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Die Erfindung bezieht sich auf eine schnell brechende, anionische Bitumenemulsion und auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Die erfindungsgemässen Bitumenemulsionen sind wegen der Einfachheit ihrer Herstellungstechnologie und vom anwendungstechnischen Standpunkt her ausserordentlich vorteilhaft.
Das Anwendungsgebiet der anionischen Bitumenemulsionen hat sich in der letzten Zeit erweitert, man verwendet sie z. B. zusammen mit Latex-Zusätzen als Isoliermaterial. Solche Isoliermaterialien auf der Basis Bitumen-Latex weisen eine bessere Streckbarkeit und Elastizität, bessere Festigkeit, Alterungsbeständigkeit, bessere Haftfähigkeit und einen niedrigen Brechpunkt auf. Die Bitumen-Latex-Emulsionen werden aus praktischen Gründen in sogenannter Zweikomponentenausführung hergestellt, weil bei den Verfahren bei denen Einkomponentensysteme verwendet werden, das Verdunsten des Wassers zu viel Zeit in Anspruch nimmt, die Schicht bildet sich nämlich erst nachher aus.
Da die Überzüge aus mehreren Schichten aufgebaut werden und schon die Ausbildung nur einer Schicht wegen der langwierigen Wasserverdunstung lange Zeit in Anspruch nimmt, was vom technischen Standpunkt her unannehmbar ist, wird bei den Zweikomponentenverfahren die Schicht durch die Einwirkung von Elektrolytlösungen, z. B. 3 bis 5%iger Kalziumchloridlö- sung, ausgebildet. Beide Komponenten, also die Bitumen-Latex-Emulsion und das Fällungsmittel, werden mittels einer Sprühvorrichtung, in der sich die Komponenten unmittelbar vorher vermischt haben, auf die zu überziehende Oberfläche aufgebracht. Das Fällungsmittel bewirkt die Koagulation der Emulsion, wodurch sich eine nicht wieder emulgierbare Schicht ausbildet.
Für die Ausbildung wasserdichter Schichten im Tiefbau muss jedoch die erste Schicht ohne Füllungsmittel aufgesprüht werden, damit letzteres nicht mit dem Beton in unmittelbare Berührung kommt.
Einkomponenten-Bitumenemulsionen können mit verhältnismässig billigen Emulgatoren vom Seifentyp hergestellt werden, indem das säurehaltige Bitumen unter Zugabe dieser Emulgatoren in verdünnter Lauge emulgiert wird. Es wurden auch schon Ammoniumseifen als Emulgatoren verwendet, diese Emulsionen sind jedoch kaum weniger stabil als jene mit Alkaliseifen und sie brechen daher nur langsam mit zunehmender Wasserverdunstung.
Es ist das Ziel der Erfindung, eine als Isolier- und Schutzüberzug universell verwendbare, schnell brechende, anionische Einkomponenten-Bitumenemulsion zu schaffen, die leicht herstellbar und auch über mehrere Monate selbst bei verhältnismässig tiefen Temperaturen lagerbar ist.
Die Bitumenemulsion gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aus 40 bis 60 Gew.-TeilenDestillations-oder Blasbitumen, 30 bis 40 Gew.-Teilen Wasser, 4 bis 5 Gew.-Teilen etwa 25 gew.-% igem Ammoniakwasser, 4 bis 5 Gew.-Tei- len Ölsäure, 0,05 bis 0, 1 Gew.-Teilen anorganischen Salzen von Kupfer, Zink, Silber, Nickel, Kobalt und/oder Cadmium sowie gegebenenfalls Latex, wie natürlichen Latex oder Kunstkautschuklatex, Lackbenzin und Füll- bzw. strukturverstärkenden Stoffen (Gerüststoffen) besteht.
Als Bitumen wird zweckmässig Destillationsbitumen mit einem Erweichungspunkt von 40 bis 70 C eingesetzt. Bei Einsatz von Blasbitumen hat dieses zweckmässig einen Erweichungspunkt von 80 bis LOCPC, wobei die Bitumenemulsion auch Lackbenzin enthält.
Als Füllstoffe bzw. strukturverstärkende Stoffe setzt man erfindungsgemäss geschnittene Glasfasern, kurzfaserigen Asbest, Schlackefasern und/oder Mineralwolle ein.
Die zweckmässig eingesetzte Menge an Schwermetallsalz, vorzugsweise Kupfersulfat, liegt bei 0, 1 Gew.-%, höhere Konzentrationen können gemäss der Erfahrung die Stabilität der Emulsion beeinträchti- gen.
Das erfindungsgemässe Herstellungsverfahren für die Bitumenemulsion ist dadurch gekennzeichnet, dass man Bitumen über seinen Erweichungspunkt erwärmt, in warmem Wasser das Ammoniakwasser, Ölsäure sowie Metallsalze löst, gegebenenfalls Latex zumischt und schliesslich unter starkem Rühren bzw. Mahlen das über seinen Erweichungspunkt erwärmte Bitumen in die wässerige Phase einmischt, worauf schliesslich gegebenenfalls Füll-bzw. strukturverstärkende Stoffe zugemischt werden. Verwendet man eine Kolloidmühle, so kann das Verfahren auch kontinuierlich ausgeführt werden. In diesem Falle werden die wässerige und die Bitumenphase getrennt voneinander bereitet, auf die gewünschte Temperatur eingestellt undbeide Komponenten werden in dem angegebenen Verhältnis gleichzeitig in die Kolloidmühle eingespeist.
Die Full- un strukturverstärkenden Stoffe wie geschnittene Glasfasern, kurzfaseriger Asbest, Schlackefasern und/oder Mineralwolle können der zubereiteten Bitumenemulsion auch beim Aufsprühen zugesetzt werden.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der für die anionische Bitumenemulsion vorgeschlagene, in situ hergestellte Ammoniumoleat-Emulgator an der Luft dünnschichtig zerfällt und seinen Ammoniakgehalt verliert. Die zurückbleibende Ölsäure klebt mit den Bitumenteilchen zusammen und bildet auf diese Weise einen homogenen Film. Die wasserabschliessenden Eigenschaften des Bitumenfilms sind mit denen aus lösungsmittelhaltigen Bitumenemulsionen gefertigten Fihnen ident, der Emulgator verhält sich jedoch im Gegensatz zu den bekannten Alkalioleaten irreversibel. Die besonders vorteilhaften Eigenschaften der Bitumenemulsion werden durch die Tatsache, dass nach einer Lagerzeit von mehr als 6 Monaten weder Phasentrennung noch Absetzen zu beobachten war, unter Beweis gestellt.
Das schnelle Brechen der erfindungsge-
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mässen, anionischen Bitumenemulsion nach dem Aufsprühen beruht auf der Anwesenheit der Ammoniumkomplexe der Schwermetallsalze, vor allem von Kupfer, aber auch Zink, Silber, Nickel, Kobalt und Cadmium. Das Einstellen der Brechzeit wird bei den bekannten Emulsionen durch Zusatz von Elektrolyten, beispielsweise von Erdalkalisalzen wie Kaliumchlorid, vorgenommen. Diese Erdalkalielektrolyte rufen jedoch die Koagulation von Bitumen-Latex-Emulsionen innerhalb von wenigen Augenblicken hervor, weswegen zum Auftragen der Emulsion eine zweidüsige Sprühvorrichtung verwendet werden muss ; durch die eine Düse wird die Bitumen-Latex-Emulsion, durch die andere die Elektrolytlösung auf die zu überziehende Oberfläche aufgebracht.
Wegen der hohen Kosten dieser Sprühvorrichtungen und des in der Ausführung peinliche Genauigkeit erfordernden Mischvorgangs ist dieses Verfahren wenig verbreitet. Werden jedoch erfindungsgemäss mit den erwähnten Schwermetallsalzen Ammoniumkomplexe gebildet und diese mit der latexhaltigen Bitumenemulsion bereits bei der Herstellung vereinigt, so beeinflusst der Ammoniumkomplex des Metalls die Stabilität der Bitumenemulsion innerhalb der obigen Konzentrationsgrenzen nicht.
Erst nach dem Auftragen der Bitumenemulsion auf eine Oberfläche verdunstet das Ammoniak der Emulsionsschicht unabhängig von der Art der Trägerfläche verhältnismässig schnell-schneller als Wasser -, der Schwermetall-AmmoniumKomplex zerfällt und das nunmehr vorliegende Metallsalz übt seine koagulierend Wirkung aus, die aufgetragene Emulsionsschicht koaguliert demnach noch vor Verlust ihres Wassergehalts. Die Erfindung erbringt somit eine in situ schnell brechende Einkomponenten-Bitumenemulsion. Dieses Prinzip ist übrigens in der Emulsionstechnologie allgemein bei der Herstellung von Wasser-Öl-Emulsionen anwendbar und es können auf diese Weise aus verschiedenen Pflanzenfetten, Fischölen, Wachsen, Fetten und natürlichen Harzen stabile Emulsionen hergestellt werden.
Die erfindungsgemässe Emulsion verfügt demnach über alle anwendungstechnischen Vorteile der schnell brechenden und trocknenden anionischen Bitumenemulsionen und zeigt eine überraschend gute Haftung. Besondere Bedeutung kommt der erfinderischen Erkenntnis bei der Bereitung von latexhaltigen Bitumenemulsionen zu, bei denen bisher wegen der schwierigen Technologie die Möglichkeit des Versagens kaum ausgeschlossen werden konnte.
Beim Vermischen des geschmolzenen Bitumens mit Kunstkautschuklatex kann wegen des schnell eintretenden Wasserverlusts eine Fällung auftreten. Wird eine vorher bereitete anionische Bitumenemulsion mit basisch reagierendem Latex vermischt, so scheiden sich Bitumen und Latex während des Stehens voneinander. Der beim Auftragen entstandene Film ist heterogen und die vorteilhaften Eigenschaften der Kombination Bitumen-Latex kommen nicht genügend zur Geltung. Wird jedoch zur Bereitung der Emulsion der Ammo- niumoleat-Emulgator verwendet, der sowohl das Bitumen als auch den Latex gut emulgiert, so bleibt die Emulsion trotz ihres Gehalts an Metallelektrolyt stabil und bildet erst nach dem Auftragen unter Verlust ihres Ammoniakgehalts einen homogenen Film.
In der erfindungsgemässen Emulsion kommt dem Ammoniak also eine doppelte Aufgabe zu : einesteils gewährleistet er die notwendige Emulgierbarkeit bei der Herstellung der Emulsion, anderseits maskiert er die vorhandenen Schwermetallionen durch Komplexbildung, bei seiner Verdunstung werden die Metallelektrolytenfreiund bewirken eine schnelle Koagulation der Emulsion.
Als Anwendungsgebiete für die erfindungsgemässen Emulsionen kommen z. B. folgende in Betracht : Vorbereitung von Betonflächen, die danach mit einer Warmbitumenisolierung versehen werden sollen ; Kleben von selbstklebenden bituminierten Folien ; äussere und innere Wasserisolierung vorgefertigter Betonrohre ; Ausbildung von Korrosionsschutzschichten auf Metallflächen. Die aufgezählten Verwendungsgebiete sind nur einige der wichtigsten ; die erfindungsgemässen anionischen Bitumenemulsionen können noch für viele andere Zwecke verwendet werden.
Die Vorteile der erfindungsgemässen anionischen Bitumenemulsionen können wie folgt zusammengefasst werden ;
1. Ihre Fabrikationstechnologie ist einfach, sie bilden Einkomponentensysteme. Für die Herstellung der Bitumenemulsionen können bereits vorhandene Vorrichtungen verwendet werden, zum Auftragen sind keine Spezialgeräte, etwa eine Sprühvorrichtung spezieller Ausführung, notwendig. Die Schicht koaguliert schnell ; soll ein dicker Überzug angefertigt werden, so können die einzelnen Schichten schnell hintereinander aufgetragen werden.
2. Die Emulsion kann länger gelagert werden, als dies bei Bitumenemulsionen im Durchschnitt der Fall ist. Die Emulsion ist mindestens ein halbes Jahr oder aber noch länger lagerbar.
3. Die zur Herstellung der anionischen Emulsion notwendigen Komponenten sind leicht zugänglich und verhältnismässig billig.
4. Durch die Vereinigung der vorteilhaften Eigenschaften des Bitumens mit denen des Latex und durch die Einfachheit der Herstellung kann das Anwendungsgebiet der anionischen Bitumenemulsionen wesentlich erweitert werden.
5. Der Überzugverfügt über einwandfreie Wasserbeständigkeit und ist daher auch bei verschärftenForderungen, wie sie bei Wasserdruck gestellt werden, als Isolierschicht verwendbar. Die aufgetragene Schicht kann nach kurzer Zeit in Anspruch genommen werden.
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6. Die Emulsion ist zur Herstellung von Korrosionsschutzüberzügen gut geeignet. Da sie mit andern Bitumenemulsionen gut verträglich ist, kann ihre Verwendung den auftretenden Ansprüchen elastisch angepasst werden.
Zusammensetzung und Herstellung der erfindungsgemässen anionischen Bitumenemulsionwerden an Hand der folgenden Beispiele näher erläutert.
Beispiel l : Die anionische Bitumenemulsion wird aus folgenden Bestandteilen zusammengesetzt :
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4 Gew. -Teile 25%iges Ammoniakwasser
5 Gew.-Teile Ölsäure
2 Gew.-Teile natürliches Latex (60% Trockengehalt).
In einer mit in der Drehzahl zwischen 100 und 3000 Umdr/min einstellbarem Rührer und einem beheizbaren Mantel versehenen Mischvorrichtung werden 30 Gew.-Teile Wasser auf 750C erwärmtund das Kupfersulfat darin aufgelöst, dann wird das Ammoniakwasser zugemischt, wodurch sich die Farbe der Lösung von himmelblau nach tiefdunkelblau verändert. Nun wird die Ölsäure zugegeben und das Gemisch anschliessend
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teilen. Dann werden unter ständigem Rühren bei 750C 2 Gew.-Teile natürliches Latex zugegeben und die Temperatur zwischen 70 und 800C gehalten. Dann werden dieser wässerigen Phase unter starkem Rühren mit höchster Drehzahl das vorher auf 1200C erhitzte Destillationsbitumen zugemischt, hiebei ist darauf zu achten, dass die Temperatur nicht über 1000C steigt.
Nachdem alles Bitumen zugegeben wurde, wird die Mischung noch eine Weile energisch gerührt, schliesslich der Mischer abgestellt und die fertige Bitumenemulsion abgefüllt. Sie zeigte folgende Eigenschaften :
Viskosität bei 20 C zirka 151, 6-227, 4 cSt (20-30 E )
PH etwa 10
Absetzen nach 24 h keines
Brechzeit auf Basaltschotter max. 25 min feuchtem Beton max. 10 min nassgehaltenem Beton max. 20 min
Haftung sowohl auf Basalt als auch auf Beton gut
Verdünnbarkeit mit Wasser verdünnbar
Beispiel 2 :
Herstellung einer anionischen Bitumenemulsion auf halbkontinuierlicher Weise :
In einem beheizbaren Dosierbehälter wird in 28 Gew.-Teilen Leitungswasser von 70 C 0, 1 Gew. -Teile Kupfersulfat (CuSO, 5H2 0) gelöst. Der Lösung werden zuerst 4 Gew. -Teile 25%iges Ammoniakwasser und dann 4 Gew.-Teile technisches Elain zugegeben. Nach der Bildung des Ammoniumoleats und des Kupferkomplexes werden bei 700C 4 Gew.-Teile synthetisches Latex mit 30% Trockengehalt zugesetzt. In einem zweiten beheizten Dosierbehälter werden gleichzeitig 56 Gew.-Teile Blasbitumen 85/25 bei 160 C geschmolzen und mit 4 Gew.-Teilen Lackbenzin versetzt.
Nun werden beide flüssigen Phasen gleichzeitig kontinuierlich einer Kolloidmühle zugeführt und die abgenommene fertige Emulsion in verschliessbare Behälter abgefüllt, damit sie ihren Ammoniakgehalt nicht verliert.
Beispiel 3 : Die Bitumenemulsion wird aus folgenden Komponenten hergestellt :
56 Gew.-Teile Destillationsbitumen B-90
5 Gew.-Teile technische Ölsäure
36 Gew.-Teile Wasser 0, 1 Gew.-Teile CuSO , 5 H2O
4 Gew. -Teile 25%iges Ammoniakwasser.
Die wässerige Phase wird wie Im Beispiel 1 jedoch bei 80 C, die Bitumenphase bei 120 C vorbereitet.
Die auf diese Weise hergestellte Emulsion, die kein Latex enthält, kann wegen ihrer Billigkeit auf zahlreichen Gebieten, wie zum Kleben oder zur Vorbereitung von Oberflächen, eingesetzt werden.
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Beispiel 4 : Es werden folgende Komponenten analog Beispiel 1 verarbeitet :
56 Gew.-Teile Destillationsbitumen B-90
4 Gew.-Teile Ölsäure
32 Gew.-Teile Wasser
4 Gew. -Teile 25%iges Ammoniakwasser 0, l Gew.-Teile CuSO . 5 H O
4 Gew.-Teile Latex mit 30% Trockengehalt.
Der fertigen Bitumenemulsion werden beim Auftragen 6 Gew.-Teile kurzfaseriger Asbest (F-6) oder auf 0, 5 cm Länge geschnittene Glasfasern zugesetzt. Die Emulsion kann aber auch als Streichmasse ohne Sprühvorrichtung aufgetragen werden. Üblicherweise wird die Emulsion in einer Menge von 1, 5 bis 2 kg/m verwendet. Die mechanischen Eigenschaften der entstandenen Schicht, wie Abriebfestigkeit, Fähigkeit zum Überbrücken von Rissen und Haftung sind besser als bei den aus bekannten anionischen Bitumenemulsionen erhältlichen Schichten.
PATENTANSPRÜCHE :
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natürlichen Latex oder Kunstkautschuklatex, Lackbenzin und Füll-bzw. strukturverstärkenden Stoffen besteht.