Gefluoreerde verbindingen onder de loep!

Beeld: AI gegenereerd

Gefluoreerde verbindingen onder de loep! – Per- en polyfluoralkylstoffen (PFAS) worden al sinds de jaren 40 op grote schaal gebruikt in diverse industrieën vanwege hun opmerkelijke stabiliteit en bestendigheid tegen water, olie en vet. Gezien de toenemende druk op het gebied van duurzaamheid en regelgeving groeit echter de vraag naar milieuvriendelijkere alternatieven.

In de coatingsindustrie worden fluorsurfactanten en andere gefluoreerde additieven gebruikt vanwege hun sterke invloed op de oppervlaktespanning en energie van verven en coatings. Door de oppervlaktespanning te verlagen, kunnen coatings substraten gelijkmatiger bevochtigen. Dat kan zowel het uiterlijk als de prestaties verbeteren. Ze kunnen ook de weerstand tegen water, olie en vuil verbeteren, wat de duurzaamheid en beschermende werking verhoogt.

Wat maakt fluorsurfactanten bijzonder?

Fluorsurfactanten kunnen kationisch, anionisch of niet-ionisch zijn. Hun fluorgehalte en structuur variëren. In sommige gevallen dient de fluorcomponent als modificator voor andere polymeren. Dit resulteert in een breed productportfolio met een scala aan effecten in zowel vloeibare coatings als gedroogde films. Dankzij de unieke eigenschappen van fluor, zoals de lage intermoleculaire interacties en zeer stabiele covalente C-F-bindingen, kunnen zelfs kleine hoeveelheden fluorsurfactanten de oppervlaktespanning aanzienlijk verlagen en een uitgesproken hydrofobiciteit creëren. Dat laatste helpt bij het verminderen van vuilaanhechting op oppervlakken.

Het siliconenalternatief

Gedreven door duurzaamheid en ontwikkelingen op het gebied van regelgeving zoeken veel bedrijven naar milieuvriendelijke alternatieven. Additieven op siliconenbasis zijn een veelbelovende optie en bieden vergelijkbare voordelen als fluorsurfactanten. Met name wat betreft het verlagen van de oppervlaktespanning en het verbeteren van de oppervlakte-energie. De sleutel ligt in de zorgvuldige selectie en combinatie van deze additieven op siliconenbasis.

Aanbevelingen voor PFAS-vrije oppervlakteadditieven

Additieven op PFAS-basis worden wereldwijd gebruikt in veel coatings en toepassingen. De eerste stap bij het vervangen ervan is het begrijpen van de functie van het additief in het specifieke systeem. Afhankelijk van de gewenste eigenschap kunnen verschillende chemische strategieën worden toegepast. Met een duidelijk doel en bewustzijn van de beperkingen kunnen effectieve alternatieven worden gevonden.

Vermindering van statische oppervlaktespanning

Een goede bevochtiging van het substraat vindt plaats wanneer de oppervlaktespanning van de coating gelijk is aan of iets lager is dan de oppervlakte-energie van het substraat. Watergedragen systemen vormen vaak een uitdaging, omdat hun oppervlaktespanning aanzienlijk hoger is dan die van systemen op basis van oplosmiddelen. Wanneer siliconencompatibiliteit vereist is, kunnen polysiloxanen worden gebruikt voor een matige verlaging van de oppervlaktespanning. Voor sterke verlagingen in watergedragen systemen worden vaak siliconensurfactanten gebruikt.

Productvereisten definiëren

Om PFAS-vrije alternatieven te vinden, is het essentieel om de productvereisten te definiëren. Een vergelijking van beschikbare gefluoreerde additieven laat een verschillende mate van verlaging van de oppervlaktespanning zien, wat ook geldt voor fluorvrije opties (zoals weergegeven in figuur 1), resulteert 0,02% actieve stof van fluorsurfactanten 1 en 2 in slechts een lichte verlaging van de oppervlaktespanning (van 72,8 tot circa 45 mN/m). Een vergelijkbaar effect kan worden bereikt met een siliconen- en oplosmiddelvrije surfactant op basis van gemodificeerd barnsteenzuur en esters. Fluorsurfactanten 3-7 verlagen de oppervlaktespanning ook matig, met ongeveer 44 tot 49 mN/m. Vergelijkbare reducties kunnen worden bereikt met polyether-gemodificeerde polydimethylsiloxanen of andere gemodificeerde polysiloxanen. Fluorsurfactant 8 is zeer effectief in het verlagen van de oppervlaktespanning, maar gelijkwaardige prestaties zijn mogelijk met geschikt gemodificeerde siliconenalternatieven.

Fig. 1 Effectieve reductie van statische oppervlaktespanning door gebruik van siliconen oppervlakteactieve stoffen.

Watergedragen blanke lak

Alle effecten werden gemeten bij 0,02% actieve stof. In de praktijk zijn doseringsreeksen aan te raden voor optimale prestaties. Vergelijkbaar gedrag is te zien in een watergedragen 2K PU blanke lak (Fig. 2), waarbij de oppervlaktespanning daalt van 34,2 naar minder dan 30,0 mN/m met slechts 0,1% fluorvrije oppervlakteactieve stof. Dit verbetert zowel de benatting als de vloei. Fluorsurfactanten verlagen de oppervlaktespanning vaak overmatig en beïnvloeden andere eigenschappen, zoals de schuimstabilisatie. Een schuimtest (schaal 1 = geen schuim tot 5 = hoge schuimstabiliteit) laat een significant lagere schuimstabilisatie zien met fluorvrije oppervlakteactieve stoffen. Vrijwel alle fluorsurfactanten stabiliseren schuim sterk.

Figuur 2 Statische oppervlaktespanning en macroschuim in een watergedragen 2K PU-blanke lak; 0,1% actieve oppervlakteactieve stof.

Verspreidingsgedrag van vloeistoffen

Een ander aspect is hoe additieven de verspreiding van oplosmiddelen op verschillende substraten beïnvloeden – cruciaal voor een goede vloei en bevochtiging van de coating. In verspreidingstests worden additieven gemengd met oplosmiddelen en (na 24 uur conditionering) aangebracht op apolaire substraten zoals PE, PP, PET en PVC. Een druppel van 0,01 ml wordt drukloos aangebracht en de verspreiding wordt gemeten na 10 en 30 seconden. Zuiver water bevochtigt het substraat niet, maar water waaraan surfactanten zijn toegevoegd, verspreidt zich direct. Nauwkeurige timing is essentieel. Fluorsurfactanten hebben weinig effect op de verspreiding. Alleen fluorsurfactanten 6 en 10 leveren marginale verbeteringen op. Evenzo vertonen fluorgemodificeerde acrylaten een beperkte verspreiding. Polyethergemodificeerde polysiloxanen daarentegen vergroten de druppeldiameter aanzienlijk, waardoor de bevochtiging op alle substraten verbetert.

Bevochtigingsprestaties zonder fluorsurfactanten

Bevochtiging is nauw verbonden met vloei en oppervlaktespanning. Hoewel fluorsurfactanten de oppervlaktespanning beïnvloeden, hebben ze vaak een minimale impact op de verspreiding. Daarom moet direct bevochtigingsgedrag worden beoordeeld bij het vervangen van additieven. Figuur 3 toont een PU-dispersie zonder surfactant die PU-leer niet bevochtigt. Een fluorsurfactant met 0,02% verbetert dit, maar blijft suboptimaal. Bij 0,2% is het resultaat veel beter. Dit effect kan worden geëvenaard met fluorvrije polyethergemodificeerde polysiloxanen. Hierbij moet een fluorsurfactant de oppervlaktespanning verlagen tot 22,9 mN/m, terwijl de siliconensurfactant een vergelijkbare bevochtiging bereikt met 29,2 mN/m. Voor moeilijke substraten moet de dosering mogelijk worden aangepast.

Afb. 3 Bevochtiging van een PU-dispersie op PU-leer.

Vloeiprestaties zonder fluorsurfactanten

Zelfs bij een goede bevochtiging moeten de vloei en het uiterlijk geoptimaliseerd worden voor een gladde afwerking. Afb. 4 illustreert een vloercoating aangebracht in een kruisarceringspatroon. Ondanks een lagere oppervlaktespanning met een fluorsurfactant, wordt geen volledige bevochtiging van de ondergrond bereikt. Vergeleken met de versie zonder oppervlakteactieve stoffen is de verbetering zichtbaar, maar onvoldoende. Voor een optimale vloei moet de oppervlaktespanning die van de ondergrond benaderen en moeten polaire/dispersieve fracties uitgelijnd zijn. Polyethergemodificeerde polysiloxanen bieden hier voordelen. Ze verbeteren de bevochtiging zonder de oppervlaktespanning te sterk te verlagen of de polariteitsbalans te verstoren. Dit zorgt voor een betere vloei, minder applicatiesporen, een volledige dekking en een homogener oppervlak.

Eventtip: PFAS

De volgende EC-conferentie over PFAS vindt plaats op 3 en 4 december 2025 in Keulen – en is relevanter dan ooit: vanaf 2026 zou een Europees verbod op gefluoreerde stoffen van kracht kunnen worden. Hoe ver is de industrie met het herformuleren van PFAS-vrije coatings? Op welke stofgroepen ligt de focus? En welke functionele alternatieven zijn er al beschikbaar? Internationale experts presenteren de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van materialen, regelgevingsuitdagingen en strategieën voor fluorvrije formuleringen. Onderwerpen zijn onder andere: PFAS-materialen, substitutiestrategieën, de impact van regelgeving en de implicaties voor de industrie.

Bron: European Coatings
Lees ook: Zelfherstellende coating bestand tegen cavitatie en corrosie in offshore-omgevingen

Voorbehoud
Deze informatie is met de grootst mogelijke zorg samengesteld, in sommige gevallen uit verschillende informatiebronnen. (Interpretatie)fouten zijn niet uitgesloten. Er kan dus geen enkele wettelijke verplichting aan deze tekst worden ontleent. Iedereen die met dit onderwerp te maken krijgt, heeft zelf de verantwoordelijkheid om zich in de materie te verdiepen!