DE102005031458A1 - Beschichtungsmittel auf Basis flexibler Wassergläser - Google Patents

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Martin Dr. Schichtel
Jörg JODLAUK
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L83/00Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen or carbon only; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L83/02Polysilicates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D1/00Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, based on inorganic substances
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Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft Beschichtungsmittel, deren Bindemittel modifizierte Wassergläser sind. Modifiziert bedeutet, dass die anorganischen Wassergläser durch chemische Kopplung mit Silanen, Siloxanen, Carbonsäuren und/oder anderen chemischen reaktiven Stoffen eine Art anorganisches Copolymer ergeben, welches sich insbesondere durch seine Elastizität aber auch durch weitere über das Copolymer frei wählbare Eigenschaften auszeichnet. Die Wassergläser umfassen sowohl Alkali- als auch Erdalkaliwassergläser und sind Komponente A des Copolymerisats. Die Modifikatoren und Kopplungsstoffe sind demnach Komponenten B. Führt man die Trocknung dieser Beschichtungsmittel bei Raumtemperatur durch, so erhält man semi- bis vollelastische Filme, deren Flexibilität sich sowohl auf mikroskopischer Ebene (unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Substrat und Film) als auch auf makroskopischer Ebene (Beschichtung kann um einen Biegedorn von 1 cm Durchmesser gebogen werden, ohne dass der Film reißt) zeigt.

Description

  • Aufgabe der Erfindung
  • Aufgabe des erfindungsgemäßen Beschichtungsmittels ist es diese Nachteile zu beseitigen und ein neues Beschichtungsmittel als Basis für vielfältige Anwendungen herzustellen. Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich insbesondere kurzkettige Wassergläser mit Silanen oder kurzkettigen reaktiven organischen Substanzen wie Bicarbonsäuren zu einem anorganischen Copolymer verbinden lassen. Es handelt sich hierbei um eine chemische und somit dauerhafte Kopplung der Modifikatoren im Sinne von Flexibilisatoren und Funktionsstoffe an die Wasserglasketten.
  • Die Anwendung von Wassergläsern in der Technik ist schon lange Stand der Technik. Bereits in der schweizer Patentschrift 472 488 vom 15. Mai 1969 werden Wasserglassysteme als technisch relevante selbsthärtende anorganische Überzugsmittel beschrieben. Als Basis dient Lithiumsilikat, welches sich durch seine hohe Witterungsbeständigkeit zur Herstellung von Silikatfarben oder Dispersionsfarben hervorragend eignet. In CH 637 989 A5 wird die oben vorgestellte Basis von 1969 dahingehend erweitert, dass weitere Wassergläser in Form eines Hydrogelsols eingesetzt werden, was die Bandbreite der Rohstoffe deutlich erweitert. In DE 24 50 286 vom 23.10.1974 beschreibt der Anmelder wässrige Beschichtungsmittel bestehend aus einer wässrigen Alkalisilikatlösung und einem wässrigen Latex mit dem Ziel die Witterungsstabilität und die Flexibilität zu erhöhen, s.d. das System als Flammschutz für flexible Untergründe wie Textilien geeignet ist. Eine ähnliche Verfahrensweise wird in DE 32 17 260 A1 gewählt um wasserbeständige wärmeisolierende Silikatmaterialien, hauptsächlich als Festkörper, hrezustellen. Auch EP 0 256 290 A2 beschäftigt sich mit der Herstellung flexibler Beschichtungsmittel auf Basis von Alkaliwassergläsern, mit dem Ziel die Biegefestigkeit und Flammfestigkeit von Papier zu verbessern, ähnlich dem Verfahren wie auch DE 196 18 681 A1 beschreibt. In US 6,656,425 B1 werden durch die Erfinder andere Wege beschritten. Durch die Polykondenstation von Silanen wird ein Beschichtungsmittel geschaffen, welches nach thermischen Aushärten in der Lage ist den controlled release von Duftstoffen zu bewirken. Diese Beschichtungsklasse zeichnet sich durch geringe Schichtstärken und gute Performance aus, bindet aber auch den Nachteil Lösemittelhaltig zu sein, was den Produktionsprozeß für Massenwaren deutlich erschwert. Reine Silikatsysteme und Dispersionen, wie oben beschrieben bergen neben geringer Witterungsstabilität zwei weitere Nachteile: einen hohen pH-Wert, der durch Einhaltung definierter Arbeitsschutzmaßnahmen die Anwendung erschwert und geringe Flexibilität. Diese Flexibilität lässt sich nur erhöhen, in dem organische Materialien, wie Latex-Emulsionen, untergemischt werden (Beibehalt guter mechanischer Eigenschaften) oder durch extremes Verdünnen, wobei der Charakter des Beschichtungsmittels im Sinne von funktionellem Dekor verloren geht.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Beschichtungsmittel ist ein anorganisches Analogon zu organischen Copolymeren und kann über radikalische Polymerisation, hauptsächlich aber über Kondensation dargestellt werden. Die Kondensation der Modifikatoren mit dem Wasserglas kann radikalisch, bevorzugt aber Säure- oder Laugenkatalysiert erfolgen. Durch Variation der stöchiometrischen Zusammensetzung der Ausgangslösung können statistische Copolymere (z.B. -ABBABABBA-), alternierende Copolymere (z.B. (ABABAB)-), Blockcopolymere (z.B.-(AA-BBBBBB)-) oder Pfropfcopolymere erhalten werden, wobei A das Wasserglas symbolisiert und B den Modifikator. Die unterschiedlichen Copolymere bringen daher auch unterschiedliche Eigenschaften mit, die durch die Funktionalitäten XY des Silanes noch erweitert werden, z.B. Easy-To-Clean, hydrophob, oloeophob,. Die Copolymerisation erfolgt nach Mischen der Wasserglaslösung mit dem Modifikator nahezu automatisch, insbesondere, wenn die Wasserglaslösung mit NH3 stabilisiert wurde. Eine Aktivierung kann je nach Alkalität des Wasserglases auch durch Säuren, die dem Modifikator beigemischt wurden, erfolgen. Vorzugsweise werden verdünnte Mineralsäuren verwendet.
  • Je nach gewähltem Modifikator kann die Flexibilität eingestellt werden. Je kurzkettiger das Mittel ist, desto starrer wird das Wasserglassystem. Je langkettiger der Flexibilisator ist, desto flexibler wird das System. Durch Kopplung eines langkettigen bifunktionellen Silanes mit Lithiumwasserglas lässt sich beispielsweise eine flexible witterungsbeständige Brandschutzbeschichtung herstellen. Durch Kopplung Wasserglas mit mittel- bis kurzkettigen Flexibilisatoren können Beschichtungsmittel hoher Abriebbeständigkeit und Witterungsbeständigkeit hergestellt werden, die hervorragende Haftung auf mineralischen Untergründen und auch Beton zeigen. Diese Flexibilisierung und/oder Funktionalisierung wird durch eine Polykondensation erreicht, vorzugsweise durch Nutzung von Silanen als Reaktionspartner. Diese Kopplungsagenzien haben eine allgemeine Zusammensetzung gemäß R1-SiXY-R2, wobei XY funktionelle Gruppen sind, R1=R2 oder R1<>R2 sein kann mit der Prämisse, dass sowohl R1 als auch R2 mindestens aber R1 oder R2 eine Kondensationsfähige Gruppe, wie Carboxyl-Hydroxyl-Gruppe besitzen müssen, sofern mittel- bis langkettige Modifikatoren gefordert sind. Bei kurzkettigen Modifikatoren zur Herstellung semi-felxibler Beschichtungssysteme müssen R1 und R2 als gute Abgangsgruppen (z.B. Cl, Methyl, Ethyl oder Propyl) fungieren, da die Kopplung einzelner Wasserglasmoleküle direkt für die Si-Funktionalität erfolgt. Generell beinhalten diese hydrolysierbaren Silane reaktive Gruppen wie Halogene (F, Cl, Br, I), Alkoxygruppen (bevorzugt C1-C6 Ketten wie Methoxy, Ethoxy, Propoxy,), Aryloxy-Funktionen wie Phenoxy, Acyloxy (bevorzugt C1-C6 wie z.B. acetoxy) Alkylcarbonyl (wie z.B. Acetyl) aber auch Aminofunktionalitäten der Kettenlänge 1-12.
  • Beispiel 1: semi-flexibles, schwarzes Beschichtungsmittel für Dachsteine:
  • 15,1g Methyltriethoxysilan werden in 100g Wasser vorgelegt und mit 1,38g konzentriertem Ammoniak eingestellt. Diese Lösung wird zu 900g einer wässrigen Lithiumwasserglaslösung gegeben und 90 Minuten gerührt. Danach werden, bezogen auf den Feststoffgehalt der hergesestellten Lösung 15Gew% FKR 110 (schwarzer Farbkörper), 10Gew% Kieselsol Levasil 300, 8 Gew% Bentonit und 5Gew% sub-μ Siliciumcarbid unter stetiger Zugabe von 9,3Gew% Byk 346 als Dispergierhilfsmittel zudispergiert. Nach 30 Minuten im Behandlung in der Kugelmühle kann das fertige Beschichtungsmittel appliziert werden.
  • Beispiel 2: flexibles, schwarzes Beschichtungsmittel für Brandschutzschichten:
  • 9,8g 1,3-Bis(chloromethylsilylpropyl)-Benzen wird in 90g einer 1:10 Mischung als Wasser und Ethanol vorgelegt. Durch Zugabe von 1,5g einer 0,1n HCl wird im Laufe einer Stunde die Borhydrolyse durchgeführt. Diese Lösung wird nun zu 900g einer 30%igen Lithiumwasserglaslösung gegeben und unter Erwärmung auf 50°C eine Stunde gerührt. Im Anschluß werden 250g eines mit 15g BYK 191 und 7g BYK 192 stabilisierten Blähgraphites unter langsamen Rühren portionsweise hinzugefügt. Es entsteht ein flexibles Brandschutzbeschichtungsmittel, welches durch Zugabe von 10% eines Reinacrylats in der Kratzfestigkeit und Witterungsbeständigkeit verstärkt werden kann.

Claims (13)

  1. Wässriges Beschichtungssystem dadurch gekennzeichnet, dass eine wässrige Wasserglaslösung mit reaktiven Modifikatoren zu einem anorganischen Copolymer kondensiert, welches als Basis dieses Beschichtungssystems flexibel ist.
  2. Beschichtungsmittel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Copolymerisation durch säure- oder basenkatalysierte Kondensation von Wasserglas und reaktivem Modifikator durchgeführt wird.
  3. Beschichtungsmittel gemäß Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass Wasserglas aus der Gruppe der Alkali- und Erdalkaliwassergläsern kommt.
  4. Beschichtungsmittel gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Lithiumwassergläser eingesetzt werden.
  5. Beschichtungsmittel gemäß Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der reaktive Modifikator aus der Gruppe der Silane oder der bifunktionellen Organik stammt.
  6. Beschichtungsmittel gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Silan der Struktur R1-SiXY-R2 als Kondensationspartner steht, wobei XY funktionelle Reste darstellen und R1/R2 reaktive Reste im Sinne mittel- bis langkettiger Modifikatoren sind oder gute Abgangsgruppen im Sinne kurzkettiger Modifikatoren.
  7. Beschichtungsmittel gemäß Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet. Dadurch gekennzeichnet, dass über mittel- (C3C6) bis langkettige (C6C10) Modifikatoren eine hohe Flexibilität und durch kurzkettige Modifikatoren (C1C3) semiflexibles Verhalten eingestellt wird.
  8. Beschichtungsmittel gemäß Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Silan Funktionalitäten wie Easy-To-Clean durch Flourokomponenten, hydrophob durch Alkylkomponenten (wie Methyl, Ethyl, Propyl,) oder Reaktiv-Komponenten wie Hydroxyl-, Amino, Amido, Carboxyl, Anhydride, usw, zur Kopplung mit Füllstoffen oder Nanopartikeln als Gruppe X und/oder Y beinhaltet.
  9. Beschichtungsmittel gemäß Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass optimale Haftung auf mineralischen und Beton- bzw. betonartigen Untergründen durch Reaktion der funktionellen Komponente des Silans erzielt wird.
  10. Beschichtungsmittel gemäß Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass gute Haftung durch die funktionelle Komponente auf Kunststoffen erzeugt wird.
  11. Beschichtungsmittel gemäß Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass hochwitterungsbeständige und thermoschockbeständige Beschichtungen auf Ziegeln, Dachsteinen und Fassaden hergestellt werden können.
  12. Beschichtungsmittel gemäß Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass durch Einarbeiten weiterer Füllstoffe, wie z.B. Aluminiumhydroxids, Vermicullit, Tone, o.ä. witterungsbeständige und flexible Brandschutzbeschichtungen erzeugt werden können.
  13. Beschichtungsmittel gemäß Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass Verfestigungslösungen für Naturstein, insbesondere Sandstein erzeugt werden.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105907294A (zh) * 2016-04-14 2016-08-31 顺德职业技术学院 水性无机涂料的制备方法及用水性无机涂料制备无机涂层的方法
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