Was sind der Polymerisationsgrad (DP) und der Hydrolysegrad (DH) von PVOH?

Die Eigenschaften von Polyvinylalkohol (PVOH, PVA, Poval) werden maßgeblich durch zwei zentrale Parameter bestimmt, die während des Herstellungsprozesses festgelegt werden: den Polymerisationsgrad (Degree of Polymerization, DP) und den Hydrolysegrad (Degree of Hydrolysis, DH). Der DP beeinflusst insbesondere Eigenschaften wie die Viskosität wässriger Lösungen und die Filmfestigkeit, während der DH einen wesentlichen Einfluss auf die Wasserlöslichkeit, die Wasserbeständigkeit sowie die Gasbarriereeigenschaften hat. Ein Verständnis dieser beiden Parameter ermöglicht eine gezielte Auswahl des passenden PVOH-Typs für die jeweilige Anwendung.

Dieser Artikel gibt zunächst einen Überblick über den Herstellungsprozess von PVOH und erläutert anschließend in verständlicher Form die Definitionen, Berechnungsmethoden sowie den Einfluss von DP und DH auf die Materialeigenschaften. Ziel ist es, Anwender dabei zu unterstützen, zu erkennen, auf welche Parameter sie sich bei der Einführung oder Auswahl von PVOH konzentrieren sollten.

Die Hydrolyse (Verseifung) ist eine Reaktion, bei der die Acetylgruppen (CH₃CO–) des Polyvinylacetats (PVAc) abgespalten und in Hydroxylgruppen (–OH) umgewandelt werden. Durch diese Reaktion entsteht Polyvinylalkohol (PVOH). Industriell wird die Hydrolyse üblicherweise als alkalische Hydrolyse durchgeführt, wobei häufig Methanol als Lösungsmittel eingesetzt wird.

Durch die gezielte Steuerung des Anteils der Acetylgruppen, die während dieser Reaktion in Hydroxylgruppen umgewandelt werden, lassen sich PVOH‑Typen mit unterschiedlichen Hydrolysegraden (Degree of Hydrolysis, DH) herstellen. Der DH hat einen maßgeblichen Einfluss auf zentrale Materialeigenschaften wie Wasserlöslichkeit, Wasserbeständigkeit und Gasbarriereeigenschaften (weitere Details werden im folgenden Abschnitt erläutert).

Der Polymerisationsgrad (Degree of Polymerization, DP) beschreibt die Länge der Molekülkette, also wie viele Vinylacetat‑Einheiten innerhalb eines PVOH‑Moleküls miteinander verknüpft sind. Er kann anhand der Anzahl der Wiederholungseinheiten „m“ (Hydroxyl‑Einheiten) und „n“ (verbleibende Acetyl‑Einheiten) berechnet werden, wie in der rechts dargestellten Abbildung gezeigt.

Der Polymerisationsgrad (DP) wird während des Polymerisationsschritts definiert/gesteuert und hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Leistungseigenschaften des Endprodukts.

Unterschiede im DP wirken sich deutlich auf die folgenden Eigenschaften aus. Diese Informationen sollten bei der Auswahl des geeigneten PVOH‑Typs für eine bestimmte Anwendung berücksichtigt werden.

• Viskosität wässriger Lösungen: Mit zunehmendem DP nimmt die molekulare Verflechtung zu, was zu einer höheren Viskosität der Lösung führt. PVOH‑Typen mit niedrigem DP weisen eine geringe Viskosität auf, sind leichter zu handhaben, können in höheren Konzentrationen gelöst werden und bieten eine größere Flexibilität bei Formulierungen und Beschichtungsprozessen.
• Film‑ und mechanische Festigkeit: Die Zugfestigkeit und Weiterreißfestigkeit von PVOH‑Filmen nehmen im Allgemeinen mit steigendem DP zu.
• Stabilität der Filmbildung: Hoch‑DP‑Typen bilden leicht mechanisch stabile Filme, erfordern jedoch häufig eine sorgfältige Steuerung des Löseprozesses und der Viskosität. Niedrig‑DP‑Typen lösen sich leicht und ermöglichen eine gleichmäßige Filmbildung, wodurch sie sich besonders für niedrigviskose Formulierungen und Dünnschichtanwendungen eignen.

Unterschiede im DH beeinflussen die folgenden Eigenschaften erheblich. Diese Informationen sollten bei der Auswahl des geeigneten PVOH‑Typs berücksichtigt werden.

• Wasserlöslichkeit: Ein niedriger DH führt zu einer leichteren Löslichkeit in Wasser und ermöglicht das Lösen bei niedrigeren Temperaturen. Vollständig hydrolysierte Typen erfordern in der Regel eine Erwärmung auf etwa 95 °C, um sich vollständig zu lösen. (Ist der DH jedoch zu niedrig, kann der verstärkte Einfluss verbleibender hydrophober Acetatgruppen die Wasserlöslichkeit wieder verringern.)
• Gasbarriereeigenschaften: Ein höherer DH führt zu einer verbesserten Gasbarriereleistung. Vollständig hydrolysierte Typen eignen sich daher besonders für Anwendungen bei denen hohe Gasbarriereeigenschaften erforderlich sind, beispielweise im Bereich der Lebensmittelverpackungen.
• Wasserbeständigkeit: Mit steigendem DH verbessert sich die Wasserbeständigkeit getrockneter Filme. Vollständig hydrolysierte Typen sind daher vorteilhaft für Anwendungen mit Feuchtigkeitsbelastung.
• Filmbildung: Die Kombination aus DH und DP bestimmt die Festigkeit, Flexibilität und Transparenz der gebildeten Filme.
• Oberflächenaktivität und Emulgierstabilität: Partiell hydrolysierte Typen enthalten sowohl hydrophobe Acetylgruppen als auch hydrophile Hydroxylgruppen, was zu einer geringeren Oberflächenspannung führt und sie besonders geeignet für den Einsatz als Emulgatoren und Dispergierhilfsmittel macht.

Obwohl hochwasserlösliche PVOH‑Typen eine verbesserte Löslichkeit bieten, ist ihre Wasserbeständigkeit nach dem Trocknen in der Regel geringer als bei Standardtypen. Wenn sowohl hohe Wasserlöslichkeit als auch Wasserbeständigkeit gefordert sind, können Formulierungen mit Vernetzungsmitteln eine wirksame Lösung darstellen. Kuraray bietet zudem anwendungsspezifische Formulierungsunterstützung, abgestimmt auf den jeweiligen Einsatzbereich.

Für Unterstützung bei der Typenauswahl oder der Formulierungsentwicklung wenden Sie sich bitte über das Anfrageformular auf dieser Website an das technische Team von Kuraray.