Goed gedefinieerde acrylaat-blokcopolymeren maken op commerciële schaal leek ooit onmogelijk. Maar in Heerenveen kunnen ze het tegenwoordig.

Ooit gehoord van EFKA Additives? Waarschijnlijk niet, want deze onderneming uit Nijehaske bij Heerenveen bedient een zeer gespecialiseerde markt. Bovendien staat er tegenwoordig ‘Ciba Specialty Chemicals’ op de gevel. Sinds 2001 was EFKA al een dochter van dit Zwitserse concern en per 1 januari 2006 is het er volledig in opgegaan. Maar op de valreep heeft de naam EFKA toch nog enige landelijke bekendheid gekregen vanwege de toekenning van de Erasmus Award 2005, de jaarlijkse prijs voor het meest competitieve en innovatieve bedrijf van Nederland.

Bedrijfskundigen van de Erasmus Universiteit hadden de Friezen genomineerd na een screening van negenduizend bedrijven. De jury roemde de sterke cultuur van ondernemerschap bij EFKA, de ruimte die hoogopgeleide werknemers krijgen om te experimenteren, de heldere en eenduidige visie en de samenwerking met klanten, toeleveranciers en kennisinstituten. En dan ging nog niet eens over de producten. Want tussendoor zijn ze er in Heerenveen ook nog in geslaagd om een innovatieve vorm van radicaalpolymerisatie te ontwikkelen, die de deur kan openen naar een groot aantal nieuwe toepassingen van polyacrylaten.

GROEI, GROEI, GROEI

“EFKA maakt additieven voor verf, drukinkt en een beperkt aantal kunststoftoepassingen”, legt general manager technology Arend Noordam uit. Zo’n vijf jaar geleden besloot Noordam een punt te zetten achter zijn carrière bij Shell Chemie om, zoals hijzelf zegt, “nog één keer mee te maken hoe het voelt bij een bedrijf dat gericht is op groei, groei, groei.” Wat dat betreft zit hij in elk geval goed in Friesland. Sinds de oprichting in 1983 is EFKA gemiddeld vijftien procent per jaar gegroeid. Inmiddels werken er wereldwijd 140 mensen.

Jaarlijks komen er zo’n acht nieuwe producten bij, onder meer ontschuimers, vloeiverbeteraars en dispergeermiddelen. Noordam: “Een klein deel van het portfolio omvat klassieke polyester- en vetzuurchemie. Maar waar we echt goed in zijn, zijn gemodificeerde polysiloxanen, polyurethanen en polyacrylaten.”

Typisch voor die polyacrylaten is dat je ze kunt opbouwen uit een enorm aantal verschillende monomeren: acrylaten, methacrylaten en verwante verbindingen zoals styreen. Op die manier kun je de fysische en chemische eigenschappen van het polymeer variëren en alle mogelijke functionaliteiten inbouwen. Voor een dispergeermiddel kies je bijvoorbeeld een polaire component die zich hecht aan het pigment (de pigment affinity group), afgewisseld door apolaire componenten die affiniteit vertonen voor de harsen en de oplosmiddelen in de verf. Het resultaat is een soort emulgator voor vaste stoffen. Hij voorkomt dat de pigmentdeeltjes, die van tevoren zo fijn mogelijk zijn gemalen, na verloop van tijd weer samenklonteren. “Zo optimaliseer je de kleurkracht van het pigment en de stabiliteit van de verf”, legt Noordam uit.

RADICALEN

De bouwstenen, die EFKA vaak zelf op maat produceert, zijn aan elkaar te zetten door radicaalpolymerisatie. Zo’n reactie wordt gestart door een initiator die uiteenvalt in twee radicalen, vaak een organisch peroxide. De radicalen reageren met een monomeermolecuul tot een nieuw radicaal, waaraan zich weer een volgend monomeer kan rijgen. Totdat alle monomeer verbruikt is, of totdat een stof wordt toegevoegd die de kettingreactie stopt.

Als je het op deze manier aanpakt, krijg je in principe een ‘random’ copolymeer met een brede molecuulgewichtsverdeling (MGV). Met andere woorden: de verschillende monomeren worden in willekeurige volgorde aan elkaar gezet, en de lengte en samenstelling van de resulterende ketens is verre van constant. Als dispergeermiddel werkt zoiets wel, maar optimaal is het niet. “Wat je eigenlijk wilt hebben is een blokcopolymeer”, stelt Noordam. “Een keten waarbij de pigment affinity groups allemaal bij elkaar aan één uiteinde zitten. Of een kamstructuur, waarbij de ‘tanden’ van de kam een rij korte zijketens vormen aan het pigment affinity-blok. Zo maak je optimaal gebruik van je functionele groepen. Ook voorkom je dat de moleculen onderling een netwerkstructuur vormen. Interacties tussen polymeerketens verhogen de viscositeit, en die wil je bij coatings juist zo laag mogelijk houden om meer pigment te kunnen gebruiken met minder oplosmiddel.”

ALKOXYAMINE

De oplossing blijkt te liggen in het gebruik van alkoxyamineverbindingen als initiator. Deze zogeheten NOR-regulators vallen, afhankelijk van de reactietemperatuur, uiteen in twee radicalen waarvan er een de keten initieert. De andere komt als ‘persistent radicaal’ in oplossing. Daalt de temperatuur beneden een bepaalde waarde, dan sluit dit radicaal de keten af en stopt de polymerisatiereactie. Het mooie is dat het ook dat radicaal weer loslaat wanneer je de temperatuur verhoogt. Om een blokcopolymeer te maken, start je met één monomeer. Na verloop van tijd koel je het mengsel af, voegt een ruime overmaat van het tweede monomeer toe en laat de reactor weer opwarmen. Bijkomend voordeel is dat NOR-regulators in de praktijk een heel smalle MGV blijken te geven. “Het bewijs dat je een totaal gecontroleerde polymerisatie hebt”, aldus Noordam.

De eerste NOR-regulator, 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-oxyl (TEMPO), werkte alleen goed met styreen als monomeer. Het is de verdienste van de EFKA en Ciba-chemici dat ze verschillende alkoxyamines hebben ontwikkeld die controlled free radical polymerization (CFRP) ook met acrylaten mogelijk maken. Volumineuzere substituenten rond de NO*-groepen, die zorgen voor meer sterische hindering, zijn hierbij de sleutel.

Wie goed kijkt ziet hier de synergie met Ciba. De NOR-verbindingen zijn chemisch nauw verwant aan de HALS-verbindingen (hindered amine light stabilizers), die de Zwitsers al jaren maken als UV-stabilisatoren voor coatings en kunststoffen. Het verklaart tevens waarom EFKA zich geen al te grote zorgen hoeft te maken over het effect van deze nieuwe toevoeging op het langetermijngedrag van de verf.

TONNEN TEGELIJK

Sinds ongeveer drie jaar heeft EFKA de productie van dispergeermiddelen op NOR-basis goed genoeg onder de knie om er tientallen tonnen per jaar van te produceren, opgedeeld in batches van vijf tot tien ton. Tot nu toe zijn drie varianten uitgebracht die compatibel zijn met verschillende soorten pigmenten. Een dezer dagen gaat een versie in productie waarbij het andere eind van het copolymeer is gemodificeerd, om het geschikt te maken voor verf op waterbasis.

De eerste klanten zijn zeer tevreden, al moet Noordam toegeven dat het in de coatingwereld niet eenvoudig is om een innovatie geaccepteerd te krijgen. “Binnen de auto-industrie zullen ze bijvoorbeeld echt niet van de ene op de andere dag overschakelen op een nieuw dispergeermiddel. Het heeft invloed op de kleurkracht, dus je krijgt een andere tint van de verf. Bovendien brengen de hoge kwaliteitseisen met zich mee dat er vele buitenduurzaamheidstesten moeten worden uitgevoerd. De kans om een innovatie te introduceren, krijg je daar pas als ze met een nieuw model komen.”

En zijn er ook toepassingen van de nieuwe polymerisatietechnologie te vinden buiten de coating-industrie? Noordam: “Ongetwijfeld. Maar daar ga ik om confidentiële redenen nu nog niet verder op in.”