Aminoharze

urea amino resins

Aminoharze sind Kondensationspolymere, die durch die Reaktion von Carbonylverbindungen mit Verbindungen entstehen, die Amino-, Imino- oder Amidgruppen enthalten. Bei der Reaktion wird Wasser freigesetzt und die resultierenden Produkte sind Oligomere, auch Präpolymere genannt.

Zur Herstellung von Aminoharzen kann eine Vielzahl von Carbonyl- und Stickstoffverbindungen verwendet werden, am häufigsten sind jedoch Formaldehyd, Harnstoff und Melamin. Diese Verbindungen werden verwendet, weil sie relativ kostengünstig und leicht erhältlich sind. Die Art der stattfindenden chemischen Reaktion bestimmt das Molekulargewicht des Präpolymers.

Inhaltsverzeichnis

Aminoharze werden in großen Mengen in modernen Industrieanlagen hergestellt. Sie bieten eine Reihe technischer Vorteile, darunter gute Haftung, Wasserbeständigkeit und chemische Beständigkeit.

Die Geschichte der Aminoharze begann mit der Synthese von Harnstoff und Formaldehyd im 19. Jahrhundert. Die ersten kommerziellen Aminoharze wurden im frühen 20. Jahrhundert hergestellt. Ein großer Durchbruch gelang in den 1930er Jahren mit der Entwicklung kunstharzgebundener Spanplatten.

Heutzutage werden Aminoharze in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter:

  • Klebstoffe für Spanplatten, MDF, Sperrholz und andere Holzprodukte
  • Laminierte Balken und Parkettboden
  • Möbelmontage
  • Papierverstärkung
  • Formmassen
  • Teppichrücken
  • Lederhilfsmittel
  • Bodenverbesserer
  • Schützende Oberflächenbeschichtungen
  • Dekorative Papiersättigung

Aminoharze sind eine vielseitige und wichtige Polymerklasse mit einem breiten Anwendungsspektrum.

1. Physikalische Eigenschaften von Aminoharzen

Aminoharze sind im Handel in zwei Formen erhältlich: konzentrierte Lösungen und Feststoffe wie Pulver.

Die Lösungen basieren in der Regel auf Wasser, in Oberflächenbeschichtungsharzen werden jedoch auch Alkohole als Lösungsmittel verwendet. Die Farben der Lösungen reichen von farblos und klar bis milchig und trüb. Sie fühlen sich außerdem klebrig an und haben eine hohe Viskosität, typischerweise 20–70.000 mPa·s (gemessen bei 20 °C).

Der Geruch von Aminoharzlösungen kann je nach Gehalt an freiem Formaldehyd variieren und von geruchlos über charakteristisch bis scharf reichen. Die Dichte der Lösungen beträgt bei den handelsüblichen Konzentrationen von 50–80 % Feststoffgehalt 1,15–1,31 g/cm3.

Eine wichtige Eigenschaft von Aminoharzlösungen ist ihre Wassertoleranz, also die Wassermenge, die zugegeben werden kann, ohne dass Feststoffe ausfallen. Bei relativ niedrigen Temperaturen, unter etwa 20 °C, zeigen viele Aminoharzlösungen eine ausgeprägte Trübung und einen ungewöhnlich starken Anstieg der Viskosität.

Einige Aminoplastlösungen weisen zudem das Phänomen der Pseudoplastizität (Thixotropie) auf, was bedeutet, dass die Viskosität mit zunehmender Scherkraft abnimmt. Thixotropie ist nicht immer wünschenswert, kann aber in manchen Anwendungen nützlich sein.

In Pulverform sind Aminoharze weiß. Die im Handel erhältlichen sprühgetrockneten Pulver haben eine Partikelgröße von 15–70 μm, jedoch immer weniger als 200 μm. Die Schüttdichte der Pulver beträgt 0,5–0,8 kg/L.

Wenn Aminoharzpulver in Wasser gelöst werden, bilden sie typischerweise milchige Flüssigkeiten. In einigen Fällen können jedoch klare Lösungen erzielt werden. Mehlähnliche Zusatzstoffe können mit manchen Aminoharzen vermischt werden, die dann mehr oder weniger stark die Farbe des Zusatzstoffes annehmen können.

2. Chemische Reaktionen von Aminoharzen

Aminoharze sind Gemische verschiedener Stoffe, auch wenn sie nur aus zwei Komponenten hergestellt werden. Beispielsweise bestehen Harnstoff-Formaldehyd-Harze aus Hydroxymethylverbindungen, Oligomeren und Methylen-Harnstoff. Die chemischen Eigenschaften von Aminoharzen sind allen oder den meisten von ihnen gemeinsam.

Eine der wichtigen chemischen Eigenschaften von Aminoharzen besteht darin, dass Formaldehyd langsam aus Hydroxymethylverbindungen abgespalten wird und Additionsreaktionen mit anderen Aminogruppen eingeht.

degradation of Formaldehyde from hydroxymethyl compounds

Eine weitere wichtige chemische Eigenschaft von Aminoharzen besteht darin, dass Hydroxymethylverbindungen unter Wärmeausschluss langsam kondensieren oder mit Harnstoff zu Methylenverbindungen reagieren. Diese Reaktion ist für den allmählichen Anstieg der Viskosität verantwortlich, den Aminoharze während der Lagerung erfahren.

methylene–diurea production

Diese Reaktionen werden durch saure Katalysatoren und erhöhte Temperaturen beschleunigt. Daher werden bei der Verarbeitung von Aminoplastharzen Säuren oder säurebildende Substanzen als Härter eingesetzt, die die Kondensation beschleunigen.

Aminoharzlösungen werden im Allgemeinen leicht alkalisch eingestellt, d. h. auf einen pH-Wert von 7,5–9, um sie zu stabilisieren. Allerdings sinkt der pH-Wert langsam, da Ameisensäure entsteht. Dieser Effekt ist bei Harnstoff-Formaldehyd-Harzen stärker ausgeprägt und bei Melamin-Formaldehyd-Harzen deutlich weniger ausgeprägt.

Die Hydroxymethylgruppen in Aminoharzen können mit Alkoholen in die entsprechenden Ether umgewandelt werden. Diese Reaktion wird in Lackharzen und Imprägnierharzen zur Herstellung von Kantenanleimmaterial auf Papierbasis genutzt.

Von praktischer Bedeutung ist der freie Formaldehyd, der in Konzentrationen von 0,03 % bis etwa 2 % vorliegt. Es reagiert mit Ammoniumsalzen von Säuren zu Hexamethylentetramin und der freien Säure, die als Härter wirkt.

Auch Harzpulver kondensieren mit der Zeit zu relativ hochmolekularen Produkten, allerdings ist die Reaktion in diesem Fall mindestens um den Faktor fünf langsamer.

3. Rohstoffe für Aminoharze

Die Rohstoffe für Aminoharze sind Formaldehyd, Harnstoff, Melamin, Thioharnstoff und substituierte Harnstoffe. Guanamine und Anilin werden ebenfalls eingesetzt.

  • Formaldehyd ist der wichtigste Rohstoff für Aminoharze. Es ist in Form von festem Paraformaldehyd, wässriger Lösung oder Harnstoff-Formaldehyd-Vorkondensat erhältlich.
  • Harnstoff ist der zweitwichtigste Rohstoff für Aminoharze. Es ist als weißes kristallines Produkt oder als Prills erhältlich.
  • Melamin ist ein weniger verbreiteter Rohstoff für Aminoharze. Es ist ein weißes Pulver, das beim Erhitzen sublimiert.
  • Thioharnstoff ist ein relativ teurer Rohstoff, der nicht in großen Mengen verwendet wird.
  • Substituierte Harnstoffe sind eine Gruppe von Harnstoffderivaten, die in speziellen Anwendungen eingesetzt werden.

Zusätzlich zu diesen Rohstoffen können verschiedene Modifikatoren verwendet werden, um die Eigenschaften von Aminoharzen zu verbessern. Zu diesen Modifikatoren gehören aliphatische Alkohole, Glykole, Zucker, Zuckeralkohole, Polysaccharide und Caprolactam.

Die Auswahl der Rohstoffe und Modifikatoren für Aminoharze hängt von der konkreten Anwendung ab. Beispielsweise werden Harnstoff-Formaldehyd-Harze üblicherweise in Klebstoffen verwendet, während Melamin-Formaldehyd-Harze in Laminaten und Essgeschirr verwendet werden.

Referenz