Development of Sustainable Waterbased Acrylic Dispersions for use in Floor Coatings- A Biobased Approach

Abstract

This master thesis investigates the potential of using biobased acrylic monomers to produce
more sustainable waterborne floor coatings compared to the petroleum-based monomers
currently in use. Dispersions were created through emulsion polymerization and formulated
with coalescent and a wetting agent to form films at room temperature. The primary challenge
with biobased monomers is their higher hydrophobicity, which can lead to coagulum during
polymerization.

To reduce coagulum, various methods were tested, including slower feeding rate, different
surfactants, cyclodextrin, and substituting some biobased monomers with hydrophilic
monomers (petroleum-based). The monomers investigated were isobornyl methacrylate
(IBOMA), 2-octyl acrylate (2OA), and lauryl acrylate (LA), with a side study using itaconic
acid (IA). Dispersions from LA resulted in high amounts of coagulum, whereas using the
various methods for IBOMA and 2OA achieved lower coagulum levels of 0.5-0.1%, compared
to the usual 2-3%.

Using 1% cyclodextrin (based on total weight of monomers added) effectively reduced
coagulum, and 5% cyclodextrin reduced it further but negatively impacted coating properties,
such as chemical resistance and film formation. A combination of anionic sodium surfactant
and non-ionic surfactant minimized coagulum without significantly affecting coating
properties, though a completely coagulum-free dispersion was not achieved.

Coatings with IBOMA and 2OA exhibited properties close to petroleum-based coatings, while
LA negatively affected chemical resistance and film formation. IA showed similar properties
to its substitute methacrylic acid. All coatings with biobased monomers had an oily surface,
indicating the need for further improvement.

Abstract (Swedish)

Denna masteruppsats undersökte potentialen i att använda biobaserade akrylatmonomerer för
att producera mer hållbara vattenbaserade golvlacker jämfört med de petroleumbaserade
monomerer som nuvarande används. Dispersioner skapades genom emulsionspolymerisation
och formulerades med koalecenter och vätningsmedel för att bilda lacker vid rumstemperatur.
Den främsta utmaningen med biobaserade monomerer är deras högre hydrofobicitet, vilket kan
leda till fällning under polymerisationen.

För att minska fällningen testades olika strategier, inklusive långsammare inpumpning av
monomerer, olika tensider, cyclodextrin och att ersätta en del av de biobaserade monomerer
med hydrofila monomerer (petroleumbaserade). De monomerer som undersöktes var isobornyl
metakrylat (IBOMA), 2-oktyl akrylat (2OA) och lauryl akrylat (LA), med en sidostudie som
använde itakonsyra (IA). Dispersioner från LA resulterade i stora mängder fällning, medan för
IBOMA och 2OA kunde fällningsmädgen sänkas till 0.5-0.1%, jämfört med de vanliga 2-3%.

Användningen av 1% cyclodextrin (baserat på den totala vikten av tillsatta monomerer)
minskade effektivt fällning, och 5% cyclodextrin minskade det ytterligare men påverkade
lackens egenskaper negativt, såsom kemikalieresistens och filmbildning. En kombination av
anjonisk natriumtensid och icke-jonisk tensid minimerade fällningen utan att påverka lackens
egenskaper nämnvärt. Däremot uppnåddes ingen helt fällningsfri dispersion med biobaserade
monomerer.

Lacker med IBOMA och 2OA visade egenskaper som liknade de fossilbaserade lackerna,
medan LA negativt påverkade kemikalieresistens och filmbildning. IA visade liknande
egenskaper som dess substitut metakrylsyra. Alla lacker med biobaserade monomerer hade en
oljig yta, vilket indikerar behovet av ytterligare förbättring.

Popular Abstract (Swedish)

Utveckling av hållbara golvlacker utifrån biobaserade råvaror.

I detta arbete undersöktes möjligheten för företaget Bona att utveckla en golvlack från
biobaserade råvaror eftersom dagens golvlacker är skapade från råvaror med fossilt ursprung.
Detta visade sig vara ganska komplicerat och flera problem uppstod, men trots motgångarna
visade det sig att möjligheten fortfarande finns, och egenskaperna hos de biobaserade lackerna
liknade de nuvarande.

Det största problemet att använda biobaserade råvaror är att dessa har en annan kemisk struktur
och därmed besitter andra egenskaper än de fossila råvarorna. Den största skillnaden är
polariteten, där de biobaserade är betydligt mer hydrofoba (feta) än de fossilbaserade som är
mer polära. Golvlacker består till största del av vatten, och att tillsätta mycket hydrofoba
kemikalier kan leda till att dessa separerar ut och bildar fällning. Det finns dock olika metoder
för att minska mängden fällning, men för att förstå detta bättre behöver vi gå djupare in på hur
en golvlack bildas.

En golvlack tillverkas genom emulsionspolymerisation, där polymerisation innebär att flera
molekyler, så kallade monomerer, bildar en lång kedja, en polymer. I emulsionspolymerisation
sker polymerisationen i partiklar som är fördelade i vatten, stabiliserade av tensider, molekyler
med en hydrofob del och en hydrofil del; den hydrofoba delen vänder sig mot partiklarna och
den hydrofila delen mot vattnet. Fällning bildas när polymerer bildas utanför
partikeln och saknar den stabilisering som krävs för att vara jämnt fördelade i vattenfasen.

Fokuset för detta arbete låg på att stabilisera biobaserade monomerer med hjälp av strategier
såsom längre reaktionstider, experimentera med olika tensider, tillsats av polära
(fossilbaserade) monomer samt användning av cyclodextrin. Dessa metoder lyckades få ner
fällningsmängden markant, men aldrig helt. Cyclodextrin är en trattliknande molekyl med en
hydrofob insida och hydrofil utsida som underlättar för de hydrofoba monomererna att ta sig
in i partiklarna. Även om fällningen minskades, kunde cyclodextrin ha negativa effekter på den
färdiga golvlacken.

Generellt kändes alla lacker med biobaserade monomerer feta på ytan och vissa var också
klibbiga, vilket är oönskade egenskaper för en golvlack. Därför behövs mer forskning för att
undersöka om detta kan förhindras eftersom andra testade egenskaper visade att de biobaserade
monomererna fungerade liknande de fossilbaserade.

Det är inte helt omöjligt att en biobaserad golvlack kan finnas på marknaden i framtiden men
mer forskning krävs för att minska fällningen ytterligare och optimera den färdiga lackens
egenskaper så att de blir konkurrenskraftiga med dagens golvlacker.

• author: Ceraolo, Cornelia
• supervisor: Baozhong Zhang; Cecilia Hansson
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• course: KASM15 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Biobased acrylic monomer, Emulsion polymerization, Waterborne coatings, Floor coatings, Isobornyl methacrylate, 2-octyl acrylate, Lauryl acrylate, Itaconic acid, Cyclodextrin, Polymer technology
• language: English
• id: 9160498
• date added to LUP: 2024-06-11 11:16:59
• date last changed: 2024-06-11 11:16:59