. En bra bild för att förstå hur förtjockningen med polymerer går till är en tallrik spagetti. Trådarna av spagetti trasslar in sig i varandra och det är svårt att röra runt med gaffeln. Polymermolekylerna i en lösning uppträder på samma sätt. De är långa trådar som trasslar in sig i varandra och hindrar varandra från att röra sig vilket resulterar i en förhöjd viskositet. Om man skär spagettin i mindre bitar går det lättare att röra omkring med gaffeln. På samma sätt är det med polymerlösningar. Korta polymermolekyler (låg molekylvikt) förtjockar mindre än långa polymermolekyler. Polymerer med hög molekylvikt är effektiva förtjockare vilket betyder att bara lite polymer behöver tillsättas när man tillverkar vattenbaserad färg för att färgen skall få önskad vsikositet. Nackdelen är att färg förtjockad med polymer med hög molekylvikt har dålig täckförmåga vilket betyder att man måste göra flera strykningar för att få bra täckning. Andra nackdelar är att färgen skvätter mycket när man rollar den på väggen eller i taket och att den har dålig utflytning d.v.s. att den målade ytan får märken av penseldrag. Polymerer med lägre molekylvikt ger bättre färgegenskaper men i gengäld måste mycket mer polymer tillsättas för att man skall få önskad viskositet. I en hydrofobmodifierad polymer (HM-polymer) har en liten mängd hydrofoba grupper (”tycker inte om vatten”) reagerats fast längs polymerkedjan. Eftersom dessa inte tycker om vatten söker den sig istället till andra hydrofoba grupper i lösningen så att den kan omge sig med hydrofoba grupper och minimera kontakten med vatten. Man säger att de hydrofoba grupperna associerar till varandra. Resultatet blir tvärbindningar mellan polymerkedjorna och att alla polymerkedjorna hänger ihop i ett enda stort nätverk. Detta resulterar i en avsevärd förhöjning av viskositeten. Stora hydrofoba grupper ger starkare tvärbindningar än små grupper och därför högre viskositet. I liknelsen med spagetti kan man säga att de hydrofoba grupperna är som riven ost som klistrar ihop spagettin och gör det ännu svårare att röra runt. När sådana hydrofobmodifierade förtjockare används i färg ger de en kombination av de goda egenskaperna från förtjockare med hög och låg molekylvikt. Samtidigt som de ger bra färgegenskaper såsom bra täckförmåga, bra utflytning och lite skvätt ger de hög förtjockningseffekt d.v.s. lite polymer behöver tillsättas. Hydrofobmodifierade polymerer förtjockar både genom intrassling av polymerkedjorna (spagetti) och genom associationer mellan hydrofoba grupper (smält ost). Arbetet i denna avhandling har gått ut på att försöka förklara hur förtjockningen går till och hur polymerens struktur påverkar dess egenskaper. Ett sätt att studera detta som jag har använt i det här arbetet är att tillsätta cyklodextrin till vattenlösningar av polymerer och se hur det påverkar lösningarnas viskositet. Cyklodextrinmolekylen liknar en mutter i formen. På utsidan är den hydrofil (tycker om vatten) medan hålet i mitten är hydrofobt (tycker inte om vatten). En hydrofob grupp på polymeren kan gömma sig inuti hålrummet på en cyklodextrinmolekyl förutsatt att den inte är för stor för att få plats i hålet. Det finns olika cyklodextriner med olika storlek på hålrummet. Med rätt cyklodextrin får det bara plats en hydrofob grupp i varje cyklodextrinmolekyl och bara en cyklodextrin får plats på varje hydrofob grupp. En hydrofob grupp som har gömt sig inuti hålrummet i en cyclodextrinmolekyl kan inte längre delta i att bilda tvärbindningar. Resultatet blir att polymernätverket faller sönder och viskositeten sjunker. Eftersom varje cyclodextrinmolekyl tar hand om en hydrofob grupp kan man bryta tvärbindningarna i polymernätverket på ett mycket kontrollerat sätt och därmed få en detaljerad bild av hur förtjockningen går till.

  CLICK HERE TO DOWNLOAD THE WHOLE DISSERTATION. (in PDF format)