Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2020 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.
En metode til at reducere ressourceforbrug i praktisk formulering og til at identificere mere miljøvenlige erstatninger for uønskede råvarer i organiske coatings.
Af Spardha Jhamb1,2, Xiaodong Liang2, Kim Dam-Johansen1 og Georgios M. Kontogeorgis1,2
1 CoaST
2 KT Consortium og CERE, DTU Kemiteknik
“Ansvarligt forbrug og produktion” er et af FN’s17 mål for bæredygtig udvikling [1]. Et af de områder, hvor man kan optimere forbrug af ressourcer samt finde bæredygtige alternativer til ingredienser, er ved design af formulerede produkter. Området er i dag typisk karakteriseret ved en empirisk tilgang til formuleringen, næsten uden brug af teoretiske værktøjer. I dette arbejde forsøger vi ved hjælp af computerbaseret design, dels at reducere antallet af eksperimenter der er krævet for en given udvikling, dels at udvikle værktøjer til at identificere mere miljøvenlige erstatninger for uønskede råvarer i formulerede, organiske coatings.
Organiske coatings anvendes på mange typer overflader, lige fra landbaserede og marine industrielle anlæg, over skibe til offentlig infrastruktur og private hjem. Coatingen kan give materialet, der er coatet, forbedret holdbarhed, nye funktionelle egenskaber og selvfølgelig farve og glans.
Typisk formulering af coatings
En organisk coating består typisk af fire hovedkomponenter: bindemiddel, opløsningsmiddel, pigmenter og additiver [2], figur 1. En polymer fungerer typisk som bindemidlet og tilvejebringer sterisk stabilisering af pigmentpartiklerne, et organisk opløsningsmiddel eller vand fungerer som viskositetsregulerende middel, og additiver kan anvendes til regulering af et utal af egenskaber ved formuleringen. Afhængig af anvendelsesområdet kan partikler anvendes dels som billigt fyldstof, dels til at give coatingen en særlig funktion. Mest kendt er farvepigmenter, men partikelfasen kan for eksempel også bruges til at ændre transportegenskaber i coatingen, til at hindre korrosion af substratet som coatingen beskytter, til kontrolleret frigivelse af aktive stoffer eller til at give coatingen katalytiske egenskaber.
Den typiske formulering af organiske coatings tager i dag udgangspunkt i erfaring, og de fleste nye coatings designes med udgangspunkt i eksisterende formuleringer, der modificeres med nye ingredienser.
Hvordan bruger man computer i formulering af coating?
Et alternativ til ren erfaringsbaseret formulering er at kombinere computerbaserede beregningsmetoder med eksperimenter. Metoden baserer sig på, at kvantitative egenskaber for de enkelte ingredienser defineres og alternative ingredienser screenes baseret på forskellige fysisk-kemiske beregningsmetoder – herunder gruppe-bidragsmetoder.
Det er målet, at antallet af mulige alternative ingredienser reduceres, og det eksperimentelle arbejde hermed reduceres betydeligt.
Conte et. Al [3] har foreslået formuleringsdesign baseret på fire trin:
- Først oversættes de kvalitative kravspecifikationer til coatingen til egenskaber, der kan kvantificeres.
- Derefter vælges de aktive ingredienser i formuleringen, dvs. pigmenter og bindemidlet.
- I trin 3 designes opløsningsmiddelblandingen.
- Til sidst vælges additiver.
For at understøtte denne metode anvendes et sæt algoritmer, et omfattende modelbibliotek og databaser, figur 2. Disse er tilgængelige via computerstøttede beregningsprogrammer som ICAS [4] og ProCAPD [5].
Design af opløsningsmidler til coatingformuleringer
Opløsningsmidler tegner sig for op mod en tredjedel af omkostningerne i organiske coatingformuleringer [6] og de er vigtige for coatingens egenskaber – både under påføring og tørring/hærdning [7]. Valg af opløsningsmiddel er således en vigtig del af formuleringen.
Anvendeligheden af den udviklede computerbaserede metode er testet i dette projekt igennem et eksempel, som involverer dispergering af pigmentpartikler. Designkriterier for opløsningsmidlet er anført i tabel 1. Fire opløsningsmiddelblandinger beregnes til at kunne være kandidater til at dispergere “Paliotol Yellow L1820 BASF”-pigmentet, når enten polymethylmethacrylat (PMMA) eller polyethylmethacrylat (PEMA) anvendes som bindemiddel.
Resultatet vises i figur 3 og tabel 2. Opløsningsmiddelkandidaterne er enten en blanding af “alkoholer og alkoxylerede alkoholer” eller “alkoxylerede alkoholer og glykolethere”, tabel 1. Disse klasser af organiske forbindelser bruges i formuleringen af akryllakker til autofinish [8]. Derfor vurderes resultaterne opnået fra den computerbaserede designmetode til at være fyldestgørende til at dispergere det valgte organiske pigment i de to akrylpolymerer.
Konklusion
Den computerbaserede metode gør det muligt for en formuleringskemiker at nå frem til en specifik liste over mulige opløsningsmiddelblandinger. Kemikeren kan derfor indskrænke antallet af kandidater blandt de tilgængelige opløsningsmidler. I praksis er anvendelsen af de computerstøttede design-algoritmer begrænset af tilgængeligheden, pålideligheden og nøjagtigheden af de anvendte fysisk-kemiske modeller til at forudsige egenskaberne. For eksempel er modeller for vand som opløsningsmiddel stadig for usikre til at kunne anvendes til computerbaseret design.
Fremtidsperspektiver
Anvendelsesområdet for computerbaseret formulering udvides konstant igennem udvikling af nye og stadig forbedrede modeller. Når de nødvendige modelparametre for nye komponenter er estimeret og pålideligheden af modellerne er verificeret, kan de relativt let tilføjes til modelbiblioteket. Der er dog stadig en del arbejde før nøjagtigheden af beregning af komplekse systemer bliver tilstrækkelig. Vi forventer, at fremtiden vil vise en kombination af fundamentale værktøjer baseret på fysisk-kemisk viden suppleret med maskinlæringsalgoritmer, der løbende kan inddrage eksperimentel erfaring.
Referencer
1. United Nations. Sustainable Development Goals (accessed Jul 25, 2019).
2. Turner, G.P.A. Introduction to Paint Chemistry and Principles of Paint Technology; 2011, DOI 10.1007/978-94-009-1209-0.
3. Conte, E.; Gani, R.; Ng, K.M. Design of Formulated Products: A Systematic Methodology. AIChE J. 2011, 57 (9), 2431-2449, DOI 10.1002/aic.12458.
4. Gani, R.; Hytoft, G.; Jaksland, C.; Jensen, A.K. An Integrated Computer Aided System for Integrated Design of Chemical Processes. Comput. Chem. Eng. 1997, 21 (10), 1135-1146, DOI 10.1016/S0098-1354(96)00324-9.
5. Kalakul, S.; Zhang, L.; Fang, Z.; Choudhury, H.A.; Intikhab, S.; Elbashir, N.; Eden, M.R.; Gani, R. Computer Aided Chemical Product Design – ProCAPD and Tailor-Made Blended Products. Comput. Chem. Eng. 2018, 116, 37-55, DOI 10.1016/j.compchemeng.2018.03.029.
6. Wu, D.T. Applications of Computers in Coatings Research and Development. J. Ind. Text. 1987, 17 (1), 22-40, DOI 10.1177/152808378701700104.
7. Wilson, S.K. The Levelling of Paint Films. IMA J. Appl. Math. (Institute Math. Its Appl. 1993, 50 (2), 149-166, DOI 10.1093/imamat/50.2.149.
8. Dow. Product Information Glycol Ethers for Automotive Coatings Applications Automotive OEM.
