CN108349826A - 快速干燥的双组分涂料物质及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备基于快速硬化的水硬性粘结剂的含水涂料物质的方法和相应的涂料化合物，所述含水涂料物质以液体形式涂覆于基材上。涂料物质的含水糊状第一组分除了(硫)铝酸钙水泥之外，还包含有机聚合物粘结剂、缓凝剂和作为硬化促进剂的硫酸锂和/或乙酸锂。在通过添加包含至少一种活化剂的第二组分进行预先活化之后，涂料物质产生具有改进的完全干燥特性的涂层。

Description

快速干燥的双组分涂料物质及其制备方法
本发明涉及一种快速干燥的含水涂料组合物及其制备方法。
快速干燥的涂料组合物在广泛的应用范围内使用。它们以液体或糊状形式使用，例如，用于制备密封系统，例如复合材料与瓷砖的密封、液体容器的密封，建筑物外壳(屋顶、阳台、露台、地下室)、基础建筑(例如桥梁、供水和水处理厂)以及隧道建筑周围的结构密封。这种例如双组分(粉末组分+分散组分)或单组分(粉末)矿物密封浆料形式的密封膜在现有技术中是已知的。还有糊状、结合分散体的(dispersion-bound)和反应性密封系统。一方面，该系统旨在提供足够的保护以防止液体渗入基材，另一方面，旨在确保裂纹桥联功能。在复合材料密封段中，与基材分离是另一个功能。
矿物密封浆料具有较高的水泥含量和聚合物含量，因此其裂纹桥联性能和收缩性能不令人满意。特别是在较厚的层的情况下，这种系统产生裂纹的趋势是显著的，并且导致在关键的建筑几何形状(例如，在拐角或边缘)区域中使用增强纤维。特别是在高柔性胶凝密封浆料的情况下，水合度受到限制，并且随后可能导致密封层的后续水合和迟发性脆化。
与矿物体系相比，糊状体系产生的密封具有明显更好的柔性，但在完全干燥(through-drying)方面受到限制，特别是在苛刻的环境条件下，例如高大气湿度和低温。糊状体系的冻融稳定性也受到限制，因此它们仅用于室内部分。
在复合材料密封段中，干燥后，反应体系(例如PU或环氧体系)表现出与覆盖体系(例如，瓷砖)的粘合整合的问题。此外，在某些情况下，这些体系有皮肤致敏性，甚至可能是有毒的。
在矿物密封浆料领域中，除了OPC水泥(OPC：普通波兰特水泥)，目前还使用快速固化水泥(HAC、CSA等)和硫酸钙粘结剂。例如，US2010/015589记载了一种双组分体系，其中一种组分在糊状水相包含钝化的铝酸盐水泥、硼酸和增塑剂，另一种组分在水相中包含引发剂。引发剂(促进剂)是氢氧化锂和硫酸锂或碳酸锂的混合物。该体系在不到5分钟内固化，从而在15分钟内制备出压缩强度为10-15MPa的混凝土。然而，必须将引发剂均匀地掺入糊状组合物中，这需要相当多的混合工作。EP 2 607 330 A1记载了一种施用于绝缘元件的着色剂组合物(render composition)。该组合物包含糊状第一部分和在施用前需要与第一部分混合的第二部分。第一部分包含矿物粘结剂(例如铝酸钙水泥)、有机粘结剂(例如聚合物分散体或有机硅树脂分散体)以及酸性缓凝剂(例如硼酸)。第二部分包含在水相中的促进剂，例如氢氧化锂、碳酸锂或硫酸锂。WO 2014/180859记载了一种基于硫铝酸钙熟料的矿物水硬性粘结剂，其包含用于硫铝酸钙的水力反应的活化剂、释放锌离子的锌组分和阻凝剂。US 2014/0343194记载了具有长储存期的稳定化的含水速凝水泥悬浮液。其包含含磷化合物例如磷酸，从而使速凝水泥钝化。用促进剂(例如硫酸锂、碳酸锂、氯化锂或氟化锂)使水泥再活化。
这些情况下的目的是配制快速硬化体系，即使在不利条件下，例如高大气湿度和低温，其仍然表现出明显更快的涂层的完全固化。除了使用速凝水泥和硫酸钙粘结剂外，还使用其他凝硬性材料，例如矿渣、矿渣砂、硅微粉和粉煤灰。相对于具有高熟料比例的波兰特水泥，这提高了体系的CO2平衡。通过使用速凝水泥，收缩性也降低—参见US4746365。
本发明的目的是避免现有技术中的缺点，并提供易于制备的涂料组合物，可将其加工形成具有可接受的裂纹桥联性能的密封件，并且即使在高大气湿度和/或低温下也能快速并完全干燥。
该目的通过一种制备用于涂覆基材的含水涂料组合物的方法来实现，所述方法包括以下按照指定顺序的步骤：
A)通过以下步骤提供含水糊状第一组分(a)：
(a1)混合至少一种快速固化的水硬性粘结剂，和
(a2)至少一种缓凝剂，其选自硼酸、正磷酸、偏磷酸、膦酸(亚磷酸)、有机膦酸衍生物、酒石酸和柠檬酸及它们的混合物，
(a3)向(a1)和(a2)的混合物中添加选自硫酸锂、乙酸锂或其混合物的固化促进剂，
(a4)向(a1)至(a3)的混合物中添加至少一种有机聚合物粘结剂，以及
B)添加第二组分(b)，其包含至少一种活化剂。
糊状第一组分包含快速固化的水硬性粘结剂(a1)。该粘结剂尤其包含铝酸盐水泥，优选铝酸钙水泥、硫铝酸钙水泥或它们的混合物。除铝酸盐水泥外，快速固化的水硬性粘结剂还可包含其他凝硬性材料，例如波兰特水泥、矿渣、矿渣砂、硅微粉和粉煤灰。相对于具有高熟料比例的波兰特水泥，这提高了体系的CO2平衡。必须计算其他凝硬性材料的量，以免显著损害粘结剂的性能。其量通常为0.1至20重量％，基于快速固化的水硬性粘结剂的重量计。
在第一步中，将快速固化的水硬性粘结剂与缓凝剂(a2)混合。缓凝剂(a2)用于钝化快速固化的水硬性粘结剂(a1)，以防止其过早固化。合适的缓凝剂为酸性化合物，特别是硼酸、正磷酸、偏磷酸、膦酸(亚磷酸)、有机膦酸衍生物、酒石酸或柠檬酸。其他合适的缓凝剂为上述酸的衍生物，其在水性介质中形成这些酸。其实例为五氧化二磷、三氧化磷、焦磷酸或三聚磷酸。
合适的膦酸衍生物的实例为氨基三亚甲基膦酸、氨基乙基膦酸、1-羟基亚乙基-1,1-二膦酸、四亚甲基二胺四亚甲基膦酸、六亚甲基二胺四亚甲基膦酸、二亚乙基三胺五亚甲基膦酸、膦酰基丁烷三羧酸、N-(膦酰甲基)亚氨基二乙酸、2-羧乙基膦酸或2-羟基膦酰基羧酸。优选的缓凝剂为硼酸和正磷酸。
在一个实施方案中，首先引入缓凝剂的水溶液，并在搅拌下谨慎地将快速固化的水硬性粘结剂引入水溶液中。
然后向包含快速固化的水硬性粘结剂和缓凝剂的悬浮液中引入至少一种固化促进剂(a3)，其选自硫酸锂、乙酸锂或它们的混合物，并且将促进剂与悬浮液混合。除硫酸锂、乙酸锂或它们的混合物外，固化促进剂还可包含至多50重量％的其他固化促进剂，基于固化促进剂的总重量计。
硫酸锂和乙酸锂是已知的固化促进剂。因此，出乎意料地，硫酸锂和乙酸锂可以包含在糊状第一组分中，而不造成快速固化的水硬性粘结剂的过早固化。
然后，将至少一种有机聚合物粘结剂(a4)引入所得的组分(a1)、(a2)和(a3)的混合物中，并进行混合。
有机粘结剂(a4)是由以下单体构成的天然或合成聚合物或共聚物：例如，(甲基)丙烯酸酯、苯乙烯、(甲基)丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯腈、羧化苯乙烯、丁二烯、乙酸乙烯酯、乙烯或丙烯。合适的聚合物的实例为直链丙烯酸类，更特别为基于丙烯酸正丁酯或丙烯酸2-乙基己酯的直链丙烯酸类或它们的共聚物、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、羧化苯乙烯-丁二烯共聚物、乙酸乙烯酯聚合物、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物，优选基于丙烯酸正丁酯、丙烯腈和甲基丙烯酸的共聚物。
糊状第一组分通常为含水形式，并且除了组分(a1)至(a4)外，还可以包含作为组分(a5)的添加剂，例如流变添加剂、增稠剂如润湿剂、消泡剂、杀生物剂和/或防腐剂。
在每种情况下基于糊状第一组分的总重量计，其量总计为100重量％，糊状第一组分优选包含：
组分(a1)：5至30重量％，更特别是5至25重量％；
组分(a2)：0.1至8重量％，更特别是0.5至5重量％；
组分(a3)：0.5至5重量％，更特别是0.5至4重量％或0.8至4重量％；
组分(a4)：5至60重量％，更特别是30至50重量％；
组分(a5)：0至5重量％，更特别是0.5至4重量％；
水：10至60重量％，更特别是10至45重量％，优选10至38重量％。
选择组分(包括水)的量，以便得到糊状混合物，这意味着糊状第一组分通常具有1000mPas至20000mPas的粘度，使用Brookfield DVIIplus以转子7和10rpm测定粘度。特别期望的是水含量小于45重量％、优选水含量小于38重量％的糊状第一组分。
组分(a4)与组分(a1)的重量比通常为1:1至1:0.08，优选1:0.1至1:0.4。
通过使用常规混合技术和混合装置将组分混合来制备糊状第一组分。在本文中，组分(a4)可以以含水聚合物乳液的形式使用，其通常包含30至80重量％、更特别是50-70重量％的聚合物，基于聚合物乳液的总量计。或者，组分(a4)可以以聚合物粉末的形式使用。组分(a2)和(a3)也可以以水溶液的形式(例如，83-90％浓度的磷酸水溶液形式)或粉末形式使用。
将添加剂(a5)和水谨慎地加入组分(a1)和(a2)或(a1)、(a2)和(a3)的混合物中(谨慎地按照以下顺序：消泡剂、润湿剂、水、杀生物剂)。最后，引入组分(a4)。以这种方式获得储存稳定且无附聚物的糊状第一组分。
在施用本发明的涂料组合物之前，通常还加入作为组分(a6)的矿物填料，例如石英砂、碳酸盐、硅微粉或它们的两种以上的混合物。在这种情况下，各自基于糊状第一组分的总重量计，糊状第一组分具有以下组成：
组分(a1)：1至28.5重量％，更特别是1.5至22.5重量％；
组分(a2)：0.02至7.6重量％，更特别是0.15至4.5重量％；
组分(a3)：0.1至4.75重量％，更特别是0.24至3.6重量％；
组分(a4)：1至57重量％，更特别是9至45重量％；
组分(a5)：0至4.75重量％，更特别是0.15至3.6重量％；
组分(a6)：5至80重量％，更特别是10至70重量％；
水：2至57重量％，更特别是3至40.5重量％，优选3-34.2重量％。
第二组分(b)包含活化剂，其更特别为碱化剂(pH触发剂)。为此，所考虑的试剂的实例包括碱金属和碱土金属的氢氧化物、氧化物和碳酸盐，或波兰特水泥，或它们的混合物。优选碱金属氢氧化物，例如氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化锂，或它们的混合物。特别优选氢氧化钠或氢氧化钾，或它们的混合物。碱化剂可以以水溶液(例如10％至30％浓度的溶液)的形式使用，或以固体形式使用。
第二组分的目的是激活固化并干燥。因此，在施用涂料组合物之前，立即将第二组分与糊状第一组分混合。在本文中，“立即”理解为在施用之前不到10min。选择碱化剂的量，以使pH上升到至少10、更特别是至少12。由于固化促进剂可能已经包含在糊状第一组分中，因此制备和施用本发明的涂料组合物是特别容易的，并且糊状第一组分可以保留在涂料组合物的处理位点。通过碱化剂的量和所得的pH，可在宽范围内调节处理或工作时间。
为了使用，将本发明的涂料组合物以液体形式，例如以常规方式(例如用辊或涂布机)，以一层或多层涂覆于基材上，例如涂覆于建筑基材上。合适的基材的实例为混凝土、石头、砖、石膏、石膏板、木材、玻璃、铝、塑料或沥青。
本发明还提供一种包含糊状组分(a)的含水组合物和一种用于涂覆基材的含水涂料组合物，所述组合物以两部分(I)和(II)存在，部分(I)包含糊状第一组分(a)，部分(II)包含含活化剂的组分(b)，所述糊状第一组分包含：
(a1)至少一种快速固化的水硬性粘结剂，
(a2)至少一种缓凝剂，其选自硼酸、正磷酸、偏磷酸、膦酸(亚磷酸)和有机膦酸衍生物，和
(a3)至少一种固化促进剂，其选自硫酸锂、乙酸锂或它们的混合物，以及
(a4)至少一种有机聚合物粘结剂。
特别地，可根据上述方法获得糊状第一组分。
组分(I)和(II)及其在组合物和涂料组合物中的量和/或比例如上文关于制备涂料组合物的方法中所述。
借助本发明的涂料组合物，可将矿物和糊状体系的优点结合起来。例如，所获得的涂料的机械性能、尤其是裂纹桥联性能得到改进。由于大大减少了水泥的使用以及快速固化的水硬性粘结剂的使用，开裂趋势、迟发性脆化和收缩性也大大降低，而不限制矿物体系的拉伸粘结强度。因此，由本发明的涂料组合物制备的保护层的拉伸粘结强度为≥0.5N/mm2，优选≥1N/mm2。静态裂纹桥联(根据德国通用建筑局测试检定)的数值为≥0.4mm，优选≥1mm，更优选≥2mm。根据EN 14891的动态裂纹桥联(瓷砖下方的密封系统)为≥0.75mm，优选≥1mm。
此外，本发明的涂料组合物表现出良好的完全干燥结果，特别是在高大气湿度(80-100％)下，并且可以在无需大量混合工作的情况下进行制备。
因此，本发明的涂料组合物特别适用于制备建筑基材上的密封膜。这样的实例为复合材料与瓷砖的密封、液体容器的密封，建筑物外壳(屋顶、阳台、露台、地下室)、基础建筑(例如桥梁、供水厂和水处理厂)以及隧道建筑周围的结构密封。
以下实施例说明本发明而不限制本发明。
实施例1
制备具有如表1所示的组成的涂料组合物，其中首先向包含钝化的速凝水泥(含铝酸盐水泥和缓凝剂)的悬浮液中加入硫酸锂，然后加入聚合物。最后，在提供的情况下，加入氢氧化钠溶液。
表1
1)水38.115％；磷酸(85％浓度)1.19％；分散剂(聚丙烯酸钠)1％；铝酸盐水泥59.38％；黄原胶0.3％；杀生物剂(异噻唑酮)0.015％(在每种情况下重量％，基于悬浮液的总重量计)
2)基于丙烯酸正丁酯、丙烯腈和甲基丙烯酸的共聚物。
使用实验室混合器将具有如上组成的涂料组合物进行混合。在每种情况下，向塑料烧杯中加入250g试验1至3的组合物，并用盖子牢固密封，使得水分不逸出，并且在短时间之后，在组合物上方建立了100％的大气湿度。因此，试验1对应于不含活化剂(b)的糊状第一组分(a)。在第二个试验中，用氢氧化钠溶液活化相同的组合物，并将其以与试验1相同的方式置于烧杯中。两个烧杯均用盖子封闭储存在室温(23℃)下。在一定的时间间隔(贮存期)下，打开烧杯并通过用刮刀搅拌来测试粘度。结果示于表2中。
表2
贮存期 试验1的组合物 试验2的组合物 试验3的组合物
15min后 未固化 韧性 未固化
30min后 未固化 韧性 未固化
60min后 未固化 塑性 未固化
1:30h后 未固化 硬化 未固化
2h后 未固化 未固化
2:30h后 未固化 未固化
3h后 未固化 未固化
3:30h后 未固化 未固化
4h后 未固化 未固化
4:30h后 未固化 未固化
5h后 未固化 未固化
7h后 未固化 未固化
24h后 未固化 硬化
试验2的活化组合物在1:30h之后硬化，而在试验1的未活化的组合物中，即使在24h后也观察不到固化。同样地，与试验2的组合物相比，试验3的活化组合物显然不含固化促进剂，其在7h后仍未硬化。
实施例2
在三个烧杯中以相同的方式制备实施例1的组合物1至3，并在5℃下储存。同样，在适当的时间间隔后，测试组合物的完全固化。
贮存期 试验1的组合物 试验2的组合物 试验3的组合物
15min后 未固化 未固化 未固化
30min后 未固化 未固化 未固化
60min后 未固化 未固化 未固化
1:30h后 未固化 韧性 未固化
2h后 未固化 韧性 未固化
2:30h后 未固化 韧性/塑性 未固化
3h后 未固化 塑性 未固化
3:30h后 未固化 塑性 未固化
4h后 未固化 硬化 未固化
4:30h后 未固化 未固化
5h后 未固化 未固化
7h后 未固化 未固化
24h后 未固化 未固化
实施例2表明，与实施例1相比，尽管活化体系在低温下确实延迟了反应，但其仍然发生了完全固化。未活化的体系(试验1的组合物)以及活化但未促进的体系(试验3的组合物)在24h内未显示出反应。
实施例3
将试验1的组合物、20％浓度的氢氧化钠溶液以及两块混凝土板一起在7℃和95％大气湿度的调节室内储存24h。此后，用试验1的组合物涂覆一块混凝土板(板1)。在这种情况下，涂覆率为1.5kg/m2。以相同的方式用活化制剂(试验1的组合物+1％氢氧化钠溶液)涂覆第二块混凝土板(板2)。在涂覆操作之后，将两块混凝土板立即再次储存在7℃和95％大气湿度的调节室内。测定所述层直至完全固化的时间(干燥时间)。为此，用手指接触涂层，并将手指以轻微的压力在表面上旋转90度。当没有明显的指纹或损坏情况时，则完全固化是充分的。在那种情况下，该层已固化至可用辊或带齿涂布机涂覆另一个第二层的程度。
在不同的大气湿度下重复试验；结果示于表3中：
表3
试验表明，经活化的新体系在80-90％的大气湿度范围内和低温下是特别有效的。
裂纹桥联和拉伸粘结强度的比较
将实施例1中试验1、4和5的组合物根据DIN EN 14891进行裂纹桥联的对比测试，并根据DIN EN 1348进行拉伸粘结强度的对比测试。结果示于表4中。
表4
表4的结果表明，与标准水泥密封浆料(试验5)相比，试验1的新活化体系表现出明显更好的裂纹桥联，并且与试验4的无水泥体系相比，表现出明显更好的拉伸粘结强度。

Claims (18)

1.一种制备用于涂覆基材的含水涂料组合物的方法，其包括以下按照指定顺序的步骤：
A)通过以下步骤提供含水糊状第一组分(a)：
(a1)混合至少一种快速固化的水硬性粘结剂，和
(a2)至少一种缓凝剂，其选自硼酸、正磷酸、偏磷酸、膦酸(亚磷酸)、有机膦酸衍生物、酒石酸和柠檬酸以及它们的混合物，
(a3)向(a1)和(a2)的混合物中添加选自硫酸锂、乙酸锂或它们的混合物的固化促进剂，
(a4)向(a1)至(a3)的混合物中添加至少一种有机聚合物粘结剂，以及
B)添加第二组分(b)，其包含至少一种活化剂。
2.根据权利要求1所述的方法，在施用涂料组合物之前立即加入活化剂(b)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，所述糊状第一组分还包含作为组分(a5)的至少一种添加剂。
4.根据前述权利要求任一项所述的方法，在每种情况下基于糊状第一组分的总重量计，所述糊状第一组分包含：
组分(a1)：5至30重量％，更特别是5至25重量％；
组分(a2)：0.1至8重量％，更特别是0.5至5重量％；
组分(a3)：0.5至5重量％，更特别是0.8至4重量％；
组分(a4)：5至60重量％，更特别是30至50重量％；
组分(a5)：0至5重量％，更特别是0.5至4重量％；
水：10至60重量％，更特别是10至45重量％，优选10-38重量％；
总量合计100重量％。
5.根据前述权利要求任一项所述的方法，组分(a4)与组分(a1)的重量比为1:1至1:0.08，优选1:0.1至1:0.4。
6.根据前述权利要求任一项所述的方法，所述糊状第一组分还包含作为组分(a6)的矿物填料。
7.根据前述权利要求任一项所述的方法，在每种情况下基于糊状第一组分的总重量计，所述糊状第一组分包含：
组分(a1)：1至28.5重量％，更特别是1.5至22.5重量％；
组分(a2)：0.02至7.6重量％，更特别是0.15至4.5重量％；
组分(a3)：0.1至4.75重量％，更特别是0.24至3.6重量％；
组分(a4)：1至57重量％，更特别是9至45重量％；
组分(a5)：0至4.75重量％，更特别是0.15至3.6重量％；
组分(a6)：5至80重量％，更特别是10至70重量％；
水：2至57重量％，更特别是3至40.5重量％，优选3至34.2重量％。
8.根据权利要求6或7所述的方法，基于涂料组合物的总重量计，糊状第一组分(a)的比例为90至98重量％，第二组分的比例为2至10重量％。
9.根据前述权利要求任一项所述的方法，快速固化的水硬性粘结剂选自铝酸钙水泥、硫铝酸钙水泥或它们的混合物。
10.根据前述权利要求任一项所述的方法，缓凝剂为磷酸或硼酸或它们的混合物。
11.根据前述权利要求任一项所述的方法，固化促进剂为硫酸锂。
12.根据前述权利要求任一项所述的方法，活化剂为碱金属氢氧化物，更特别为氢氧化钠或氢氧化钾，或它们的混合物。
13.根据前述权利要求任一项所述的方法，所述糊状第一组分通过以下步骤制备：首先向组分(a2)的水溶液中引入组分(a1)，然后向所得的混合物中相继引入组分(a3)和(a4)。
14.一种包含糊状组分的含水组合物，所述糊状组分包含：
(a1)至少一种快速固化的水硬性粘结剂，
(a2)至少一种缓凝剂，其选自硼酸、正磷酸、偏磷酸、膦酸(亚磷酸)和有机膦酸衍生物，和
(a3)至少一种固化促进剂，其选自硫酸锂、乙酸锂或它们的混合物，以及
(a4)至少一种有机聚合物粘结剂。
15.根据权利要求14所述的组合物，所述糊状第一组分可通过权利要求1至13中任一项的方法获得。
16.一种用于涂覆基材的含水涂料组合物，其以至少两部分(I)和(II)存在，部分(I)包含如权利要求14和15所定义的糊状第一组分，并且部分(II)包含含活化剂的组分(b)。
17.根据权利要求14或15所述的组合物或根据权利要求16所述的涂料组合物用于制备密封膜的用途。
18.一种制备密封膜的方法，其包括以下步骤：
a)制备根据权利要求1至13中任一项所定义的含水涂料组合物，和
b)将所述涂料组合物涂覆于基材上并使其固化。
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