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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine wässrige Dispersion von organischem
Pigment, die sich zur Färbung
von Baustoffen wie Beton, Asphalt, Putz, Mörtel und Zementmörtel eignet.
Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung wässrige Dispersionen,
die Siliciumdioxid als Bindemittel, ein organisches Pigment und Dispergiermittel
enthalten.
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Es
ist aus ästhetischen
und funktionellen Gründen
wünschenswert,
sichtbare Betonoberflächen
zu färben.
Farbige Betonbauten stellen keine so sterile und kalte Umwelt dar
wie weißer
Beton. Außerdem
können helle
Farben in Gebieten mit sonnigem Klima dazu beitragen, Reflektionen
zu verringern, während
dunklere Farben dazu benutzt werden können, die Wärmekapazität von Gebäuden in Gebieten mit kühlerem Klima
zu erhöhen.
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Das
Färben
von freiliegenden Oberflächen
durch Anstreichen oder Beschichten der Oberfläche mit einer anderen dekorativen
Schicht ist bereits bekannt. In US-Patenten Nr. 2,549,516, 3,929,692
und 4,134,956 werden Zusammensetzungen zur Beschichtung von sichtbaren
Betonoberflächen
offengelegt. Allerdings stellt das Anstreichen bzw. die Auftragung
einer Beschichtung einen zusätzlichen
Schritt bei der Errichtung von Gebäuden dar, der Bauprojekte mit
zusätzlichen
Kosten und Komplexität
belastet. Darüber
hinaus kann eine gestrichene Außenfläche schon
in kurzer Zeit einen erneuten Anstrich erfordern.
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Ein
anderer Ansatz besteht im Hinzufügen
eines Farbhilfsmittels zum Baustoff; hierdurch wird der mit dem
Anstreichen der Gebäudeoberfläche verbundene
zusätzliche
Schritt eliminiert. Allerdings müssen
alle Farbhilfsmittel gleichmäßig im Baustoff
dispergiert werden. Dies kann schwierig sein, wenn man die in der
Baustoffbranche üblichen
wenig intensiven Mischvorgänge
und kurzen Mischzeiten berücksichtigt.
Darüber
hinaus darf das Hilfsmittel die wünschenswerten Eigenschaften
des Baustoffs wie z. B. die Festigkeit und Abbindeeigenschaften
von Beton bzw. die Druck- und Abriebfestigkeit von Asphalt nicht
beeinträchtigen.
Bezüglich
der für
die Färbung
von Beton geltenden Branchenstandards sei auf ASTM Standard-Spezifikation
C 979-82, "Pigments
for Integrally Colored Concrete (Pigmente für integral gefärbten Beton)", hingewiesen.
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Als
Farbhilfsmittel für
Baustoffe werden in der Regel anorganische Pigmente wie z. B. Eisenoxide
(natürliche
und synthetische), Chromoxid, Kobaltblau, Titandioxid und Ruß verwendet.
Allerdings bieten diese anorganischen Pigmente nur eine begrenzte
Auswahl an Farben und Farbhelligkeiten.
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Organische
Pigmente sind bisher noch nicht zur Färbung von Baustoffen eingesetzt
worden, da generell die Auffassung besteht, dass organische Pigmente
nicht ausreichend alkalibeständig
und lichtecht sind. 1981 wurden von der American Society for Testing
and Materials (ASTM) in einem Bericht mit dem Titel "Pigments for Integrally
Colored Concrete" die
Testergebnisse für
verschiedene anorganische und organische Pigmente bezüglich Lichtechtheit,
Alkalibeständigkeit,
Benetzbarkeit durch Wasser und Abbinde-stabilität diskutiert. Sämtliche
getesteten organischen Pigmente, einschließlich Phthalocyaningrün, konnten
die Lichtechtheitsprüfnormen
nicht erfüllen.
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Zur
Färbung
von Betonzusammensetzungen wurden trockene Pigmentpulver verwendet,
weil sie gut dispergierbar sind. Allerdings lassen sich diese Pulver
schlecht verarbeiten und backen in der Regel beim Lagern zusammen
und bilden Klumpen. Außerdem
neigen die Pulver zum Stauben.
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Es
ist vorgeschlagen worden, die mit trockenen Pigmentpulvern verbundenen
Verarbeitungs- und Staubprobleme
durch Verwendung von freifließendem
Granulat bzw. Perlen zu überwinden.
Solche Granulate können,
wie in US-Patenten 4,946,505, 5,484,481, 5,853,476 und 5,882,395
vorgeschlagen, durch Sprühtrocknung
von wässrigen
Dispersionen hergestellt werden. Allerdings erfordert die Verdampfung
wässriger
Dispersionen teure Geräte
und signifikante Energieaufwendungen, wodurch die Verwendung solcher Granulate
wirtschaftlich unattraktiv werden kann.
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Ein
anderer Ansatz ist die Modifizierung der Teilchenoberfläche, um
die Dispergierbarkeit der Partikel in wässriger Lösung zu verbessern. In US-Patent
Nr. 5,401,313 werden Pigmentteilchen offengelegt, deren Oberfläche mit
einem die elektrische Ladung modifizierenden Mittel und einem die
Dispersion fördernden
Mittel beschichtet ist. Das die Dispersion fördernde Mittel ist ausgewählt aus
Stearaten, Acetaten, Alkylphenolen, Cellulosederivaten, Wachsen,
Ligninen, Acrylharzen, Epoxyharzen, Urethanen, Ethylenen, Styrolen,
Propylenen oder Polymeren mit Alkohol-, Glykol-, Aldehyd-, Amid-
und Carbonsäurenfunktionen,
wobei für
Zementanwendungssysteme Natriumlignosulfonat bevorzugt wird. Das
oberflächenmodifizierte
Teilchen kann in Pulver-, dispergierter oder Granulatform hergestellt
werden. Bevorzugt werden Perlen mit einer Partikelgröße von 25 bis
250 Mikrometer.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von wässrigen
Dispersionen organischer Pigmente für die Färbung von Beton mit einer akzeptablen
Alkalibeständigkeit
und Lichtechtheit.
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Die
erfindungsgemäße Dispersion
ist eine Kombination von organischem Pigment, Siliciumdioxid und Wasser.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit, Baustoffe wie Beton
mit leuchtenden organischen Pigmenten zu färben, die nicht unter geringer
Alkalibeständigkeit
und/oder geringer Lichtechtheit leiden.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sie
die leichte Entfernung von Graffiti oder anderen Oberflächenentstellungen
von einer Betonoberfläche
gestattet, ohne dass das Aussehen der Oberfläche leidet.
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Ein
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft eine wässrige Dispersion
eines organischen Pigments, im Wesentlichen bestehend aus:
- (i) Siliciumdioxid-Bindemittel
- (ii) organischem Pigment
- (iii) Dispergiermittel und
- (iv) Wasser
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Ein
weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft eine Dispersion eines
organischen Pigments, im Wesentlichen bestehend aus (i) Siliciumdioxid-Bindemittel,
(ii) organischem Pigment, (iii) Dispergiermittel, (iv) Wasser und
(v) Hydroxyalkylcellulose.
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Ein
weiterer Gesichtpunkt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung organischer Pigmentdispersionen, umfassend die folgenden
Schritte:
- (i) Mischen von Siliciumdioxid-Bindemittel,
organischem Pigment und Dispergiermittel bei 3.000 bis 10.000 UpM
zu einer Dispersionsvorstufe,
- (ii) Mahlen der Dispersionsvorstufe in einem mit Glasperlen
gefüllten
Mahlwerk für
eine ausreichend lange Zeitdauer, um die Teilchengröße des organischen
Pigments auf ungefähr
100 bis 300 nm zu reduzieren und so eine nicht-standardisierte Dispersion
zu erhalten.
- (iii) Zusatz von Wasser zur nicht-standardisierten Dispersion,
bis diese einem Farbstandard entspricht und eine organische Dispersion
bildet.
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Für die organische
Dispersion der vorliegenden Erfindung kann jedes beliebige Siliciumdioxid
verwendet werden, solange es das Pigment wirksam am Baustoff haften
lässt.
Geeignete Siliciumdioxidformen sind u. a. Silikat, Metasilikat-Pentahydrat,
Sesquisilikat und Orthosilikat. Alkalimetallsilikate werden bevorzugt,
wobei Natrium- und Kaliumsilikate besonders bevorzugt werden. Solche
Silikate sind kommerziell als wässrige Dispersionen
erhältlich.
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Für die organische
Dispersion der vorliegenden Erfindung kann jedes beliebige organische
Pigment verwendet werden, solange es gute Alkalibeständigkeit
und Lichtechtheit aufweist, wie sie gemäß ASTM C 979-82, hier per Bezugnahme
in seiner Gesamtheit aufgenommen, bestimmt werden. Organische Pigmente, die
bei einem pH-Wert von 10 oder höher
nicht beständig
sind, kommen also für
die wässrige
Pigmentdispersion der vorliegenden Erfindung nicht in Frage. Geeignete
organische Pigmente sind Azopigmente wie Azolacke, Azochelate und
kondensierte Azopigmente sowie polycyclische Pigmente wie Phthalocyaninpigmente, Perylenpigmente,
Perinonpigmente, Anthrachinonpigmente, Chinacridonpigmente, Dioxazinpigmente,
Thioindigopigmente, Isoindolinonpigmente und Chinophthalonpigmente.
Bevorzugt werden organische Pigmente aus der Gruppe Phthalocyaningrün, Phthalocyaninblau,
Carbazolviolett, Toluidinrot, Perylenrot, Chinacridonrot, Chinacridongelb,
Dalamar-Gelb und Watchung-Rot.
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Für die organische
Dispersion der vorliegenden Erfindung kann jedes beliebige Dispergiermittel
verwendet werden, solange es das Bindemittel und das organische
Pigment wirksam in Wasser dispergiert. Die Wirksamkeit eines gegebenen
Dispergiermittels kann durch Variieren der Menge an vorhandenem
gelöstem Siliciumdioxid
und durch Einstellen des pH-Werts der Dispersion auf zwischen 10
und 14, vorzugsweise zwischen 11 und 12, optimiert werden. Geeignete
Dispergiermittel schließen
ein: Alkylbenzolsulfonsäuresalze,
Alkylnaphthalinsulfonsäuresalze,
Naphthalinsulfonsäuresalze,
Melamin-Formaldehyd-Kondensate, Polysaccharidharze, styrenisierte
Acrylsäureharze,
Octylphenol-polyethoxylierte Tenside, nicht-ionische acetylenische
Diol-Tenside, ethoxylierte Oleylalkohol-Tenside und Phosphatester-Tenside.
Bevorzugt wird ein kommerziell von Rohm & Haas unter der Marke TAMOL SN erhältliches
Natriumsalz der Naphthalinsulfonsäure, zusammen mit Diethylenglykol-monomethyletheracetat.
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Die
organischen Pigmentdispersionen der vorliegenden Erfindung enthalten
in der Regel wenigstens 10 Gew.-% Siliciumdioxid, wenigstens 30
Gew.-% organisches Pigment und wenigstens 1 Gew.-% Dispergiermittel,
der Rest ist Wasser. Das Dispergiermittel ist in der Regel in einer
Menge von 1–10,
vorzugsweise von 1–5
Gew.-% vorhanden. Siliciumdioxid liegt vorzugsweise in einer Menge
von wenigstens 30 Gew.-% vor.
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Andere
Verbindungen können
in jeder beliebigen Menge zugegeben werden, solange sie nicht die Wirksamkeit
der organischen Dispersion beeinträchtigen, als integraler Bestandteil
Baustoffe wie Beton anzufärben.
Der wässrigen
Dispersion werden vorzugsweise Hydroxyalkylcellulosen wie Hydroxyethylcellulose
zugesetzt, um deren Viskosität
bei 25 °C
in den Bereich von 800 bis 10.000 cPs, vorzugsweise 1000 bis 2000 cPs
zu erhöhen.
Die Menge an Viskositätshilfsmittel
hängt von
den die Dispersion ergebenden relativen Mengen an Dispergiermittel,
Bindemittel, organischem Pigment und Wasser ab und kann 0,1 bis
2,0 Gew.-% der Dispersion ausmachen.
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Die
organischen Pigmentdispersionen der vorliegenden Erfindung können in
einem dreistufigen Verfahren hergestellt werden. Im ersten Schritt
werden Siliciumdioxid-Bindemittel, organisches Pigment und Dispergiermittel
in den gewünschten
Mengen zu einer Dispersionsvorstufe zusammengemischt, in der Dispergiermittel
und organisches Pigment gleichmäßig im Siliciumdioxid-Bindemittel
verteilt sind. Konventionelle hochtourige Mischapparate, die unter
der Marke Dispersmat erhältlich
sind, können
ohne Modifikation verwendet werden. In Abhängigkeit von der Größe des Batches
kann eine Mischgeschwindigkeit von 3.000 bis 10.000 UpM für eine Zeitdauer
von 1 Minute bis 2 Stunden, vorzugsweise von 10 bis 25 Minuten,
verwendet werden.
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Im
zweiten Schritt wird die Dispersionsvorstufe mit Hilfe von Mahlkörpern, in
der Regel Glasmahlperlen, gemahlen, um die Teilchengröße der organischen
Pigmentpartikel auf eine durchschnittliche Partikelgröße im Bereich
von ungefähr
100 bis 300 nm zu reduzieren und so eine nicht-standardisierte Dispersion
herzustellen. Das Mahlen mit Mahlkörpern kann in konventionellen
Mahlwerken ohne Modifikationen durchgeführt werden.
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Im
dritten und letzten Schritt wird zur nicht-standardisierten Dispersion
solange Wasser gegeben, bis die Farbe der Dispersion einem Farbstandard
entspricht. In der Regel werden 5 bis 10 Gew.-% Wasser benötigt, um
die Dispersion zu standardisieren.
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Wenngleich
dieses Patent nicht durch irgendwelche Theorien eingeschränkt werden
soll, so gehen die Erfinder nichtsdestoweniger gegenwärtig davon
aus, dass die Alkalimetallsiliciumdioxidteilchen chemisch mit dem
Baustoff reagieren, das Pigment auf diese Weise im Baustoff verankern
und ein Auswaschen der Farbe verhindern, ohne dadurch die Festigkeit
des Baustoffs zu verringern. Diese chemische Reaktion verhindert, dass
sich im integral eingefärbten
Beton im Laufe der Zeit Streifen und Flecken bilden, und macht einen
Deckfilm überflüssig.
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Die
organische Dispersion der vorliegenden Erfindung kann zur integralen
Färbung
von Baustoffen wie Zement, Asphalt, Putz, Mörtel und Zementmörtel auf
der Baustelle verwendet werden. Genauer gesagt kann die organische
Dispersion dem Baustoff bei dessen Formulierung zugefügt werden.
So können
z. B. 0,5 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 2 bis 3 Gew.-% der organischen
Dispersion einem Betonmischer zugesetzt werden, der schon Portland-Zement,
Sand/Kiesaggregate und Wasser enthält; das Ganze wird dann ungefähr 15 bis
30 Minuten lang homogenisiert. Das so erhaltene Gemisch kann in
eine vorbereite Form gegossen werden, in der man es zum integral
gefärbten
Beton durchhärten
lässt.
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Mit
den folgenden Beispielen sollen die bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht werden. Es ist nicht
beabsichtigt, hierdurch den Anwendungsbereich dieser Erfindung in
irgendeiner Weise einzuschränken.
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Beispiel 1
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Formulierung
einer organischen Dispersion
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Kaliumsilikat,
Hydroxyethylcellulose, Phthalocyaningrün (C.I.-Pigment Grün 7), das
Natriumsalz der Naphthalinsulfonsäure (TAMOL SN, kommerziell
erhältlich
von Rohm & Haas
Co.) und Wasser wurden in einem hochtourigen Mischgerät zu einer
Dispersionsvorstufe zusammengemischt, die dann mit Mahlkörpern (Eiger-Mühle) gemahlen
wurde, um das Pigment zu dispergieren und in das Bindemittelsystem
zu inkorporieren. Die so erhaltene organische Dispersion hatte einen
Harz-Feststoffgehalt (Kaliumsilikat-Bindemittel) von 13,60 % und
einen Gesamtfeststoffgehalt von 56,60 %. Die Zusammensetzung der
organischen Dispersion (in Gew.-%) ist aus der folgenden Tabelle
1 ersichtlich:
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Beispiel 2
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Formulierung einer organischen
Dispersion
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Es
wurden mehrere andere organische Dispersionen entsprechend dem allgemeinen
Verfahren von Beispiel 1 formuliert. Die Zusammensetzungen dieser
organischen Dispersionen (in Gew.-%) sind aus der folgenden Tabelle 2
ersichtlich:
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Beispiel 3
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Integralfärbung von
Beton
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Die
organischen Dispersionen von Beispiel 1 und 2 wurden jeweils einzeln
dazu verwendet, Beton integral anzufärben, indem in einem Labormischgerät eine angemessene
Menge (1%) der Dispersion 15 Minuten lang mit Beton gemischt wurde.
Alle organischen Dispersionen wurden leicht in die Betonmatrix integriert.
