DE102016009858A1

DE102016009858A1 - Montanwachshaltige Dispersion und Verwendung der Selben als Additiv bei der Herstellung von mineralischen Baustoffen sowie lignocellulosischen Materialien

Info

Publication number: DE102016009858A1
Application number: DE102016009858.9A
Authority: DE
Inventors: Jörg Abraham; Andreas Mieth; Carola Tretner
Original assignee: Romonta Bergwerks Holding AG
Current assignee: Romonta Holding De GmbH
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2018-02-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine montanwachshaltige Dispersion, die insbesondere als Additiv mit hydrophobierenden Eigenschaften bei der Herstellung von mineralischen Baustoffen sowie lignocellulosischen Materialien verwendbar ist. Die erfindungsgemäße Dispersion ist durch ein enthaltenes Compound bestehend aus 5 bis 40 Masse-% Montanwachs und paraffinischen Kohlenwasserstoffen mit einem Erstarrungspunkt zwischen 40°C und 80°C als innere Ausgangsphase für die Herstellung einer wässrigen Dispersion bei Abwesenheit von Tensiden bzw. Emulgatoren gekennzeichnet, wobei die paraffinischen Kohlenwasserstoffe zunächst bei 80°C bis 120°C aufgeschmolzen worden sind und das Montanwachs der Schmelze unter ständigem Rühren hinzugefügt und optional anschließend eine Anverseifung durchgeführt wurde.

Description

Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft eine montanwachshaltige Dispersion, die insbesondere als Additiv mit hydrophobierenden Eigenschaften bei der Herstellung von mineralischen Baustoffen sowie lignocellulosischen Materialien geeignet ist.
Stand der Technik
Für Systeme mit hydrophobierender Wirkung bei der Herstellung von mineralischen Baustoffen wird nach dem Stand der Technik, wie zum Beispiel in der DD 160 516 beschrieben, Montanwachs mit festen Kohlenwasserstoffen in fester, fein verteilter Form eingesetzt. Weiterhin finden dafür gemäß DD 205 882 Compounds aus Montanwachs und festen Kohlenwasserstoffen in fester, fein verteilter Form oder als Emulsion bzw. Dispersion Verwendung. In der DD 221 994 ist die Behandlung von zu hydrophobierenden Produkten mit einer Emulsion aus Montanwachs, Emulgator, bestehend aus Ethylenoxidadukten auf der Basis von Alkylphenolen und längerkettigen Fettalkoholen, und Wasser beschrieben. Weiterhin ist in der DD 284 126 die Hydrophobierung mit Montanwachs und Paraffin erwähnt. In der EP 0 669 377 wird die Verwendung einer wässrigen Emulsion, bestehend aus paraffinischen Kohlenwasserstoffen, Montanwachs und Polyvinylalkohol unter Einsatz von üblichen Emulgatoren, nämlich nichtionischen Tensiden wie Alkylphenoxypoly(ethylenoxy)ethanolen, Sorbitanfettsäureestern und Polyoxyethylensorbitanfettsäureestern wie auch anionischen Tensiden, beispielsweise verseiften Fettsäuren, und bekannten Stabilisatoren, vorteilhaft Alkalimetall- oder Ammoniumhydroxiden, vorgeschlagen. In der WO 99/35103 ist eine Montanwachsemulsion mit sulfatischen anionischen Tensiden, zum Beispiel Sulfat oder Sulfonat, sulfonierte Naphthalen-Formaldehyd- Kondensate, als Polymer vorzugsweise Aryl- Sulfonat, Naphthalen-Sulfonat, vorteilhafterweise als Na-Salz, und nichtionogenen Tensiden, zum Beispiel höherer Alkohol, Alkenol, Alkan- oder Alkensäure oder Aryl- Alkohol oder Carbonsäureethoxylate mit mindestens zwei Äquivalenten von Ethylenoxid, ethoxylierte Alkyl-, Alkenyl-, Alkanoyl-, Alkenoyl-Komponenten, alternativ auch polyglycosinierte Alkyl-, Alkenyl-, Alkanoyl-, Alkenoyl- und Aryl- Komponenten, unter Verwendung von Montanwachs und Erdöl-Kohlenwasserstoffen, nämlich Paraffin, dargestellt. Im US- Patent 4,748,196 ist eine wässrige Emulsion aus einer Wachskomponente, Paraffin, Montanwachs oder Polyolefinwachs, mit Olefin-Maleinsäureanhydrid-Derivaten, Alkalihydroxiden und/oder nichtionogenen Emulgatoren sowie den gängigen Stabilisierungsmitteln Polyvinylalkohol, Polyacrylamid, Methylcellulose, Carboxymethylcellulose oder Hydroxypropylcellulose beschrieben. In der WO 02/098816 ist eine wässrige Emulsion mit Kohlenwasserstoffwachsen, nämlich Paraffin- Wachs, Carnauba- Wachs, Polyethylenwachs, synthetische Wachsester, Säurewachs, maleinsäuremodifizierte Kohlenwasserstoffe und Kombinationen daraus, unter Verwendung von polyolefinischen maleinsäureanhydrid- gepfropften Polymeren und Polyvinylalkohol als Emulgatoren bzw. Stabilisatoren erwähnt. Schließlich ist in der EP 1 661 951 ein Verfahren zur Herstellung eines Montanwachsmodifikats sowie die Verwendung dieses Montanwachsmodifikats für die Herstellung eines wässrigen Montanwachscompounds angegeben bei dem die montanwachshaltige Dispersion aus dem besagten Montanwachsmodifikat, paraffinischen Kohlenwasserstoffen und bekannten Emulgatoren sowie Stabilisatoren zusammengesetzt ist.
Für Systeme mit hydrophobierender Wirkung bei der Herstellung von lignocellulosischen Materialien ist im Stand der Technik, beispielsweise in der DE 2149788 , beschrieben, dass Wachse (u. a. Montanwachs) mit einer homogenisierten Emulgatorkombination aus anionischen, kationischen oder nichtionischen grenzflächenaktiven Verbindungen in eine wässrige, fein verteilte Form von Wachsen und Wachsgemischen überführt werden können, die u. a. für Beschichtungen bei der Holz-, Papier- und Textilverarbeitung Verwendung finden. Der Einsatz von Paraffinen und Wachsen in Form einer wässrigen, tensidhaltigen Dispersion für die Erzielung einer hydrophobierenden Wirkung, beispielsweise bei Holzwerkstoffen, verbunden mit einer Reduzierung der Quellneigung, ist seit langem bekannt. Hier sei die DD 221 619 beispielhaft für die Hydrophobierung mit Rohmontanwachs allein oder im Gemisch mit Paraffinen in Form einer wässrigen Dispersion für Span- und Faserplatten im Patent angeführt. Diese Dispersion wird mit Hilfe eines Emulgators auf Basis von Alkylsulfonaten erzeugt. In der DE 10 2007 024 261 wird der Einsatz eines Hydrophobierungsmittels für Lignocellulose auf Basis von aliphatischen Kohlenwasserstoffen und aliphatischen polyzyklischen Estern u. a. in Form einer wässrigen Dispersion vorgeschlagen, wobei diese Dispersion mit Hilfe von unterschiedlichsten Emulgatoren (beispielsweise Alkoholpolyethylenglykolether, Fettsäureesterpolyethylenglykolether) erhalten und stabilisiert wird. In der WO 2007/115534 sind eine nano-partikuläre Wachsdispersion in Verbindung mit Verfahrensangaben zu deren Herstellung und darüber hinaus ein Verfahren zur Hydrophobierung von Werkstoffen beschrieben. Zur Erzeugung der Dispersion werden hierbei Emulgatoren in einer Konzentration von 0,5 bis 10 Masse-% eingesetzt. Zur Erzielung einer homogenen Verteilung sowie eines komfortablen Handlings bei der Dosierung der Wirksubstanzen in den mineralischen Baustoffen sowie in den lignocellulosischen Materialien wird somit der Träger der hydrophobierenden Wirkung nach dem Stand der Technik mit Hilfe von zusätzlichen Tensiden bzw. Emulgatoren unterschiedlichster chemischer Zusammensetzung in eine ausreichend stabile Dispersion überführt. Der disperse Verteilungszustand führt zu einem Aufwand-Wirkungs-Verhältnis mit einer hohen Performance.
Allerdings wird der gewollte hydrophobierende Effekt bei allen bekannten Lösungen des Standes der Technik durch den stabilitätsbedingten Zusatz von tensidtypischen polaren Gruppierungen reduziert. Somit besteht die erfinderische Zielstellung im Wesentlichen darin, die dispersen Formulierungen ohne Zusatz von Tensiden bzw. Emulgatoren unter Beibehaltung der notwendigen Stabilität zu erzeugen.
Aufgabenstellung
Die erfinderische Aufgabenstellung ist in der Entwicklung eines wässrigen Montanwachscompounds in Form einer Dispersion zu sehen, wobei die Dispersion eine gegenüber dem Stand der Technik verstärkt hydrophobierende Wirksamkeit bei mindestens gleichwertiger Stabilität im Vergleich zu montanwachshaltigen Dispersionen, die zusätzlich Tenside bzw. Emulgatoren enthalten, aufweist. Die zu entwickelnde montanwachshaltige Dispersion soll überwiegend mittels bekannten Verfahren und apparativen Mitteln herstellbar sein. Darüber hinaus sind Verwendungsmöglichkeiten vorzuschlagen.
Lösung der Aufgabenstellung
Die Lösung der Aufgabenstellung ist im unabhängigen Patentanspruch 1 angegeben. Die jeweils untergeordneten Ansprüche enthalten zweckmäßige Ausgestaltungen. Verwendungen sind im Patentanspruch 9 genannt.
Basierend auf der Tatsache, dass Montanwachs unter bestimmten Bedingungen in der Lage ist, sich selbst sowie vorhandene paraffinische Komponenten durch intermolekulare Wechselwirkungen in der wässrigen Dispersion zu stabilisieren, wird erfindungsgemäß Folgendes vorgeschlagen:
Die innere Ausgangsphase für die Herstellung einer wässrigen Dispersion bildet ein Compound aus Montanwachs und paraffinischen Kohlenwasserstoffen, Letztere mit einem Erstarrungspunkt zwischen 40°C und 80°C, vorzugsweise zwischen 50°C und 65°C.
Die paraffinischen Kohlenwasserstoffe werden zunächst bei 80°C bis 120°C, vorzugsweise bei 85°C und 95°C, aufgeschmolzen. Der Schmelze werden unter ständigem Rühren 5 bis 40 Masse-%, vorzugsweise 10 bis 25 Masse-% Montanwachs hinzugefügt. Montanwachs selbst beinhaltet als fossiles Pflanzenwachs als Hauptkomponenten Wachssäuren und Wachsalkohole, die meist als Ester vorliegen. Deshalb wird Montanwachs im chemischen Sinne auch als Esterwachs bezeichnet.
Zur Erhöhung der Dispergierwilligkeit kann sich eine Anverseifung mit 1 bis 10 Masse-%, vorzugsweise mit 2 bis 5 Masse-% Alkalihydroxiden, bezogen auf die Montanwachsfraktion, unter Rühren bei 100°C bis 130°C, vorzugsweise bei 115°C, anschließen. Auch dieses anverseifte Compound dient erfindungsgemäß als innere Phase bei der nachfolgenden Herstellung einer wässrigen Dispersion. Das, wie beschrieben, als Ausgangsphase in vorgelagerten Verfahrensschritten erzeugte Montanwachscompound wird ohne Zusatz von Tensiden bzw. Emulgatoren, als innere Phase für die Herstellung der wässrigen Dispersion verwendet. Durch die völlige Abwesenheit von Tensiden bzw. Emulgatoren, ist ausgeschlossen, dass diese durch ihre chemische Struktur tensidtypische polare Gruppierungen in die Formulierung eintragen und somit die gewollten hydrophobierenden Effekte verringern.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass Montanwachs in der oben beschriebenen Ausführung auch ohne den Zusatz von Tensiden bzw. Emulgatoren durch die Ausbildung von intermolekularen Wechselwirkungen über eine ausreichende Stabilisierungswirkung verfügt und somit stabile wässrige Dispersionen garantiert, die im Vergleich zu tensidhaltigen Systemen eine höhere Performance bei der Hydrophobierung aufweisen. Somit sind wässrige Dispersionen mit einer erfindungsgemäß zusammengesetzten inneren Ausgangsphase insbesondere für die Hydrophobierung von mineralischen Baustoffen und lignocellulosischen Materialien verwendbar.
Unter mineralischen Baustoffen im Sinne der Erfindung werden beispielsweise gipsbasierte Systeme (Gipskartonplatten, Gipswandbauplatten und dgl.) sowie Baustoffe aus Beton und zementäre Produkte, wie zementgebundene Platten, verstanden. Bei den lignocellulosischen Materialien handelt es sich beispielsweise um Massivholz und Holzwerkstoffe, wie mitteldichte sowie hochdichte Faserplatten, Spanplatten, Oriented Strand Boards (OSB), Papier, Kartonagen, Dämmplatten aus lignocellulosebasierten Stoffen und Sperrholz.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel nachfolgend näher erläutert.
Im gewählten Beispiel enthält die wässrige Dispersion lediglich ein Montanwachs/Paraffin-Compound als innere Ausgangsphase in der Zusammensetzung 10 bis 25 Masse-% Montanwachs und 75 bis 90 Masse-% paraffinische Kohlenwasserstoffe. Das Montanwachs/Paraffin-Compound ist in der wässrigen Dispersion mit einem Anteil von 20 bis 70 Masse-%, vorzugsweise 60 Masse-%, vertreten. Dem Rest bilden 0,1 bis 2,0 Masse-%, Alkalihydroxide und salzfreies Wasser. Beispielhaft wird folgende Rezeptur angegeben:

Montanwachs/Paraffin-Compound 60,0 Masse-%,

Kalilauge (45%-ig) 0,5 Masse-%,

Destilliertes Wasser 39,5 Masse-%.

Zur Herstellung der beschriebenen erfindungsgemäßen Dispersionen werden bekannte praxisbewährte Verfahrenstechniken vorgeschlagen. Nach der Erzeugung einer Vordispersion wird das heiße System zur Bildung kleinerer Teilchengrößen einer Nachdispergierung unter Verwendung von Rotor-Stator-Systemen oder einer Hochdruckhomogenisierung zugeführt. Die resultierende feinteilige Dispersion wird abgekühlt und kann als Ausgangsprodukt für die Hydrophobierung von mineralischen Baustoffen sowie lignocellulosischen Materialien verwendet werden. Zur Dispersionsherstellung eignen sich auch andere Verfahrensweisen und entsprechende apparative Mittel.

In der folgenden Tabelle sind Versuchsergebnisse in Bezug auf die Verwendung von montanwachshaltigen Dispersionen nach Maßgabe der Erfindung dokumentiert. Erkennbar ist insbesondere die überraschenderweise auftretende Erhöhung der hydrophobierenden Wirkung im Vergleich zu einer praxisüblichen montanwachshaltigen Dispersion, die unter Zusatz von Tensiden bzw. Emulgatoren hergestellt wurde. Es zeigt sich eine deutliche Abnahme der Wasseraufnahme von mineralischen Baustoffen, hier stellvertretend bei Gipskörpern, nach zweistündiger Wasserlagerung.

Konzentration im Gips [Masse-%] (bezogen auf Feststoff der Dispersion)	Wasseraufnahme unter Einsatz einer tensidhaltigen Montanwachs/Paraffin-Dispersion [Masse-%]	Wasseraufnahme unter Einsatz einer tensidfrei Montanwachs/Paraffin-Dispersion [Masse-%]
0,6	26,3	4,9
0,8	18,7	2,4
1,0	5,9	1,1

Weiterhin zeigt sich eine signifikante Verbesserung der hydrophobierenden Wirkung auf lignocellulosische Materialien bei der Verwendung der erfindungsgemäßen montanwachshaltigen Dispersion im Vergleich zu herkömmlichen montanwachshaltigen Dispersionen mit Tensiden bzw. Emulgatoren. Die Wirkungsunterschiede sind in der nachstehenden Tabelle am Beispiel von Cellulosefasern aufgeführt. Für die Bewertung der Wirksamkeit bei lignocellulosischen Materialien (Holzwerkstoffen) wurde ein Verfahren verwendet, welches durch die Beurteilung der Hydrophobierung von Cellulosefasern durch wässrige Dispersionen auf die Wirksamkeit der jeweiligen Dispersion schließen lässt. So wurden definiert beschichtete Cellulosefasern hergestellt, getrocknet und der Einfluss auf die Wasseraufnahme durch Messung der durch Kapillarwirkung zurückgelegten Wegstrecke des aufsteigenden Wassers in einer festgelegten Zeit bestimmt. Die Konzentrationseinstellung erfolgte in 0,2 Masse-%-Schritten von 0,2 Masse-% bis 1,0 Masse-% (Feststoff der Dispersion bezogen auf Trockenmasse des Cellulosefaserkörpes).

Bei dieser Methode besteht eine Korrelation mit den Quellwerten bei Holzfaserplatten, welche durch den Vergleich der Wirkung mit unterschiedlichsten montanwachshaltigen Dispersionen belegt werden konnte.

Konzentration [Masse-%] (Feststoff Dispersion bezogen auf Trockenmasse Cellulosefaserkörper)	Wegstrecke Wasser nach 5 min [mm] mit tensidhaltiger Montanwachs-Paraffin-Dispersion	Wegstrecke Wasser nach 5 min [mm] mit tensidfreier Montanwachs-Paraffin-Dispersion
1,0	6	0
0,8	14	0
0,6	23	0
0,4	41	0
0,2	52	26

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DD 160516 [0002]
DD 205882 [0002]
DD 221994 [0002]
DD 284126 [0002]
EP 0669377 [0002]
WO 99/35103 [0002]
US 4748196 [0002]
WO 02/098816 [0002]
EP 1661951 [0002]
DE 2149788 [0003]
DD 221619 [0003]
DE 102007024261 [0003]
WO 2007/115534 [0003]

Claims

Montanwachshaltige Dispersion, gekennzeichnet durch ein enthaltenes Compound bestehend aus 5 bis 40 Masse-% Montanwachs und paraffinischen Kohlenwasserstoffen mit einem Erstarrungspunkt zwischen 40°C und 80°C als innere Ausgangsphase für die Herstellung einer wässrigen Dispersion bei Abwesenheit von Tensiden bzw. Emulgatoren, wobei die paraffinischen Kohlenwasserstoffe zunächst bei 80°C bis 120°C aufgeschmolzen worden sind und das Montanwachs der Schmelze unter ständigem Rühren hinzugefügt und optional anschließend eine Anverseifung durchgeführt wurde.
Montanwachshaltige Dispersion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Montanwachs/Paraffin-Compound 10 bis 25 Masse-% Montanwachs enthält.
Montanwachshaltige Dispersion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erstarrungspunkt der paraffinischen Kohlenwasserstoffe zwischen 50°C und 65°C liegt.
Montanwachshaltige Dispersion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen der der paraffinischen Kohlenwasserstoffe bei 85°C bis 95°C durchgeführt worden ist.
Montanwachshaltige Dispersion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optionale Anverseifung des Montanwachs/Paraffin-Compounds mit 1 bis 10 Masse-% Alkalihydroxiden, bezogen auf die Montanwachsfraktion, unter Rühren bei 100°C bis 130°C realisierbar ist.
Montanwachshaltige Dispersion nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optionale Anverseifung des Montanwachs/Paraffin-Compounds mit 2 bis 5 Masse-% Alkalihydroxiden, bezogen auf die Montanwachsfraktion, unter Rühren bei 115°C vorgenommen wurde.
Montanwachshaltige Dispersion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Montanwachs/Paraffin-Compound in der wässrigen Dispersion mit einem Anteil von 20 bis 70 Masse-% neben 0,1 bis 2,0 Masse-% Alkalihydroxiden und salzfreiem Wasser enthalten ist.
Montanwachshaltige Dispersion nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Montanwachs/Paraffin-Compound in der Dispersion 60 Masse-% beträgt.
Montanwachshaltige Dispersion nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Rezeptur: Montanwachs/Paraffin-Compound 60,0 Masse-%, Kalilauge (45%-ig) 0,5 Masse-%, Destilliertes Wasser 39,5 Masse-%.
Verwendung von montanwachshaltiger Dispersion, die ein Compound bestehend aus 5 bis 40 Masse-% Montanwachs und paraffinischen Kohlenwasserstoffen mit einem Erstarrungspunkt zwischen 40°C und 80°C als innere Ausgangsphase für die Herstellung einer wässrigen Dispersion bei Abwesenheit von Tensiden bzw. Emulgatoren enthält, wobei die paraffinischen Kohlenwasserstoffe zunächst bei 80°C bis 120°C aufgeschmolzen worden sind und das Montanwachs der Schmelze unter ständigem Rühren hinzugefügt und optional anschließend eine Anverseifung durchgeführt wurde, zur Hydrophobierung von mineralischen Baustoffen, nämlich gipsbasierten Systemen, Baustoffen aus Beton, zementären Produkten und dgl., und von lignocellulosischen Materialien, nämlich Massivholz und Holzwerkstoffen, mitteldichten sowie hochdichten Faserplatten, Spanplatten, Oriented Strand Boards, Papier, Kartonagen, Dämmplatten aus lignocellulosebasierten Stoffen, Sperrholz und dgl..