Anwenderbericht: Bestimmung der Partikelgrößenverteilung an Polymerdispersionen

Polymerdispersionen sind stabilisierte Dispersionen von Polymerpartikeln in einer kontinuierlichen Phase (normalerweise Wasser) und sind Bestandteil wasserbasierender Farben und Beschichtungen, Tinten oder Adhesiven.

Diese Produkte werden entweder durch eine klassische Polymerisation aus einer Emulsion, einer Homogenisierung der Monomere, einer chemischen Emulsifizierung oder einer Kombination dieser Methoden hergestellt.

Die Polymerpartikel liegen dabei in einem Größenbereich zwischen etwa 10 μm bis 20 nm.

Generell sind die Partikelgrößen in der Polymerproduktion sehr wichtig, da in der Regel enge Verteilungen mit genau definierter Partikelgröße gewünscht sind.

Die Scheibenzentrifuge von CPS wird häufig zur Charakterisierung der Polymerdispersionen genutzt, da dieses Messgerät die erforderliche Auflösung, Genauigkeit und Wiederholbarkeit bietet, um engste Verteilungen erkennen zu können.

Die Messung mit der CPS-Scheibenzentrifuge basiert auf der Bestimmung der Teilchengröße mittels zentrifugaler Sedimentation. Der Messbereich liegt zwischen 5 nm und etwa 50 μm. Polymere jeglicher Dichte können mit der Scheibenzentrifuge vermessen werden. Dank der patentierten „LowDensity-Messmethode” können sogar die Größen solcher Partikel bestimmt werden, deren Dichte unter der des Umgebungsmediums liegen, die also statt aufschwimmen sedimentieren. Für die Messung an Polystyrolproben nutzen wir die CPS-Scheibenzentrifuge DC24000 UHR. Diese Scheibenzentrifuge kann mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 24000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden und eine Zentrifugalkraft von 29000 g erreichen. Die Partikel sedimentieren dabei durch eine Gradientenflüssigkeit aus Wasser und Saccharose. Große Polymerpartikel sedimentieren dabei schneller als kleine und erreichen die Lichtschranke früher. An der Lichtschranke tritt durch die Partikel eine Absorption des Strahls aus der Lichtquelle ein. Die Zeit, die die Polymerpartikel zum Sedimentieren benötigt haben, entspricht dabei einer genauen Größenangabe. Die Sedimentation ist dadurch vorteilhaft, dass sie ohne mathematisches Vorwissen einem physikalischen Grundgesetz folgt und zudem die Zeit als relevantes Messergebnis sehr exakt gemessen werden kann.

Das Ergebnis der Messung mit einer Scheibenzentrifuge kann in verschiedenen Modi angezeigt werden. Abbildung 1 zeigt die typische Darstellung der Partikelgrößenverteilung als gewichtsbezogene Graphik. Wir sehen hier die Verteilungskurve einer Probe, die aus einer Mixtur mehrerer Standards besteht. Eine Darstellung wäre auch als Anzahlverteilung möglich. Diese Darstellungsvariante entspricht dann der aktuellen Diskussion um die Vorschriften der EU zur Definition von Nanomaterialien.

Die Tabelle zeigt die Messuntergrenzen mit der Scheibenzentrifuge für einige ausgewählte Polymere.

Als Messuntergrenze definieren wir den Wert, bei dem das Rauschen im Messsignal bei etwa 10 % des Signals liegt. Kleinere Partikel könnten dann zwar noch gemessen werden, die Ergebnisse entsprechen aber nicht mehr den hohen Anforderungen an die Resultate, die man von der Scheibenzentrifuge gewohnt ist. Die Messuntergrenze ist entsprechend dem Stokes’schen Gesetz abhängig von der Dichte der Partikel. Bei PVC, einem Polymer mit der Dichte 1,385 g/cm3, liegt die Untergrenze bei etwa 15 nm, beim Polystyrol mit der geringeren Dichte bei etwa 25 nm. Dementsprechend ist die Größe der maximal messbaren Partikel auch  unterschiedlich. Als maximal messbare Partikelgröße ist jene Partikelgröße gemeint, bei der reproduzierbare Ergebnisse von Messung zu Messung erreichbar sind.

Schlussfolgerung: Die Größenverteilung ist in jeder Art von Polymerdispersion mit der CPS-Scheibenzentrifuge messbar. Auflösung, Empfindlichkeit und Reproduzierbarkeit sind dabei den Ergebnissen von Messungen mit anderen Korngrößenmesstechniken weit überlegen. Typischerweise werden Polymere im Größenbereich von 35 μm bis 15 nm vermessen.