DE102008032083A1

DE102008032083A1 - Additiv zur Verbesserung der Frühschlagregenfestigkeit von Beschichtungsmassen und deren Verwendung

Info

Publication number: DE102008032083A1
Application number: DE102008032083A
Authority: DE
Inventors: Christian Förg; Klaus Gebauer; Herbert Münzenberger; Sebastian Simon
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 2008-07-08
Filing date: 2008-07-08
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-07-09
Also published as: GB2461789A; GB2461789B; DE102008032083B4; US20100010132A1; RU2509095C2; GB2461789A8; CA2671372C; CA2671372A1; US7897668B2; RU2009125681A; GB0911614D0

Abstract

Beschrieben wird ein Additiv zur Verbesserung der Frühschlagregenfestigkeit von physikalisch härtenden Beschichtungsmassen auf der Grundlage von wässrigen Acrylatdispersionen, die auf einen alkalischen pH-Wert eingestellt sind, gekennzeichnet durch eine wässrige Dispersion, die eine wässrige Dispersion, enthaltend eine basisch eingestellte wässrige Bienenwachsemulsion und mindestens einen Vertreter der 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol und Ester davon, Butyldiglykolacetat und Methoxypropanol umfassenden Gruppe als Filmbildner, sowie gegebenenfalls ein Pigment und gegebenenfalls ein Ammoniumacrylat als Pigmentverteiler enthält.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Additiv zur Verbesserung der Frühschlagregenfestigkeit von physikalisch härtenden Beschichtungsmassen auf der Grundlage von wässrigen Acrylatdispersionen sowie seine Verwendung.
Physikalisch härtende Beschichtungsmassen auf der Grundlage von wässrigen Acrylatdispersionen, die als wesentliche Bestandteile einen wässrigen Acrylatlatex, anorganische Füllstoffe und übliche Hilfsstoffe, wie Entschäumer, Weichmacher, Konservierungsmittel, Streckmittel, Netzmittel, Dispergiermittel und Verdicker enthalten, werden in großem Umfang zur Beschichtung von temporär Witterungseinflüssen ausgesetzten Oberflächen verwendet. Der Nachteil solcher Systeme, insbesondere wenn sie als Brandschutzbeschichtungen eingesetzt werden, was Nassschichtdicken von 3 mm oder mehr erforderlich macht, ist die rein physikalisch ablaufende Trocknung der Beschichtungsmasse. Diese ist zum einen stark abhängig von den Umgebungsverhältnissen, insbesondere der Luftfeuchtigkeit und der Temperatur. Andererseits verlangsamt sich bei einer schnellen Hautbildung durch die entstehende Dampfsperre die weitere Trocknung des Films. Derzeit werden somit entweder lange Trocknungszeiten in Kauf genommen, oder aber auf lösungsmittelhaltige Systeme bzw. Systeme mit hohem Feststoffgehalt umgestellt, die auf deutlich teureren Rohstoffen basieren, und durch Lösemitteldämpfe eine mögliche Gefahr für Mensch und Umwelt darstellen.
Die DE 199 56 128 A1 beschreibt schnelltrocknende, wässrige Beschichtungsmittel, die ein wässriges Bindemittel und mindestens ein wasserlösliches, quaternäres Poly(allylamin) enthalten und damit eine beschleunigte Trocknung zeigen, ohne dass es beim Trocknen zu einer merklichen Verfärbung kommt.
Aus dem Europäischen Patent EP 0 804 514 B1 ist bereits eine schnellhärtende wässrige Beschichtungszusammensetzung bekannt, die insbesondere als Straßenmarkierungsfarbe eingesetzt wird und sehr bald nach dem Auftrag auf der Oberfläche eines Verkehrswegs eine harte, schmierfeste Oberfläche bildet, welche die Wiederaufnahme des normalen Verkehrs mit minimaler Unterbrechung erlaubt. Diese Beschichtungszusammensetzung umfasst 90 bis 99,6 Gew.-% einer anionisch stabilisierten wässrigen Emulsion eines Copolymeren von ethylenisch ungesättigten Monomeren, die ein Polyimin mit einem Molekulargewicht von 250 bis 20.000 und eine flüchtige Base enthält. Mit einer solchen Beschichtungszusammensetzung wird es möglich, schnelltrocknende Beschichtungen mit einer Nassfilmdicke von lediglich bis zu 0,5 mm herzustellen.
Allerdings eignen sich solche Beschichtungszusammensetzungen nicht für die Erzeugung dickerer Auftragsschichten, namentlich dann, wenn die zu behandelnden Oberflächen vertikal verlaufen, wie es bei der Brandschutzbeschichtung für die Fassadenanwendung zusätzlich zur waagerechten Anwendung üblich ist. Darüber hinaus wird die schnelle Härtung der vorbekannten Beschichtungszusammensetzung durch eine schnelle Ausbildung eines Oberflächenfilms erreicht, der bei dickeren Auftragsschichten wegen der verringerten Diffusion des Wasserdampfs durch den Oberflächenfilm zu unbefriedigend langen Aushärtzeiten führt, was insbesondere dann gravierend ist, wenn nach dem Auftrag der Beschichtungszusammensetzung ein kräftiger Regen, wie ein Schlagregen, auftritt, der ein Auswaschen und Ausbluten der Bestandteile der Beschichtungsmasse bzw. ein Abwaschen der gesamten Beschichtung verursachen kann. So kann die dünne Oberflächenschicht durch den Regeneinschlag zerstört werden und das darunterliegende unausgehärtete Material abgewaschen werden.
Ein weiterer Nachteil solcher physikalisch härtender Beschichtungsmassen auf der Grundlage von wässrigen Acrylatdispersionen ist darin zu sehen, dass sie vor der Aushärtung eine mangelnde Beständigkeit gegenüber Schlagregen besitzen. Als Schlagregen bezeichnet man einen starken Regen, dessen Tropfen in Abhängigkeit von der Tropfengröße und der Windgeschwindigkeit eine Beschädigung der noch nicht ausgehärteten Beschichtungsmasse zur Folge haben kann, indem Oberflächenbereiche, die noch nicht ausreichend ausgehärtet sind, ausgewaschen bzw. aus einer Applikationsfuge herausgeschlagen werden. Dies kann zu einem Ausbluten der in der Beschichtungsmasse enthaltenen Füllstoffe führen bzw. im Fall eines Durchschlags eine verminderte Festigkeit des letztlich ausgehärteten Beschichtungsfilms bewirken. Dies ist besonders gravierend bei bei der Beschichtung von Hochhausfassaden, wo es im Fall eines kräftigen Regens zu einem Abwaschen der noch nicht ausreichend ausgehärteten unteren Beschichtungsbereiche kommen kann. Beides führt zu einer verringerten Rauchdichtigkeit und Gasdichtigkeit bis hin zum Reißen der Beschichtung durch Bewegung der behandelten Oberfläche mit daraus resultierendem Versagen der Schutzwirkung im Brandfall.
Daher ist das Auftreten von Schlagregen bei der Konstruktion von Bauwerken zu berücksichtigen. Unter Schlagregenfestigkeit versteht man somit die Eigenschaft einer Fläche, diesem Starkregen dauerhaft standzuhalten.
Von wesentlicher Bedeutung ist aber die Erzielung einer ausreichend großen Frühschlagregenfestigkeit, d. h. der Eigenschaft, einer physikalisch härtenden Beschichtungsmasse auf der Grundlage von wässrigen Acrylatdispersionen auch kurz nach ihrem Auftrag und vor der vollständigen Aushärtung dem Einfluss eines solchen Schlagregens standzuhalten. Solche wasserbasierten Beschichtungsmassen durchlaufen nach dem Auftrag auf die zu behandelnde Oberfläche einen Zeitraum, die Aushärtungsphase, während der die Beschichtungsmasse wasserlöslich und somit nicht schlagregenfest ist. Dies ist bei den üblicherweise verwendeten wasserbasierten Systemen zwingend der Fall, da diese während der Verarbeitung wasserlöslich und leicht mit Wasser zu reinigen sein sollen. Der Zeitraum zwischen dieser systemimmanenten mangelnden Schlagregenfestigkeit vom Auftrag auf die zu behandelnde Oberfläche bis zum Erreichen der Schlagfestigkeit wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Frühschlagregenfestigkeit bezeichnet. Je kürzer die Frühschlagregenfestigkeit einer solchen wasserbasierten Beschichtungsmasse ist, umso geringer das Risiko der Beschädigung einer frisch aufgetragenen Beschichtung vor ihrer Aushärtung durch einen auftretenden Schlagregen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Additiv anzugeben, mit dem eine Verbesserung der Frühschlagregenfestigkeit von physikalisch härtenden Beschichtungsmassen auf der Grundlagen von wässrigen Acrylatdispersionen erreicht werden kann, wobei die physikalisch härtende Beschichtungsmasse schneller aushärten und damit eine frühe Schlagregenfestigkeit erreichen soll und weder eine Haut bildet, die eine weitere notwendige Trocknung verhindert, noch eine lediglich verdickte Beschichtungsmasse gebildet werden soll, welche dem Schlagregen nicht standzuhalten vermag. Dabei soll im Vergleich zu herkömmlichen Beschichtungsmassen der in Rede stehenden Art die Trocknungszeit in einem weiten Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich signifikant verkürzt werden und dies bei einer geringen Menge des Additivs.
Diese Aufgabe wird nun gelöst durch das Additiv gemäß Hauptanspruch. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen dieses Additivs sowie seine Verwendung.
Die Erfindung betrifft somit ein Additiv zur Verbesserung der Schlagregenfestigkeit von physikalisch härtenden Beschichtungsmassen auf der Grundlage von wässrigen, auf einen alkalischen pH-Wert eingestellten Acrylatdispersion, die mit einer bei Umgebungstemperatur flüchtigen organischen Base auf einen alkalischen pH-Wert eingestellt sind, welches gekennzeichnet ist durch eine wässrige Dispersion enthaltend eine basisch eingestellte wässrige Bienenwachsemulsion und mindestens einen Vertreter der 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol und Ester davon, Butyldiglykolacetat und Methoxypropanol umfassenden Gruppe als Filmbildner, sowie gegebenenfalls ein Pigment und gegebenenfalls ein Ammoniumacrylat als Pigmentverteiler.
Durch die Verwendung der notwendigen Bestandteile ermöglicht die erfindungsgemäße Beschichtungsmasse eine beschleunigte Trocknung dadurch, dass das in der Beschichtungsmasse enthaltene Wasser azeotrop verdunsten kann, die Mindestfilmbildungstemperatur verringert wird, und nach der ersten Filmbildung eine hydrophobe Oberfläche erzeugt wird, die das Eindringen von Wasser, beispielsweise Regenwasser, in die Beschichtung verringert, jedoch die Diffusion des Wasserdampfs in die Atmosphäre nicht vermindert.
Wenn man das erfindungsgemäße Additiv in einer Menge von 5 bis 35 Gew.-%, bevorzugter 8 bis 15 Gew.-%, beispielsweise 10 Gew.-% aufweist, bezogen auf das Gewicht der Beschichtungsmasse, in diese einarbeitet, lässt sich eine Verkürzung der Aushärtezeit von 24 Stunden auf 10 Stunden bei 23°C und einer relativen Feuchtigkeit von 50% erzielen, wobei sich eine entsprechend beschleunigte Filmbildung auch bei anderen Temperaturen, wie 5°C oder 40°C, und anderen Luftfeuchtigkeiten im Bereich von 0% und 90% relative Feuchtigkeit erreichen lässt.
Das erfindungsgemäße Additiv enthält als basisch eingestellte wässrige Bienenwachsemulsion vorzugsweise eine emulgatorfreie Bienenwachsdispersion oder eine in anderer Weise eingestellte stabilisierte Bienenwachsdispersion mit Hydrophobierungseffekt mit einem Gehalt an Bienenwachs im Bereich von 5 bis 35 Gew.-%, vorzugsweise von 8 bis 15 Gew.-%, und besitzt einen pH-Wert von 9 bis 13, vorzugsweise 10 bis 12, insbesondere 11. Eine besonders bevorzugte Bienenwachsdispersion ist von der Firma Byk Cera unter der Bezeichnung Aquacer 560 im Handel erhältlich.
Die erfindungsgemäße Beschichtungsmasse enthält als Filmbildner vorzugsweise 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol, 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-monopropionat, 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-dipropionat, 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-monoisopropionat, 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-diisopropionat, 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-monobutyrat, 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-dibutyrat, 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-monoisobutyrat und 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-diisobutyrat oder aber auch Mischungen aus einer oder mehreren dieser Verbindungen.
Die erfindungsgemäße Beschichtungsmasse kann gegebenenfalls ein organisches und/oder anorganisches Pigment, vorzugsweise Fe₃O₄ oder Zinkborat, sowie einen Pigmentverteiler, wie ein Polymer auf Basis Ammoniumacrylat mit einem Feststoffgehalt von 35% und einem pH-Wert zwischen 7,5 und 9,5 enthalten.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Additivs liegt vor in Form einer wässrigen Dispersion, die 41,0 bis 51,0 Gew.-% der wässrigen Bienenwachsemulsion mit einem Wachsanteil von 15,0 Gew.-%, 40,0 bis 52,0 Gew.-% Filmbildner, 5,0 bis 10,0 Gew.-% Pigment und 0,5 bis 2,0 Gew.-% Pigmentverteiler enthält.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des oben beschriebenen Additivs zur Verbesserung der Frühschlagregenfestigkeit von physikalisch härtenden Beschichtungsmassen auf der Grundlage von wässrigen Acrylatdispersionen, die auf einen alkalischen pH-Wert eingestellt sind, die darin besteht, dass man 5 bis 35 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 20 Gew.-% und noch bevorzugter 10 Gew.-% des oben definierten Additivs vor der bestimmungsgemäßen Anwendung in die Beschichtungsmasse einarbeitet und damit gleichmäßig vermischt, was durch den Anwender bei der Verwendung eines Pigments in dem Additiv ohne weiteres optisch überprüft werden kann.
Das erfindungsgemäße Additiv wird mit besonderem Vorteil in handelsübliche Brandschutzbeschichtungsmassen eingearbeitet, die einen wässrigen Acrylatlatex sowie Entschäumer, Weichmacher, Konservierungsmittel, Füllstoffe, Streckmittel, Netzmittel, Dispergiermittel und Verdicker als übliche Hilfsstoffe enthält und auf einen pH-Wert im Bereich von 8,0 bis 9,0, vorzugsweise 8,5, eingestellt ist.
Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Additivs gelingt es auch bei niedrigen Temperaturen und hohen Luftfeuchtigkeiten eine rasche Trocknung des mit der erfindungsgemäßen Beschichtungsmasse erzielten Films, der eine Dicke von mehreren mm aufweisen kann, zu erzielen. Durch die optionale Zugabe des Additivs zu üblichen Beschichtungsmassen, namentlich Brandschutzbeschichtungsmassen, ist der Anwender flexibel und kann das erfindungsgemäße Additiv bei Bedarf, namentlich bei einem drohenden Regenguss, anwenden. Durch die erfindungsgemäß erreichte schnellere Trocknung ist eine frühere Regenfestigkeit erreichbar und damit ein intakter Film gewährleistet, der eine ausreichende Durchlässigkeit für Wasserdampf besitzt und damit die not wendige Trocknung ermöglicht und dabei ausgehärtete trockene Beschichtung ergibt, die den angestrebten Brandschutz sowie Rauch- und Gasdichtigkeit gewährleistet und damit die Hauptanforderungen der Brandschutzeigenschaften der Beschichtungsmasse sicherstellt.
Die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.
Beispiel 1
Man bereitet das erfindungsgemäßes Additiv durch Vermischen der folgenden Bestandteile:
46 Gew.-% Bienenwachsemulsion mit einem Bienenwachsanteil von 15 Gew.-% und einem pH-Wert von 11,0 (Byk Aquacer 560)
46 Gew.-% 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiolisobutyrat (Texanol)
7 Gew.-% schwarzes Eisenoxidpigment (Fe₃O₄ 1309-38-2)
1 Gew.-% wässrige Lösung eines Ammoniumacrylatpolymers (Pigmentverteiler A, BASF)
Man erhält eine flüssige Additivmischung, die sich ohne weiteres in wasserbasierte, physikalisch härtende Beschichtungsmassen auf der Grundlage von wässrigen Acrylatdispersionen einarbeiten lässt.
Beispiel 2
Anwendungsbeispiel
Man verwendet eine übliche Brandschutzbeschichtungsmasse mit der folgenden Zusammensetzung:
55 Gew.-% einer wässrigen Acrylatdispersion
10 Gew.-% Wasser
28 Gew.-% Kreide und/oder Aluminiumhydroxid als Mischfüllstoff
1 Gew.-% Ammoniak
6 Gew.-% übliche Hilfsstoffe
Bei der wässrigen Acrylatdispersion handelt es sich um die wässrige Dispersion eines Ethylacrylat/2-Ethylhexylacrylat/Acrylnitril/Acrylsäure/N-Methylolacrylamid-Copolymers mit einem Feststoffgehalt von 58 Gew.-% und einer Teilchengrößenverteilung des Copolymeren im Bereich von 0,2 bis 0,4 μm.
Als übliche Hilfsstoffe sind Entschäumer, Weichmacher, Konservierungsmittel, Netzmittel, Fungizide, Pigmente und Verdicker enthalten.
Die Brandschutzbeschichtungsmasse ist auf einen pH-Wert von 8,5 eingestellt.
In diese Brandschutzbeschichtungsmasse arbeitet man 10 Gew.-.% der Additivmischung gemäß Beispiel 1 unter Verwendung einer Bohrmaschine mit Mörtelrühreraufsatz oder einem anderen geeigneten Rührwerkzeug bis zur Erzielung einer homogenen Farbe ein.
Die in dieser Weise erhaltene Mischung ist über einen Verarbeitungszeitraum von mindestens 3 Stunden zu verarbeiten. Die Trocknungszeit bis zum Erreichen einer Schlagregenfestigkeit bei 23°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50% verringert sich gegenüber der Brandschutzbeschichtungsmasse ohne das Additiv von etwa 24 Stunden auf 10 Stunden.
Die Frühschlagregenfestigkeit wird dabei als die früheste Zeit verstanden, bei der eine Beschichtungsprobe den Schlagregenfestigkeitstest ohne Beschädigung übersteht, der darin besteht, bei Raumtemperatur gleichmäßig Wassertropfen aus einer Höhe von 4 m auf die unter 45° Neigung angeordnete Beschichtungsprobe auftropfen zu lassen. Die Durchflussmenge dabei beträgt etwa 250 ml/15 Min. Im Mittel fallen dabei 4 Tropfen pro Sekunde auf die Probe. Der Test gilt als bestanden, wenn die Probe den Versuch ohne Beschädigung übersteht. Ermittelt wird die früheste Trocknungszeit, bei der der Test bestanden wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19956128 A1 [0003]
- EP 0804514 B1 [0004]

Claims

Additiv zur Verbesserung der Frühschlagregenfestigkeit von physikalisch härtenden Beschichtungsmassen auf der Grundlage von wässrigen Acrylatdispersionen, die auf einen alkalischen pH-Wert eingestellt sind, gekennzeichnet durch eine wässrige Dispersion enthaltend eine basisch eingestellte wässrige Bienenwachsemulsion und mindestens einen Vertreter der 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol und Ester davon, Butyldiglykolacetat und Methoxypropanol umfassenden Gruppe als Filmbildner, sowie gegebenenfalls ein Pigment und gegebenenfalls ein Ammoniumacrylat als Pigmentverteiler.
Additiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine wässrige Bienenwachsemulsion mit einem Bienenwachsanteil von 5 bis 35 Gew.-%, vorzugsweise von 8 bis 15 Gew.-% und einem pH-Wert von 9 bis 13, vorzugsweise 10 bis 12 enthält.
Additiv nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wachsanteil der wässrigen Bienenwachsemulsion einen Schmelzpunkt im Bereich von 50 bis 90°C, vorzugsweise von 60 bis 80°C aufweist.
Additiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es als Filmbildner mindestens einen Vertreter der 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol, 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-monopropionat, 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-dipropionat, 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-monoisopropionat, 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-diisopropionat, 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-monobutyrat, 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-dibutyrat, 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-monoisobutyrat und 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-diisobutyrat umfassenden Gruppe enthält.
Additiv nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es ein organisches und/oder ein anorganisches Pigment, vorzugsweise Fe₃O₄ enthält.
Additiv nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es als Pigmentverteiler ein Ammoniumacrylat mit einem Feststoffgehalt von 35% und einem pH-Wert zwischen 7,5 und 9,5 enthält.
Additiv nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine wässrige Dispersion enthaltend 41,0 bis 51,0 Gew.-% der wässrigen Bienenwachsemulsion mit einem Wachsanteil von 15,0 Gew.-%, 40,0 bis 52,0 Gew.-% Filmbildner, 5,0 bis 10,0 Gew.-% Pigment und 0,5 bis 2,0 Gew.-% Pigmentverteiler.
Verwendung des Additivs nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Verbesserung der Frühschlagregenfestigkeit von physikalisch härtenden Beschichtungsmassen auf der Grundlage von wässrigen Acrylatdispersionen, die auf einen alkalischen pH-Wert eingestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass man vor der bestimmungsgemäßen Anwendung 5 bis 20, vorzugsweise 8 bis 15 Gew.-% des Additivs in die Beschichtungsmasse einarbeitet.
Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man das Additiv in eine handelsübliche Brandschutzbeschichtungsmasse einarbeitet, die einen wässrigen Acrylatlatex sowie Entschäumer, Weichmacher, Konservierungsmittel, Füllstoffe, Streckmittel, Netzmittel, Dispergiermittel und Verdicker als übliche Hilfsstoffe enthält und auf einen pH-Wert im Bereich von 8,0 bis 9,0, vorzugsweise 8,5 eingestellt ist.