Emulsion polymerization of binders for sustainable fire retardant coatings

Thumbnail Image

Files

master_Häkkinen_Ville_2025.pdf (26.59 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Chemical Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-08-20

Department

Major/Subject

Functional Materials for Global Challenges

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Advanced Materials for Innovation and Sustainability

Language

en

Pages

53

Series

Abstract

Conventional halogenated fire retardants are associated with toxicity, environmental persistence, and bioaccumulation, prompting the development of sustainable alternatives. This thesis investigates the synthesis and optimization of acrylic binders for fire retardant coatings through emulsion polymerization, with a focus on their compatibility with bio-based fire retardant additives. This work explores how synthesis parameters and emulsifier systems influence binder properties and their interaction with tannin, a bio-based fire retardant additive. Batch and semi-continuous emulsion polymerization were employed to synthesize poly(methyl methacrylate-\textit{co}-butyl acrylate) latexes. Two emulsifier systems were compared: a conventional surfactant blend(SDS+Brij\textsuperscript{\textregistered} S10) and a surfmer-based system (Emulsogen\textsuperscript{\textregistered} CPA 100 XS and CPN 100 XS). The chemical composition of the prepared copolymers were analyzed with proton nuclear magnetic resonance spectroscopy and Fourier-transform infrared spectroscopy. The molecular weights of the prepared copolymers were determined via static light scattering and the particle size distribution of the latex particles was determined with dynamic light scattering. The glass transition temperature of the synthesized binders was determined using differential scanning calorimetry. The results of this study demonstrate that semi-continuous emulsion polymerization, particularly with controlled monomer and initiator feeding, allows precise compositional control, great monomer-to-polymer conversion, and uniform particle size distribution compared to batch processes. The influence of monomer feed rate, initiator feed rate, and emulsifier concentration on molecular weight, particle size, polydispersity, and thermal properties was systematically examined. Compatibility tests with tannin-based fire retardants revealed that surfmer-stabilized latexes exhibited greater stability with tannin compared to conventional surfactant systems, highlighting their potential in sustainable fire retardant binder formulations. The findings of this thesis work establish a foundation for the development of environmentally benign binder systems for modern fire retardant coatings.

Perinteisistä halogeenipohjaisista palonestoaineista vapautuu myrkyllisiä aineita ympäristöön, jossa ne myös kertyvät eläviin organismeihin. Ympäristölle haitallisten palonestoaineiden tilalle on kehitetty viime aikoina biopohjaisia ja ympäristöystävällisiä vaihtoehtoja. Tässä opinnäytetyössä tutkittiin akryylipohjaisten lateksien valmistusta emulsiopolymeroinnilla ja näiden yhteensopivuutta sideaineina biopohjaisten palonestoaineiden kanssa. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää, kuinka emulgointiaineen valinnalla sekä polymerointiprosessia muokkaamalla voidaan optimoida sideaineen ominaisuuksia siten, että sideainetta voi hyödyntää tanniinipohjaisen palonestoaineen kanssa. Tässä opinnäytetyössä valmistettiin poly(metyylimetakrylaatti-butyyliakrylaatti) lateksia käyttäen panos- ja puolijatkuvaa emulsiopolymerointi menetelmää. Työssä vertailtiin kahta emulgointiaineyhdistelmää: perinteisiä pinta-aktiivisia aineita (SDS ja Brij\textsuperscript{\textregistered} S10), sekä polymeroituvia pinta-aktiivisia aineita (surfmeereja) (Emulsogen\textsuperscript{\textregistered} CPA 100 XS ja CPN 100 XS). Kopolymeerien kemiallista koostumusta analysoitiin ydinmagneettisen resonanssispektroskopian ja Fourier-muunnosinfrapunaspektroskopian avulla. Kopolymeerien moolimassat määritettiin staattisella valonsironnalla ja lateksipartikkelien kokojakauma dynaamisella valonsironnalla. Sideaineiden lasisiirtymälämpötila määritettiin differentiaalisella pyyhkäisykalorimetrialla. Opinnäytetyön kokeellinen osio osoittaa, kuinka sideaineiden ominaisuuksiin pystytään vaikuttamaan muuttamalla emulgointiaineen pitoisuutta, sekä säätämällä eri reagenssien syöttönopeutta. Tutkimuksessa huomattiin myös, että surfmeereilla emulgoitujen lateksien stabiilius tanniinin kanssa oli huomattavasti parempi verrattuna surfaktanteilla emulgoituihin latekseihin. Tämän opinnäytetyön tulokset luovat pohjaa ympäristöystävällisempien palonestoaineiden tutkimukselle ja kehitykselle.

Description

Supervisor

Niskanen, Jukka

Thesis advisor

Phiri, Josphat

Keywords

emulsion polymerization, bio-based fire retardant, binder, surfmer, tannin, P(MMA-co-BuA)

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202510228530

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM