Acryl- und Alkydharze

Was Acryl- und Alkydharze sind, wie sie klassifiziert werden und welche Anforderungen ihre Herstellung an einen Reaktor stellt.

Acrylverbindungen (Kunststoffe, Harze und Öle, die durch Synthese gewonnen werden) basieren auf Acrylsäure (CH₂=CHCOOH) und ihren Estern. Acrylfarben trocknen schnell, lassen sich mit Wasser reinigen und sind witterungs- und UV-beständig; deshalb dominieren sie bei Architekturbeschichtungen, und deshalb finden sich Acrylemulsionen auch in Klebstoffen, der Textilausrüstung und Dichtstoffen.

Alkydharze sind chemisch anders aufgebaut, bedienen aber denselben Endmarkt. Sie werden seit 1927 als Bindemittel in Beschichtungen und Farben eingesetzt und durch Umsetzung eines Polyols, einer mehrbasigen Säure (meist Phthalsäureanhydrid) und eines trocknenden Öls oder einer Fettsäure hergestellt. Sie werden nach Öllänge klassifiziert: kurz (35–45 % Öl), mittel (46–55 %), lang (56–70 %) und sehr lang (über 70 %). Die Öllänge ist keine kosmetische Unterscheidung: sie bestimmt Trocknungsgeschwindigkeit, Filmflexibilität, Glanzhaltung und welche Lösemittel das Harz verträgt, weshalb sie eine der ersten Spezifikationen ist, die ein Formulierer festlegt, noch bevor ein Batch überhaupt geplant wird.

Warum die Reaktorauslegung wichtig ist

Beide Harzfamilien werden gekocht, nicht nur gemischt. Die Alkydherstellung läuft bei 180–260 °C unter kontrollierter Atmosphäre, oft mit einem Fusions- oder Fettsäureverfahren, das Wasser und Alkohol als Nebenprodukt über eine Rückfluss- oder Fraktionierkolonne austreibt, während die Acryl-Emulsions- und -Lösungspolymerisation bei niedrigeren Temperaturen abläuft, aber stark exotherm wird, sobald die Monomerumwandlung einsetzt. In beiden Fällen stellt dies drei gleiche Anforderungen an den Behälter:

• Eine für die Exotherme ausgelegte Wärmeübertragungsfläche, nicht nur für die fühlbare Wärmelast: ein unterdimensioniertes Mantelsystem lässt einen Batch mitten in der Monomerzugabe außer Kontrolle geraten.
• Eine an den Viskositätsanstieg angepasste Rührwerksauslegung: die Harzviskosität kann im Verlauf eines Batches um eine Größenordnung steigen, und ein für den Kochbeginn ausgelegtes Rührwerk kann am Ende deutlich unterdimensioniert sein.
• Eine Rückfluss- oder Fraktionierkolonne, um Wasser und flüchtige Nebenprodukte ohne Ausbeuteverlust zu handhaben.

Prozesskontrolle und Sicherheit

Da Acrylmonomere brennbar sind und die Polymerisationsexotherme, einmal gestartet, schnell verläuft, wird das Monomer normalerweise schrittweise dosiert statt auf einmal zugegeben, wobei die Zugaberate an die Reaktion der Manteltemperatur gekoppelt wird. Stickstoffüberlagerung ist Standard, um den Dampfraum außerhalb des brennbaren Bereichs zu halten und die Oxidation bei Alkyd-Hochtemperaturkochungen zu begrenzen. Batch-Aufzeichnungen (Temperaturprofil, Zugaberate, Viskositätskontrollen) sind meist das wichtigste Qualitätsdokument, das dem Kunden übergeben wird, da die Harzeigenschaften nicht nur durch das Rezept, sondern durch die Batch-Fahrweise bestimmt werden.

Makfen entwirft und fertigt Harzreaktoren aus Edelstahl und Kohlenstoffstahl, die für diese Anforderungen ausgelegt sind: Mantelfläche, Rührwerksdrehmoment und Kolonnengröße werden anhand der Prozessdaten des Kunden berechnet, nicht anhand eines Standardkatalogbehälters.