EP1838646A1 - Coating system - Google Patents

Coating system

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Publication number
EP1838646A1
EP1838646A1 EP06706158A EP06706158A EP1838646A1 EP 1838646 A1 EP1838646 A1 EP 1838646A1 EP 06706158 A EP06706158 A EP 06706158A EP 06706158 A EP06706158 A EP 06706158A EP 1838646 A1 EP1838646 A1 EP 1838646A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coating system
nanoscale particles
fillers
binder
phosphate
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06706158A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Martin Schichtel
Jörg JODLAUK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Viking Advanced Materials GmbH
Original Assignee
Viking Advanced Materials GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/50Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
    • C04B41/5076Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials with masses bonded by inorganic cements
    • C04B41/5092Phosphate cements
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    • C08K3/22Oxides; Hydroxides of metals
    • C08K2003/2244Oxides; Hydroxides of metals of zirconium

Definitions

  • the invention relates to a coating system, in particular for coating vo ⁇ n bricks and facades, which comprises a binder system based on an inorganic phosphatic binder and fillers.
  • WO 01/87798 A2 describes a wear-resistant composite protective layer which is produced via chemical bonding using monoaluminum phosphate (Al (HsPO 4) 3). This process involves the preparation of a hydroxide ceramic which is cured or sintered after phosphating by heat treatment at between 200 and 1200 ° C.
  • WO 85/05352 describes an example of a joining layer between ceramic and metallic materials which is reinforced by a monoaluminum phosphate generator. Curing takes place in the course of the sintering process between 1000 and 1250 0 C.
  • DE 600 02 364 T2 describes an aluminum-wettable protective layer for carbon components, which is intended to protect a substrate against corrosive attack.
  • the layer contains particles of metal oxides or partially oxidized metals in a dried colloidal carrier, which may contain, inter alia, monoaluminum phosphate. By contact with molten aluminum is a curing of the ceramic layer.
  • US Pat. No. 3,775,318 describes mixtures of alkaline earth fluorides which are bound to form a protective layer by means of an aluminum phosphate binder present in an inorganic solvent. After the appropriate protective layer has been applied, curing takes place in the temperature range above 100 ° C. for several hours under ambient atmosphere.
  • the inorganic phosphates used as binder phase in the described prior art are crosslinked via thermally activated reactions. This requires a temperature treatment, which often takes several hours to harden the protective layer dimensionally stable.
  • the object of the invention is to provide a Be layering system based on an inorganic phosphatic binder as a binder phase, which can be cured dimensionally stable at lower temperatures and / or in less time.
  • Another object of the invention is to provide a coating system based on an inorganic phosphatic binder as a binder phase, which is the production of protective layers with improved properties compared to the prior art, for. B. improved adhesion, increased corrosion resistance "or improved weather resistance to specify.
  • This object is achieved by a coating system having the features of patent claim 1. Preferred embodiments and further developments of the invention are specified in the subclaims.
  • the invention provides a coating system with a binder at least partially composed of a phosphatic binder and fillers.
  • a binder in the context of the present invention is the non-volatile portion of a coating material without pigment and filler, but including any existing plasticizer, driers and other nonvolatile Hilf substances.
  • the binder combines fillers or pigment particles with each other and with the substrate (substrate).
  • the term "coating system” is intended to encompass both the starting material for the production of a coating (formulation for application) and the hardened layer
  • the coating system of the present invention comprises an aqueous or powdery material which is suitable for producing the corresponding Layer is suitable, and the relevant layer after the application and curing of the material.
  • a filler in the context of the present invention is a (usually powdery) in the application medium practically insoluble substance that. z. B. to increase the volume (cheapening), to achieve or improve technical effects and properties of the protective layer and / or influencing the Processing properties can be used.
  • the fillers consist of nanoscale particles with an average particle diameter d50 of less than or equal to 300 nm.
  • the inventors of the present invention have found that the addition of nano-scale particles can significantly accelerate the cure of phosphatic binder phases. In this way, coating systems can be provided which can be cured even at room temperature.
  • the mean particle diameter d50 of the nanoscale particles is preferably 250 nm or less. Particular preference is given to nanoparticles in the size range of a d50 value below 200 nm. Particularly favorable results can be achieved with nanoparticles in the size range of a d50 value below 100 nm. Very good results can be achieved when using nanoparticles in the size range of a d50 value below 60 nm, and the results are optimal when using nanoparticles in the size range below 20 nm.
  • the d50 characteristic value commonly used for characterizing the grain size in the relevant technology is defined by the probability theory and states that 50% of the measured particles are smaller than the corresponding measured value. It is based on a standard statistical description of the size distribution of the particles in a disperse system of different particle sizes, cf. "Practice Guide Particle Size Characterization", A. Jillavenkatesa, SJ Dapkunas, Lin-Sein H. Lum, National Institue of Standards and Technolgy, Special Publication 960-1, January 2001, pp. 129-133.
  • the d50 value can be determined by various methods, i.a. a. Laser diffraction based on ISO 13320-1, 1999-11 edition; Particle size analysis by photon correlation spectroscopy DIN ISO 13321, Edition 2004-10; Particle size analysis by dispersion methods for powders in liquids according to ISO 14887, Edition 2000-09; or measured by particle size analysis dispersion methods for powders in liquids in accordance with BS ISO 14887, Edition 2001-03-15. Due to the standardization of the corresponding procedures, it is ensured that the same measured value is achieved with the different methods.
  • selected binder systems of the invention based on a phosphate binder phase can be converted into the dust-dry state in drying times of 30 seconds to about 60 minutes, and curing can be achieved at drying times of up to 8 hours at room temperature.
  • the addition of the nanoparticles makes thermal activation of the condensation processes unnecessary in many cases. Without reliable knowledge, it is assumed that the high specific surface of the nanoparticles favors the condensation reaction of the phosphates, possibly even "catalyzed".
  • the inventors have found that the minimum content of nanoparticles is not a critical factor of the compositions represents and even in compositions with low levels of 0.2 to 0.5 wt .-% of nanoparticles, based on the solid phase, the effect according to the invention can be achieved.
  • compositions according to the invention which are adapted to the particular application, have additional advantages in terms of freeze-thaw cycling, chemical resistance, adhesive strength and weathering stability in general.
  • the coating system according to the invention also makes it possible to produce protective layers which, as a diffusion barrier for, for example, moisture or aggressive compounds (corrosion protection), provide significantly improved results compared to conventional compositions. Because of this, it can be concluded that not only the reaction kinetics of the curing mechanism but also those with microstructure of the resulting layer based on phosphate binder phases can be substantially improved by the addition of nanoparticles according to the invention.
  • the coating system of the invention in terms of concrete or mineral substrate due to significantly favored adhesion. Depending on the application, this can be attributed to an interaction of the nanoparticles with the phosphatic binder in combination with substrate components such as, for example, CSH (calcium silicate hydrate). This results in protective layers with significantly improved adhesion and compared to the known systems significantly increased weather resistance.
  • CSH calcium silicate hydrate
  • the coating system according to the invention for the coating of any substrates is suitable, but especially concrete, concrete-like, mineral and ceramic substrates. In practice, it is therefore predestined especially for roof tiles and facades.
  • the phosphatic binder consists of at least one phosphate selected from the group of alkali polyphosphates, polymer alkyiphosphates, silicophosphates, monoaluminium phosphate, boron phosphate, magnesium sodium phosphate, alkali silicophosphate, phosphate glass, zinc phosphates, magnesium phosphates, calcium phosphates, titanium phosphates, chromium phosphates, iron phosphates and manganese phosphates.
  • phosphate selected from the group of alkali polyphosphates, polymer alkyiphosphates, silicophosphates, monoaluminium phosphate, boron phosphate, magnesium sodium phosphate, alkali silicophosphate, phosphate glass, zinc phosphates, magnesium phosphates, calcium phosphates, titanium phosphates, chromium phosphates, iron phosphates and manganese phosphates.
  • monoaluminum phosphate is used, with a content of 90%, based on the binder, gives particularly good results. It is advantageous to use the monoaluminum phosphate (MAP) as a 50- to 60% aqueous solution.
  • MAP monoaluminum phosphate
  • the nanoscale particles used are preferably compounds of an oxide and / or hydroxide from the group consisting of aluminum, titanium, zinc, tin, zirconium, silicon, cerium and magnesium and mixtures of these compounds.
  • the nanoscale particles may also comprise one or more compounds from the group silicon carbide, titanium and tungsten carbide and / or the corresponding nitrides.
  • this may be present as an aqueous solution into which additionally at least one sol has been introduced from the group of acid-stabilized silica sols, aluminum sols, zirconols, titanium dioxide sols, bismuth sols and tin oxide sols.
  • nanoparticles used is not limited to these compounds and it may other familiar to those skilled in nanoparticles, which are available via the usual procedure, such. As sol-gel routes, etc., were used.
  • the composition of the other fillers used depends primarily on the desired application and is adjusted accordingly.
  • the fillers in addition to the nanoparticles for example, one or more oxides from the group quartz, cristobalite, alumina, zirconia and titanium dioxide include. Good results can be achieved if the d50 value of these compounds is in the range of 500 nm to 500 ⁇ m, preferably in the range of 500 nm to 10 ⁇ m.
  • the coating system according to the invention can be functionalized within wide limits.
  • suitable fillers such as dyes, pigments, dusting phases, etc.
  • the coating system according to the invention can be functionalized within wide limits.
  • functional fillers effect substances
  • Fillers are used which are photocatalytically active, have a hydrophobic and / or oleophobic effect and / or stop bacterial contamination of the surface by radiation. In addition, they may have a heat-insulating and / or sound-insulating effect.
  • non-oxidic compounds can also be used as fillers.
  • silicon carbide, aluminum nitride, boron carbide, boron nitride, titanium nitride, titanium carbide, tungsten carbide or mixed carbides can be mentioned here.
  • Preferred d50 values of the non-oxidic compounds are in the range between 700 nm and 60 ⁇ m. Good results can be achieved in particular when using a d50 value of the non-nonoxide fillers in the range of 1 .mu.m to 12 .mu.m.
  • silicatic raw materials for example from the group of clay, kaolins and clays, preferably having a d 50 value ⁇ 70 ⁇ m, can be used as fillers in addition to the nanoparticles. Improved results are obtained when using a d50 value of the siliceous raw materials in the range between 4 ⁇ m and 45 ⁇ m.
  • Other glasses or vitreous materials and / or metals may be used.
  • the nanoscale particles can be distributed homogeneously in the binder matrix.
  • the nanoscale particles can bind to the surface of the other fillers by chemical and / or physical coupling.
  • a chemical coupling between the nanoparticles and the surfaces of the fillers can be achieved by means of lactic acid.
  • Coating system in the range between 15 and 35% by weight. Too high a water content can shift the reaction equilibrium unfavorably, so that there is no reaction. If the water content is too low, the reaction may start too early, which reduces the potlife accordingly.
  • FIG. 1 shows the dependence of the solidification on the particle size used for a composition of exemplary embodiment 1.
  • the coating system was applied to concrete.
  • the application was preferably carried out by spraying (0.8 mm nozzle, 1.8 bar pressure.)
  • the set dry film thickness was in the range between 40 ⁇ m and 60 ⁇ m, but can also be varied within wide limits Application methods such as brushing, rolling, spin-coating, flooding, dipping or bells can be carried out analogously.
  • nanoparticles a mixture of silica sol having a d 50 value of 8-10 nm and alumina having a d 50 value of 15 nm was used here.
  • This acid composition enables excellent pot life (> 6 months) in conjunction with very good industrial performance.
  • the time to dust drying after application is 10 to 60 seconds.
  • FIG. 1 shows the solidification in percent, with a solidification of 100% indicates the complete transition of a coated paint from the liquid to the solid state, see. Lackformultechniken and paint formulation, B. Müller, U. Poth, Vincentz Verlag, 2003, p. 23.
  • the graph shows that at grain sizes of the nanoparticles in the range of a d50 value greater than 350 to 1000 nm, the solidification achieved with maximum values of 20% is very low.
  • the degree of solidification increases sharply with decreasing grain size. It already reaches a value of 50% at a particle size of 300 nm and increases by a further 25% at 200 nm to 75%. The values of 80%, 85% and 90% are achieved at 160, 100 and 50 nm, respectively. Complete solidification of the coating to 100% can be achieved with a particle size of 15 nm.
  • the solidification value shown in FIG. 1 was measured after a service life of 8 hours.
  • nanoscale aluminum oxide in conjunction with monoaluminum phosphate as binder phase is particularly advantageous since, given a given composition of the coating, material characteristics are achieved which can not be achieved without nanoscale material with the same composition.
  • a second embodiment of the present invention has the following composition in weight percent: 25.0% lithium water glass 10.0% monoethanolamine 22.0% basic stabilized MAP 10.0% acetic acid 28.0% n-SiO 2 5.0% zinc phosphate
  • amorphous Si02 was used as the nanoscale material, with the d50 of the material being 8nm.
  • This basic composition makes it possible to form slightly porous layers (porosity about 6%), which allows penetration of gases and water vapor due to small pore diameters, but blocks liquids (eg water droplets).
  • Table 1 shows a third embodiment in which five different compositions were prepared which differed in their content of nanoscale material. More specifically, nanoscale alumina (d50 value of 12 nm) was used at levels between 0.5 and 15.02 wt%. The other fillers talcum, calcium bentonite, aluminum borate, spinel black, SiC and mica were added as further fillers and were not present as nanoscale material. The granule size for the fillers was 12 ⁇ m (d50) for talc, 5 ⁇ m (d50) for calcium bentonite, 30 ⁇ m (d50) for aluminum borate, 4 to 10 ⁇ m (d50) for spinel black and 10 ⁇ m (d50) for SiC. Table 1
  • Tables 2 and 3 show the GT / TT values as a function of the content of nanoparticles or the solidification as a function of the content of nanoparticles.
  • the comparative example designates a corresponding composition without nanoparticles, in which instead of N-Al 2 O 3, an aluminum oxide with a d 50 value of 10 ⁇ m was used.
  • the GT / TT values shown in Table 2 show that even the addition of 0.5% by weight of nanoparticles can significantly improve both the GT value of 4 to 1 and the TT value of 7 to 2. In both cases, a significantly lower tendency to detach the coating results.
  • the solidification values shown in Table 3 as a function of the content of the nanoparticles also show that by adding 0.5% by weight of Al 2 O 3 in the form of nanoparticles, the service life required for 100% solidification at room temperature increases from> 24 to> 16 by approximately 33%. can be reduced. As the content of nanoscale material increases, the necessary solidification time further decreases. At a content of 15.02% by weight of nanoparticles, solidification can already be achieved in 1 to 2 hours.
  • the invention is not limited to the compositions shown above and basically includes any form of application of phosphatic binder phases in conjunction with nanoparticles, which in many cases no longer requires the condensation of the phosphates to be thermally activated and the crosslinking can take place in a much shorter time.
  • the addition of nanoparticles changes the microstructure of the protective layer, resulting in a significant improvement in adhesion, corrosion resistance, chemical resistance, frost resistance and UV stability.
  • Table 4 is a comparison between the freeze-thaw cycling in accordance with DIN 52104, the chemical resistance according to DIN EN ISO 10545, the frost resistance according to DIN EN ISO 10545, UV stability and adhesion after cross-hatching / tape test in accordance with DIN 53151 for the composition of Example 2 compared to a comparative example without nanoparticles, in which the mean particle size of the SiO 2 was 5 ⁇ m.

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Abstract

The invention relates to a coating system, particularly for coating concrete, concrete-like, mineral and/or ceramic substrates. The coating system contains a binder, which is at least partially comprised of an inorganic phosphatic binder, and contains fillers. The fillers contain nanoscale particles with an average particle diameter d50 of less than 300 nm.

Description

Beschichtungssystem coating system
Die Erfindung betrifft ein Beschichtungssystem, insbesondere zur Beschichtung vo'n Ziegeln und Fassaden, das ein Bindemittelsystem auf Basis eines anorganischen phosphatischen Bindemittels und Füllstoffe umfasst.The invention relates to a coating system, in particular for coating vo¬n bricks and facades, which comprises a binder system based on an inorganic phosphatic binder and fillers.
Derartige Beschichtungssysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise beschreibt die WO 01/87798 A2 eine verschleißfeste Composit- Schutzschicht, die über Chemical Bonding unter Verwendung von Monoaluminiumphosphat (Al(HsPO4)3) hergestellt wird. Dieser Prozess umfasst die Präparation einer Hydroxidkeramik, die im Anschluss an eine Phosphatierung durch Hitzebehandlung zwischen 200 und 1200 0C ausgehärtet bzw. gesintert wird.Such coating systems are known from the prior art. For example, WO 01/87798 A2 describes a wear-resistant composite protective layer which is produced via chemical bonding using monoaluminum phosphate (Al (HsPO 4) 3). This process involves the preparation of a hydroxide ceramic which is cured or sintered after phosphating by heat treatment at between 200 and 1200 ° C.
Die WO 85/05352 beschreibt ein Beispiel einer Fügeschicht zwischen keramischen und metallischen Werkstoffen, die durch einen Monoaluminiumphosphatbildner verstärkt wird. Eine Aushärtung erfolgt im Verlaufe des Sinterprozesses zwischen 1000 und 1250 0C.WO 85/05352 describes an example of a joining layer between ceramic and metallic materials which is reinforced by a monoaluminum phosphate generator. Curing takes place in the course of the sintering process between 1000 and 1250 0 C.
Die DE 600 02 364 T2 beschreibt eine Aluminium-benetzbare Schutzschicht für Kohlenstoffbauteile, die ein Substrat gegen korrosiven Angriff schützen soll. Die Schicht enthält dabei Partikel aus Metalloxiden oder teilweise oxidierten Metallen in einem getrockneten kolloidalen Träger, der unter anderem Monoaluminiumphosphat enthalten kann. Durch Kontakt mit geschmolzenem Aluminium erfolgt eine Aushärtung der keramischen Schicht.DE 600 02 364 T2 describes an aluminum-wettable protective layer for carbon components, which is intended to protect a substrate against corrosive attack. The layer contains particles of metal oxides or partially oxidized metals in a dried colloidal carrier, which may contain, inter alia, monoaluminum phosphate. By contact with molten aluminum is a curing of the ceramic layer.
Die US 3,775,318 beschreibt Mischungen aus Erdalkalifluoriden, die mittels eines Aluminiumphosphatbinders, der in einem anorganischen Lösungsmittel vorliegt, zu einer Schutzschicht gebunden werden. Nachdem die entsprechende Schutzschicht appliziert wurde, erfolgt eine Aushärtung im Temperaturbereich oberhalb 1000C für mehrere Stunden unter Umgebungsatmosphäre.US Pat. No. 3,775,318 describes mixtures of alkaline earth fluorides which are bound to form a protective layer by means of an aluminum phosphate binder present in an inorganic solvent. After the appropriate protective layer has been applied, curing takes place in the temperature range above 100 ° C. for several hours under ambient atmosphere.
Die bei dem beschriebenen Stand der Technik als Bindephase eingesetzten anorganischen Phosphate werden über thermisch aktivierte Reaktionen vernetzt. Dies erfordert eine Temperaturbehandlung, die häufig mehrerer Stunden bedarf, um die Schutzschicht formstabil durchzuhärten.The inorganic phosphates used as binder phase in the described prior art are crosslinked via thermally activated reactions. This requires a temperature treatment, which often takes several hours to harden the protective layer dimensionally stable.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Be Schichtungssystem auf Basis eines anorganischen phosphatischen Bindemittels als Bindephase anzugeben, das bei geringeren Temperaturen und/ oder in geringerer Zeit formstabil ausgehärtet werden kann.The object of the invention is to provide a Be layering system based on an inorganic phosphatic binder as a binder phase, which can be cured dimensionally stable at lower temperatures and / or in less time.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Beschichtungssystem auf Basis eines anorganischen phosphatischen Bindemittels als Bindephase anzugeben, das die Herstellung von Schutzschichten mit gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Eigenschaften, z. B. verbesserter Haftfestigkeit, erhöhter Korrosionsbeständigkeit" oder verbesserter Witterungsbeständigkeit, anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Beschichtungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele und weiterführende Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Another object of the invention is to provide a coating system based on an inorganic phosphatic binder as a binder phase, which is the production of protective layers with improved properties compared to the prior art, for. B. improved adhesion, increased corrosion resistance "or improved weather resistance to specify. This object is achieved by a coating system having the features of patent claim 1. Preferred embodiments and further developments of the invention are specified in the subclaims.
Die Erfindung stellt ein Beschichtungssystem mit einem Bindemittel, das zumindest teilweise aus einem phosphatischen Bindemittel besteht, und Füllstoffen bereit. Ein Bindemittel im Sinne der vorliegenden Erfindung ist dabei der nichtflüchtige Anteil eines Beschichtungsstoffes ohne Pigment und Füllstoff, aber einschließlich ggf. vorhandener Weichmacher, Trockenstoffe und anderen nichtflüchtigen Hilf sstoffen. Das Bindemittel verbindet Füllstoffe bzw. Pigmentteilchen untereinander und mit dem Untergrund (Substrat).The invention provides a coating system with a binder at least partially composed of a phosphatic binder and fillers. A binder in the context of the present invention is the non-volatile portion of a coating material without pigment and filler, but including any existing plasticizer, driers and other nonvolatile Hilf substances. The binder combines fillers or pigment particles with each other and with the substrate (substrate).
Im Sinne der vorliegenden Erfindung soll der Begriff „Beschichtungssystem" sowohl das Ausgangsmaterial zur Herstellung einer Beschichtung (Formulierung zur Applikation) als auch die ausgehärtete Schicht umfassen. Mit anderen Worten umfasst das Beschichtungssystem der vorliegenden Erfindung ein wässriges oder pulveriges Material, das zur Herstellung der entsprechenden Schicht geeignet ist, und die betreffende Schicht nach dem Aufbringen und Aushärten des Materials.For the purposes of the present invention, the term "coating system" is intended to encompass both the starting material for the production of a coating (formulation for application) and the hardened layer In other words, the coating system of the present invention comprises an aqueous or powdery material which is suitable for producing the corresponding Layer is suitable, and the relevant layer after the application and curing of the material.
Ein Füllstoff im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine (zumeist pulverige) im Anwendungsmedium praktisch unlösliche Substanz, die. z. B. zur Vergrößerung des Volumens (Verbilligung), zur Erzielung oder Verbesserung technischer Effekte und Eigenschaften der Schutzschicht und/ oder Beeinflussung der Verarbeitungseigenschaften eingesetzt werden kann. Erfindungsgemäß besteht zumindest ein Teil der Füllstoffe aus nanoskaligen Partikeln mit einem mittleren Partikeldurchmesser d50 kleiner oder gleich 300 nm.A filler in the context of the present invention is a (usually powdery) in the application medium practically insoluble substance that. z. B. to increase the volume (cheapening), to achieve or improve technical effects and properties of the protective layer and / or influencing the Processing properties can be used. According to the invention, at least some of the fillers consist of nanoscale particles with an average particle diameter d50 of less than or equal to 300 nm.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass durch den Zusatz nano skaliger Partikel die Aushärtung von phosphatischen Bindephasen wesentlich beschleunigt werden kann. Auf diese Weise lassen sich Beschichtungssysteme bereitstellen, die sogar bei Raumtemperatur ausgehärtet werden können.The inventors of the present invention have found that the addition of nano-scale particles can significantly accelerate the cure of phosphatic binder phases. In this way, coating systems can be provided which can be cured even at room temperature.
Vorzugsweise beträgt der mittlere Partikeldurchmesser d50 der nanoskaligen Partikel 250 nm oder geringer. Besonders bevorzugt werden Nanopartikel im Größenbereich eines d50-Wertes unterhalb 200 nm. Besonders günstige Ergebnisse lassen sich mit Nanopartikeln im Größenbereich eines d50-Wertes unterhalb 100 nm erreichen. Sehr gute Ergebnisse lassen sich bei Verwendung von Nanopartikeln im Größenbereich eines d50-Wertes unterhalb 60 nm erzielen, und optimal sind die Ergebnisse bei Verwendung von Nanopartikeln im Größenbereich unterhalb 20 nm.The mean particle diameter d50 of the nanoscale particles is preferably 250 nm or less. Particular preference is given to nanoparticles in the size range of a d50 value below 200 nm. Particularly favorable results can be achieved with nanoparticles in the size range of a d50 value below 100 nm. Very good results can be achieved when using nanoparticles in the size range of a d50 value below 60 nm, and the results are optimal when using nanoparticles in the size range below 20 nm.
Der zur Kennzeichnung der Korngröße in der einschlägigen Technik üblicherweise verwendete d50-Kennwert ist über die Wahrscheinlichkeitstheorie definiert und besagt, dass 50 % der gemessenen Partikel kleiner als der entsprechende Messwert sind. Er basiert auf einer üblichen statistischen Beschreibung der Größenverteilung der Partikel in einem dispersen System verschiedener Korngrößen, vgl. "Practice Guide Particle Size Characterization", A. Jillavenkatesa, S. J. Dapkunas, Lin-Sein H. Lum, National Institue of Standards and Technolgy, Special- Publication 960-1, Januar 2001, S. 129-133.The d50 characteristic value commonly used for characterizing the grain size in the relevant technology is defined by the probability theory and states that 50% of the measured particles are smaller than the corresponding measured value. It is based on a standard statistical description of the size distribution of the particles in a disperse system of different particle sizes, cf. "Practice Guide Particle Size Characterization", A. Jillavenkatesa, SJ Dapkunas, Lin-Sein H. Lum, National Institue of Standards and Technolgy, Special Publication 960-1, January 2001, pp. 129-133.
Praktisch kann der d50-Wert über verschiedene Verfahren, u. a. Laserbeugung in Anlehnung an ISO 13320-1, Ausgabe 1999-11; Partikelgrößenanalyse durch Photonenkorrelationsspektroskopie DIN ISO 13321, Ausgabe 2004-10; Partikelgrößenanalyse über Dispersionsverfahren für Pulver in Flüssigkeiten gemäß ISO 14887, Ausgabe 2000-09; oder über Partikelgrößenanalyse- Dispersierungsverfahren für Pulver in Flüssigkeiten gemäß BS ISO 14887, Ausgabe 2001-03-15 gemessen werden. Aufgrund der Normierung der entsprechenden Verfahren ist sichergestellt, dass mit den unterschiedlichen Verfahren der gleiche Messwert erzielt wird.In practice, the d50 value can be determined by various methods, i.a. a. Laser diffraction based on ISO 13320-1, 1999-11 edition; Particle size analysis by photon correlation spectroscopy DIN ISO 13321, Edition 2004-10; Particle size analysis by dispersion methods for powders in liquids according to ISO 14887, Edition 2000-09; or measured by particle size analysis dispersion methods for powders in liquids in accordance with BS ISO 14887, Edition 2001-03-15. Due to the standardization of the corresponding procedures, it is ensured that the same measured value is achieved with the different methods.
Durch Zusatz der Nanopartikel lassen sich ausgewählte, erfindungsgemäße Bindemittelsysteme auf Basis phosphatischer Bindephase in Trocknungszeiten von 30 Sekunden bis circa 60 Minuten in den staubtrockenen Zustand überführen und eine Durchhärtung kann bei Trocknungszeiten von bis zu 8 Stunden bei Raumtemperatur realisiert werden. Durch die Zugabe der Nanopartikel erübrigt sich in vielen Fällen eine thermische Aktivierung der Kondensationsprozesse. Ohne gesichertes Wissen wird angenommen, dass die hohe spezifische Oberfläche der Nanopartikel die Kondensationsreaktion der Phosphate begünstigt, eventuell sogar "katalysiert".By adding the nanoparticles, selected binder systems of the invention based on a phosphate binder phase can be converted into the dust-dry state in drying times of 30 seconds to about 60 minutes, and curing can be achieved at drying times of up to 8 hours at room temperature. The addition of the nanoparticles makes thermal activation of the condensation processes unnecessary in many cases. Without reliable knowledge, it is assumed that the high specific surface of the nanoparticles favors the condensation reaction of the phosphates, possibly even "catalyzed".
Die Erfinder haben dabei herausgefunden, dass der minimale Gehalt an Nanopartikeln keinen kritischen Faktor der Zusammensetzungen darstellt und sich sogar bei Zusammensetzungen mit geringen Gehalten von 0,2 bis 0,5 Gew.-% an Nanopartikeln, bezogen auf die Feststoffphase, der erfindungsgemäße Effekt erzielen lässt.The inventors have found that the minimum content of nanoparticles is not a critical factor of the compositions represents and even in compositions with low levels of 0.2 to 0.5 wt .-% of nanoparticles, based on the solid phase, the effect according to the invention can be achieved.
Neben der beschleunigten Aushärtung ergeben sich bei den je nach Anwendungsfall angepassten erfindungsgemäßen Zusammensetzungen zusätzliche Vorteile bezüglich der Frost-Tau- Wechselbeständigkeit, der chemischen Beständigkeit, der Haftfestigkeit und der Witterungsstabilität im Allgemeinen.In addition to the accelerated curing, the compositions according to the invention, which are adapted to the particular application, have additional advantages in terms of freeze-thaw cycling, chemical resistance, adhesive strength and weathering stability in general.
Das erfindungsgemäße Beschichtungssystem ermöglicht zudem die Herstellung von Schutzschichten, die als Diffusionssperre für zum Beispiel Feuchtigkeit oder aggressive Verbindungen (Korrosionsschutz) gegenüber herkömmlichen Zusammensetzungen deutlich verbesserte Ergebnisse erbringen. Aufgrund dessen lässt sich folgern, dass nicht nur die Reaktionskinetik des Aushärtemechanismus, sondern auch die mit Mikrostruktur der resultierenden Schicht auf Basis phosphatischer Bindephasen durch den erfindungsgemäßen Zusatz von Nanopartikeln wesentlich verbessert werden kann.The coating system according to the invention also makes it possible to produce protective layers which, as a diffusion barrier for, for example, moisture or aggressive compounds (corrosion protection), provide significantly improved results compared to conventional compositions. Because of this, it can be concluded that not only the reaction kinetics of the curing mechanism but also those with microstructure of the resulting layer based on phosphate binder phases can be substantially improved by the addition of nanoparticles according to the invention.
Weitere Vorteile ergibt das erfindungsgemäße Beschichtungssystem in Bezug auf Beton bzw. mineralischen Untergrund aufgrund erheblich begünstigter Haftung. Dies kann je nach Anwendungsfall auf eine Wechselwirkung der Nanopartikel mit dem phosphatischen Bindemittel in Kombination mit Substratbestandteilen wie z.B. CSH (Calcium silikahydrat), zurückgeführt werden. Es resultieren Schutzschichten mit erheblich verbesserter Haftfestigkeit und gegenüber den bekannten Systemen erheblich erhöhter Witterungsbeständigkeit.Further advantages gives the coating system of the invention in terms of concrete or mineral substrate due to significantly favored adhesion. Depending on the application, this can be attributed to an interaction of the nanoparticles with the phosphatic binder in combination with substrate components such as, for example, CSH (calcium silicate hydrate). This results in protective layers with significantly improved adhesion and compared to the known systems significantly increased weather resistance.
Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Beschichtungssystem für die Beschichtung von beliebigen Untergründen (Substraten) geeignet, insbesondere aber Beton, betonartigen, mineralischen und keramischen Untergründen. In der Praxis ist es daher insbesondere für Dachziegel und Fassaden prädestiniert.Basically, the coating system according to the invention for the coating of any substrates (substrates) is suitable, but especially concrete, concrete-like, mineral and ceramic substrates. In practice, it is therefore predestined especially for roof tiles and facades.
Erfindungsgemäß besteht das phosphatische Bindemittel aus mindestens einem Phosphat aus der Gruppe Alkalipolyphosphate, Polymeralkaliphosphate, Silicophosphate, Monoaluminiumphosphat, Borphosphat, Magnesium-Natriumphosphat, Alkalisilicophosphat, Phosphatglas, Zinkphosphate, Magnesiumphosphate, Calciumphosphate, Titanphosphate, Chromphosphate, Eisenphosphate und Manganphosphate.According to the invention, the phosphatic binder consists of at least one phosphate selected from the group of alkali polyphosphates, polymer alkyiphosphates, silicophosphates, monoaluminium phosphate, boron phosphate, magnesium sodium phosphate, alkali silicophosphate, phosphate glass, zinc phosphates, magnesium phosphates, calcium phosphates, titanium phosphates, chromium phosphates, iron phosphates and manganese phosphates.
Bevorzugterweise wird Monoaluminiumphosphat verwendet, wobei ein Gehalt von 90 %, bezogen auf das Bindemittel, besonders gute Ergebnisse liefert. Vorteilhaft ist es, das Monoaluminiumphosphat (MAP) als 50- bis 60 %ige wässerige Lösung einzusetzen.Preferably, monoaluminum phosphate is used, with a content of 90%, based on the binder, gives particularly good results. It is advantageous to use the monoaluminum phosphate (MAP) as a 50- to 60% aqueous solution.
Als nanoskalige Partikel werden bevorzugt Verbindungen eines Oxids und/ oder Hydroxids aus der Gruppe Aluminium, Titan, Zink, Zinn, Zirkon, Silicium, Cer und Magnesium und Mischungen dieser Verbindungen verwendet. Darüber hinaus können die nanoskaligen Partikel auch eine oder mehrere Verbindungen aus der Gruppe Siliciumcarbid, Titan- und Wolframcarbid und/ oder die entsprechenden Nitride umfassen.The nanoscale particles used are preferably compounds of an oxide and / or hydroxide from the group consisting of aluminum, titanium, zinc, tin, zirconium, silicon, cerium and magnesium and mixtures of these compounds. In addition, the nanoscale particles may also comprise one or more compounds from the group silicon carbide, titanium and tungsten carbide and / or the corresponding nitrides.
Zur Optimierung des Bindemittelsystems kann dieses als wässerige Lösung vorliegen, in die zusätzlich mindestens ein SoI aus der Gruppe sauerstabilisierter Kieselsole, Aluminiumsole, Zirkonsole, Titandioxidsole, Wismutsole und Zinnoxidsole eingebracht wurde.To optimize the binder system, this may be present as an aqueous solution into which additionally at least one sol has been introduced from the group of acid-stabilized silica sols, aluminum sols, zirconols, titanium dioxide sols, bismuth sols and tin oxide sols.
Die Art und Zusammensetzung der verwendeten Nanopartikel ist jedoch nicht auf diese Verbindungen beschränkt und es können andere dem Fachmann geläufige Nanopartikeln, die über die üblichen Verfahrenswege, wie z. B. Sol-Gel-Routen etc., hergestellt wurden, verwendet werden.However, the nature and composition of the nanoparticles used is not limited to these compounds and it may other familiar to those skilled in nanoparticles, which are available via the usual procedure, such. As sol-gel routes, etc., were used.
Die Zusammensetzung der übrigen verwendeten Füllstoffe richtet sich in erster Linie nach der gewünschten Applikation und wird entsprechend eingestellt. Als zusätzliche Feststoffe können die Füllstoffe neben den Nanopartikeln beispielsweise eines oder mehrere Oxide aus der Gruppe Quarz, Kristoballit, Aluminiumoxid, Zirkonoxid und Titandioxid umfassen. Gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn der d50-Wert dieser Verbindungen im Bereich von 500 nm bis 500 μm, bevorzugterweise im Bereich von 500 nm bis 10 μm liegt.The composition of the other fillers used depends primarily on the desired application and is adjusted accordingly. As additional solids, the fillers in addition to the nanoparticles, for example, one or more oxides from the group quartz, cristobalite, alumina, zirconia and titanium dioxide include. Good results can be achieved if the d50 value of these compounds is in the range of 500 nm to 500 μm, preferably in the range of 500 nm to 10 μm.
Durch Zusatz geeigneter Füllstoffe, wie z. B. Farbstoffe, Pigmente, Verstäubungsphasen etc. kann das erfindungsgemäße Beschichtungssystem in weiten Grenzen funktionalisiert werden. Als weitere Beispiele für funktionale Füllstoffe (Effektstoffe) können Füllstoffe eingesetzt werden, die photokatalytisch aktiv sind, einen hydrophoben und/ oder oleophoben Effekt aufweisen und/ oder eine Verkeimung der Oberfläche durch Strahlung stoppen. Darüber hinaus können sie einen wärmeisolierenden und/ oder schallisolierenden Effekt aufweisen.By adding suitable fillers, such. As dyes, pigments, dusting phases, etc., the coating system according to the invention can be functionalized within wide limits. As further examples of functional fillers (effect substances) can Fillers are used which are photocatalytically active, have a hydrophobic and / or oleophobic effect and / or stop bacterial contamination of the surface by radiation. In addition, they may have a heat-insulating and / or sound-insulating effect.
Daneben können auch nichtoxidische Verbindungen als Füllstoffe verwendet werden. Beispielsweise sind hierbei Siliciumcarbid, Aluminiumnitrid, Borcarbid, Bornitrid, Titannitrid, Titancarbid, Wolframcarbid oder Mischcarbide hieraus zu nennen. Bevorzugte d50-Werte der nicht-oxidischen Verbindungen liegen im Bereich zwischen 700 nm und 60 μm. Gute Ergebnisse lassen sich insbesondere bei Verwendung eines d50-Wertes der nicht nichtoxidischen Füllstoffe im Bereich von 1 μm bis 12 μm erzielen.In addition, non-oxidic compounds can also be used as fillers. For example, silicon carbide, aluminum nitride, boron carbide, boron nitride, titanium nitride, titanium carbide, tungsten carbide or mixed carbides can be mentioned here. Preferred d50 values of the non-oxidic compounds are in the range between 700 nm and 60 μm. Good results can be achieved in particular when using a d50 value of the non-nonoxide fillers in the range of 1 .mu.m to 12 .mu.m.
Daneben können als Füllstoffe neben den Nanopartikeln silikatische Rohstoffe, zum Beispiel aus der Gruppe Ton, Kaoline und Lehme, bevorzugt mit einem d50-Wert < 70 μm verwendet werden. Verbesserte Ergebnisse ergeben sich bei Verwendung eines d50- Wertes der silikatischen Rohstoffe im Bereich zwischen 4 μm und 45 μm. Andere Gläser oder glasartige Materialien und/ oder Metalle können verwendet werden.In addition, silicatic raw materials, for example from the group of clay, kaolins and clays, preferably having a d 50 value <70 μm, can be used as fillers in addition to the nanoparticles. Improved results are obtained when using a d50 value of the siliceous raw materials in the range between 4 μm and 45 μm. Other glasses or vitreous materials and / or metals may be used.
Grundsätzlich können die nanoskaligen Partikel homogen in der Bindemittelmatrix verteilt vorliegen. Aus Kostengründen kann es sinnvoll sein, die nanoskaligen Partikel inhomogen in der Bindemittelmatrix zu verteilen, indem die Konzentration der nanoskaligen Partikel im Bereich der Oberfläche der weiteren Füllstoffe erhöht wird. Dies kann beispielsweise durch eine gezielte Be Schichtung der weiteren Füllstoffe mit den Nanopartikeln vor Zumischung der Bindephase realisiert werden. Dabei können sich die nanoskaligen Partikel durch chemische und/ oder physikalische Kopplung an die Oberfläche der weiteren Füllstoffe anbinden. Beispielsweise kann eine chemische Kopplung zwischen den Nanopartikeln und den Oberflächen der Füllstoffe mittels Milchsäure erzielt werden.In principle, the nanoscale particles can be distributed homogeneously in the binder matrix. For cost reasons, it may be useful to distribute the nanoscale particles inhomogeneous in the binder matrix by increasing the concentration of nanoscale particles in the surface of the other fillers. This can be done, for example, by a targeted Be layering of the other fillers with the nanoparticles before mixing the binder phase can be realized. In this case, the nanoscale particles can bind to the surface of the other fillers by chemical and / or physical coupling. For example, a chemical coupling between the nanoparticles and the surfaces of the fillers can be achieved by means of lactic acid.
Vorteilhafterweise liegt der Wassergehalt bei wässerigen Zusammensetzungen des erfindungsgemäßenAdvantageously, the water content of aqueous compositions of the invention
Beschichtungssystems im Bereich zwischen 15 und 35 Gew%. Ein zu hoher Wassergehalt kann das Reaktionsgleichgewicht in ungünstiger Weise verschieben, so dass es zu keiner Reaktion kommt. Bei zu niedrigen Wassergehalten kann die Reaktion zu früh einsetzen, was die Topfzeit entsprechend reduziert.Coating system in the range between 15 and 35% by weight. Too high a water content can shift the reaction equilibrium unfavorably, so that there is no reaction. If the water content is too low, the reaction may start too early, which reduces the potlife accordingly.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele und besondere Varianten des erfindungsgemäßen Beschichtungssystems mit Bezug auf die Figur beschrieben.In the following, preferred embodiments and particular variants of the coating system according to the invention will be described with reference to the figure.
Figur 1 zeigt die Abhängigkeit der Verfestigung von der verwendeten Partikelgröße für eine Zusammensetzung des Ausführungsbeispiels 1.FIG. 1 shows the dependence of the solidification on the particle size used for a composition of exemplary embodiment 1.
In allen Fällen der Ausführungsbeispiele wurde das Beschichtungs- system auf Beton appliziert. Die Applikation erfolgte vorzugsweise durch Sprühen (0,8mm Düse, l,8bar Druck. Die eingestellte Trockenschichtdicke lag im Bereich zwischen 40μm-60μm, kann aber darüber hinaus in weiten Grenzen variiert werden. Weitere Applikationsverfahren wie Streichen, Rollen, Spin-Coating, Fluten, Tauchen oder Glocken können analog ausgeführt werden.In all cases of the embodiments, the coating system was applied to concrete. The application was preferably carried out by spraying (0.8 mm nozzle, 1.8 bar pressure.) The set dry film thickness was in the range between 40 μm and 60 μm, but can also be varied within wide limits Application methods such as brushing, rolling, spin-coating, flooding, dipping or bells can be carried out analogously.
Ein erstes Ausführungsbeispiel weist die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent auf:A first embodiment has the following composition in weight percent:
30,0 % Monoaluminiumphosphat30.0% monoaluminum phosphate
1,6% Ammoniumacetat 15,0% Kieselsol 8 - 10 nm1.6% ammonium acetate 15.0% silica sol 8-10 nm
3,4% Lithiumacetat 15,0% Aluminium oxid 15 nm 20,0% Dolomit 10,0% Bariumsulfat3.4% lithium acetate 15.0% aluminum oxide 15 nm 20.0% dolomite 10.0% barium sulfate
5,0% Titanylsulfat5.0% titanyl sulfate
Als Nanopartikel wurde hier eine Mischung aus Kieselsol mit einem d5O-Wert von 8 - 10 nm und Aluminiumoxid mit einem d50-Wert von 15 nm verwendet.As nanoparticles, a mixture of silica sol having a d 50 value of 8-10 nm and alumina having a d 50 value of 15 nm was used here.
Diese saure Zusammensetzung ermöglicht hervorragende Topfzeiten (> 6 Monate) in Verbindung mit sehr guter Performance im industriellen Bereich. Die Zeit bis zur Staubtrockne nach Applikation beträgt 10 bis 60 Sekunden. Die resultierende Schicht weist nach der Trocknung eine hohe Abriebstabilität von PEI = 4, gem. DIN EN ISO 10545 Teil 7, auf.This acid composition enables excellent pot life (> 6 months) in conjunction with very good industrial performance. The time to dust drying after application is 10 to 60 seconds. The resulting layer has after drying a high abrasion resistance of PEI = 4, acc. DIN EN ISO 10545 Part 7, on.
Dieses Ausführungsbeispiel ergab mehr als 300 Cyklen Korrosionsbeständigkeit gem. ISO 16151. Figur 1 zeigt die Verfestigung in Prozent, wobei eine Verfestigung von 100 % den vollständigen Übergang eines aufgetragenen Lacks vom flüssigen in den festen Zustand kennzeichnet, vgl. Lackformulierungen und Lackrezeptur, B. Müller, U. Poth, Vincentz- Verlag, 2003, S. 23. Die Darstellung belegt, dass bei Korngrößen der Nanopartikel im Bereich eines d50-Wertes größer 350 bis 1.000 nm die erzielte Verfestigung mit Höchstwerten von 20 % sehr gering ist.This embodiment revealed more than 300 cycles of corrosion resistance. ISO 16151. Figure 1 shows the solidification in percent, with a solidification of 100% indicates the complete transition of a coated paint from the liquid to the solid state, see. Lackformulierungen and paint formulation, B. Müller, U. Poth, Vincentz Verlag, 2003, p. 23. The graph shows that at grain sizes of the nanoparticles in the range of a d50 value greater than 350 to 1000 nm, the solidification achieved with maximum values of 20% is very low.
Mit abnehmendem Korngrößendurchmesser unterhalb 350 nm nimmt der Grad an Verfestigung mit sinkender Korngröße stark zu. Sie erreicht bei einer Partikelgröße von 300 nm bereits einen Wert von 50 % und nimmt bei 200 nm um weitere 25 % auf 75 % zu. Die Werte von 80 %, 85 % und 90 % werden 160, 100 bzw. 50 nm erzielt. Eine vollständige Verfestigung der Beschichtung zu 100 % kann bei einer Partikelgröße von 15 nm erzielt werden. Der in der Figur 1 gezeigte Verfestigungswert wurde nach einer Standzeit von 8 Stunden gemessen.With decreasing grain size diameter below 350 nm, the degree of solidification increases sharply with decreasing grain size. It already reaches a value of 50% at a particle size of 300 nm and increases by a further 25% at 200 nm to 75%. The values of 80%, 85% and 90% are achieved at 160, 100 and 50 nm, respectively. Complete solidification of the coating to 100% can be achieved with a particle size of 15 nm. The solidification value shown in FIG. 1 was measured after a service life of 8 hours.
Wie dieses Ausführungsbeispiel belegt, ist insbesondere die Verwendung von nanoskaligem Aluminiumoxid in Verbindung mit Monoaluminiumphosphat als Bindephase besonders vorteilhaft, da bei einer gegebenen Zusammensetzung der Beschichtung Materialkennwerte erreicht werden, die bei gleicher Zusammensetzung ohne nanoskaliges Material nicht erzielt werden können.As this exemplary embodiment demonstrates, the use of nanoscale aluminum oxide in conjunction with monoaluminum phosphate as binder phase is particularly advantageous since, given a given composition of the coating, material characteristics are achieved which can not be achieved without nanoscale material with the same composition.
Ein zweites Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent auf: 25,0 % Lithiumwasserglas 10,0 % Monoethanolamin 22,0 % basisch stabilisiertes MAP 10,0 % Essigsäure 28,0 % n-SiO2 5,0 % ZinkphosphatA second embodiment of the present invention has the following composition in weight percent: 25.0% lithium water glass 10.0% monoethanolamine 22.0% basic stabilized MAP 10.0% acetic acid 28.0% n-SiO 2 5.0% zinc phosphate
Bei dieser Zusammensetzung wurde amorphes SiÜ2 als nanoskaliges Material verwendet, wobei der d50-Wert des Materials 8nm betrug. Diese basische Zusammensetzung ermöglicht das Ausbilden leicht poröser Schichten (Porosität ca. 6 %), was aufgrund geringer Porendurchmesser Gasen und Wasserdampf eine Penetration ermöglicht, Flüssigkeiten (z. B. Wassertropfen) aber sperrt.In this composition, amorphous Si02 was used as the nanoscale material, with the d50 of the material being 8nm. This basic composition makes it possible to form slightly porous layers (porosity about 6%), which allows penetration of gases and water vapor due to small pore diameters, but blocks liquids (eg water droplets).
In Tabelle 1 ist ein drittes Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem fünf verschiedene Zusammensetzungen präpariert wurden, die sich in Bezug auf ihren Gehalt an nanoskaligem Material unterschieden. Genauer gesagt wurde nanoskaliges Aluminiumoxid (d50-Wert von 12 nm) mit Gehalten zwischen 0,5 und 15,02 Gew.-% verwendet. Die übrigen Füllstoffe Talkum, Calciumbentonit, Aluminiumborat, Spinel black, SiC und Glimmer wurden als weitere Füllstoffe zugegeben und lagen nicht als nanoskaliges Material vor. Die Korngröße für die Füllstoffe betrugen für Talkum 12 μm (d50), für Calciumbentonit 5 μm (d50), für Aluminiumborat 30 μm (d50), für Spinel black 4 bis 10 μm (d50), und für SiC 10 μm (d50). Tabelle 1Table 1 shows a third embodiment in which five different compositions were prepared which differed in their content of nanoscale material. More specifically, nanoscale alumina (d50 value of 12 nm) was used at levels between 0.5 and 15.02 wt%. The other fillers talcum, calcium bentonite, aluminum borate, spinel black, SiC and mica were added as further fillers and were not present as nanoscale material. The granule size for the fillers was 12 μm (d50) for talc, 5 μm (d50) for calcium bentonite, 30 μm (d50) for aluminum borate, 4 to 10 μm (d50) for spinel black and 10 μm (d50) for SiC. Table 1
Zusammei i- Zusammen ZusammenZusammens Zusammensetzung 1 -setzung 2 setzung 3 etzung 4 setzung 5Together Composition Together Composition 1-set-up 2-set 3-set 4-set 5
MAP 64,32 64,32 64,32 64,32 64,32MAP 64,32 64,32 64,32 64,32 64,32
N-Al2O3 0,50 1,25 4,02 10,02 15,02N-Al 2 O 3 0.50 1.25 4.02 10.02 15.02
Talkumtalc
(Schichtsilikat) 2,25 1,26 1,26 1,26 0,76(Phyllosilicate) 2.25 1.26 1.26 1.26 0.76
Calciumbentonite 3,26 3,26 1,26 1,26 0,76Calcium bentonite 3.26 3.26 1.26 1.26 0.76
Aluminiumborate 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5Aluminum borate 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
Spinel blackSpinel black
(Al-Mg- Mischoxid) 11,56 11,56 11,56 9,56 7,56(Al-Mg mixed oxide) 11.56 11.56 11.56 9.56 7.56
Malonsäure 1,01 1,01 1,01 1,01 1,00Malonic acid 1.01 1.01 1.01 1.01 1.00
SiC 14,07 14,07 14,07 10,07 9,07SiC 14.07 14.07 14.07 10.07 9.07
Glimmermica
(Schichtsilikat) 2,53 2,77 2,01 2,00 1,01(Phyllosilicate) 2.53 2.77 2.01 2.00 1.01
Für die in Tabelle 1 gezeigten erfindungsgemäßen Zusammensetzungen 1 bis 5 sind in den Tabellen 2 und 3 die GT/TT- Werte in Abhängigkeit vom Gehalt an Nanopartikeln bzw. die Verfestigung in Abhängigkeit vom Gehalt an Nanopartikeln angegeben. Das Vergleichsbeispiel bezeichnet eine entsprechende Zusammensetzung ohne Nanopartikel, bei der statt N-AI2O3 ein Aluminiumoxid mit einem d50-Wert von 10 μm eingesetzt wurde.For the inventive compositions 1 to 5 shown in Table 1, Tables 2 and 3 show the GT / TT values as a function of the content of nanoparticles or the solidification as a function of the content of nanoparticles. The comparative example designates a corresponding composition without nanoparticles, in which instead of N-Al 2 O 3, an aluminum oxide with a d 50 value of 10 μm was used.
Die Gitterschnitthaftung (GT-Kennwert) wird gemäß DIN 53151 bestimmt. GT = 0 bezeichnet eine vollkommen glatte Schnittfläche, wobei kein Teilstück des Coatings abgeplatzt ist. GT = 1 bezeichnet einen Zustand, bei dem an den Schnittpunkten der Gitterlinien kleine Splitter des Coatings abgeplatzt sind, wobei die abgeplatzte Fläche in etwa 5 % der Teilstücke des Gitters entspricht. GT = 2 bezeichnet einen Zustand, bei dem das Coating entlang der Schnittränder und/ oder den Schnittpunkten flächig abgeplatzt ist, entsprechend ca. 15 % der Fläche der Teilstücke. GT = 3 bezeichnet einen Zustand, bei dem das Coating entlang der Schnittränder und in den umrandeten Flächen abgeplatzt ist, entsprechend ca. 33 % der Fläche.The cross-cut adhesion (GT characteristic) is determined according to DIN 53151. GT = 0 indicates a perfectly smooth cut surface with no part of the coating chipped off. GT = 1 denotes a state in which small chips of the coating have flaked off at the intersections of the grid lines, the chipped area corresponding to approximately 5% of the sections of the grid. GT = 2 denotes a state in which the coating along the Cut edges and / or the intersections flattened area, corresponding to about 15% of the area of the cuts. GT = 3 denotes a state in which the coating has flaked along the cut edges and in the bordered areas, corresponding to about 33% of the area.
Beim so genannten "Tape-Test" wird über das geschnittene Gitter ein Tesastreifen geklebt und ruckartig abgezogen. Eine Bewertung TT = 0 entspricht keinerlei Ablösung des Coatings. TT = 1 bezeichnet eine leichte Ablösung entlang der Schnittkanten und TT = 9 ein vollständiges Ablösen, auch für den Fall, dass die Probe den GT-Test ohne Ablösung überstanden hat.In the so-called "tape test" a Tesastreifen is glued over the cut grid and pulled off abruptly. A rating TT = 0 corresponds to no replacement of the coating. TT = 1 indicates a slight detachment along the cut edges and TT = 9 indicates complete detachment, even in the event that the sample has passed the GT test without detachment.
Die in Tabelle 2 gezeigten GT/ TT- Werte belegen, dass bereits durch die Zugabe von 0,5 Gew.-% Nanopartikeln sowohl der GT- Wert von 4 auf 1 als auch der TT- Wert von 7 auf 2 erheblich verbessert werden können. In beiden Fällen resultiert eine deutlich geringere Ablösungstendenz des Coatings. Die bei Zusammensetzung 1 erzielten Kennwerte von GT = 1 und TT = 2 sind für eine praktische Anwendung der entsprechenden Schichten geeignet.The GT / TT values shown in Table 2 show that even the addition of 0.5% by weight of nanoparticles can significantly improve both the GT value of 4 to 1 and the TT value of 7 to 2. In both cases, a significantly lower tendency to detach the coating results. The characteristics of GT = 1 and TT = 2 obtained in Composition 1 are suitable for practical application of the respective layers.
Tabelle 2Table 2
GT/ TT- Werte in Abhängigkeit vom Gehalt an NanopartikelnGT / TT values as a function of the content of nanoparticles
Die in Tabelle 3 gezeigten Verfestigungswerte in Abhängigkeit vom Gehalt der Nanopartikeln belegen ebenfalls, dass durch Zugabe von 0,5 Gew.-% AI2O3 in Form von Nanopartikeln die für 100 % Verfestigung notwendige Standzeit bei Raumtemperatur von > 24 auf > 16 um circa 33 % verringert werden kann. Mit zunehmendem Gehalt an nanoskaligem Material nimmt die notwendige Verfestigungszeit weiter ab. Bei einem Gehalt von 15,02 Gew.-% Nanopartikeln lässt sich eine Verfestigung bereits in 1 bis 2 Stunden erzielen. The solidification values shown in Table 3 as a function of the content of the nanoparticles also show that by adding 0.5% by weight of Al 2 O 3 in the form of nanoparticles, the service life required for 100% solidification at room temperature increases from> 24 to> 16 by approximately 33%. can be reduced. As the content of nanoscale material increases, the necessary solidification time further decreases. At a content of 15.02% by weight of nanoparticles, solidification can already be achieved in 1 to 2 hours.
Tabelle 3Table 3
Verfestigung in Abhängigkeit vom Gehalt an NanopartikelnSolidification depending on the content of nanoparticles
Aus den Ergebnissen der Tabellen 1 bis 3 wird erkennbar, dass bereits geringe Anteile an Nanopartikeln im Bereich von 0,5 Gew.-% ausreichend sind, um die erfindungsgemäße Wirkung zu erzielen, die bei diesem Ausführungsbeispiel 3 zusätzlich in einer verbesserten Haftfestigkeit der Schutzschicht liegt.From the results of Tables 1 to 3 it can be seen that even small amounts of nanoparticles in the range of 0.5 wt .-% are sufficient to achieve the effect according to the invention, which is in this embodiment 3 additionally in an improved adhesive strength of the protective layer ,
Darüber hinaus haben zusätzliche Versuche ergeben, dass bereits bei Gehalten 0,1 bis 0,2 Gew.-% in vielen Anwendungsfällen eine erhöhte Haftfestigkeit der resultierenden Schutzschicht erzielt werden kann.In addition, additional tests have shown that even at levels 0.1 to 0.2 wt .-% in many applications increased adhesive strength of the resulting protective layer can be achieved.
Aus den Ergebnissen folgt, dass nicht nur die Aushärtung durch die Zugabe der Nanopartikel wesentlich begünstigt werden kann, sondern dass durch die Erfindung zudem Beschichtungen bereitgestellt werden können, die in ihrer Haftfestigkeit deutlich verbessert sind.From the results it follows that not only the curing by the addition of the nanoparticles can be significantly promoted, but also that the invention can provide coatings which are markedly improved in their adhesive strength.
Die Erfindung ist nicht auf die oben gezeigten Zusammensetzungen beschränkt und umfasst grundsätzlich jede Form der Anwendung von phosphatischen Bindephasen in Verbindung mit Nanopartikeln, wodurch in vielen Fällen die Kondensation der Phosphate nicht mehr thermisch aktviert werden muss und die Vernetzung in sehr viel kürzerer Zeit erfolgen kann. Darüber hinaus wird durch die Zugabe von Nanopartikeln die Mikrostruktur der Schutzschicht geändert, was zu einer deutlichen Verbesserung im Hinblick auf Haftfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, chemische Beständigkeit, Frostbeständigkeit sowie UV-Stabilität erzielt werden kann.The invention is not limited to the compositions shown above and basically includes any form of application of phosphatic binder phases in conjunction with nanoparticles, which in many cases no longer requires the condensation of the phosphates to be thermally activated and the crosslinking can take place in a much shorter time. In addition, the addition of nanoparticles changes the microstructure of the protective layer, resulting in a significant improvement in adhesion, corrosion resistance, chemical resistance, frost resistance and UV stability.
Als Beispiel hierfür ist in Tabelle 4 ein Vergleich zwischen der Frost- Tau- Wechselbeständigkeit nach DIN 52104, der chemischen Beständigkeit nach DIN EN ISO 10545, der Frostbeständigkeit nach DIN EN ISO 10545, der UV-Stabilität und der Haftfestigkeit nach Gitterschnitt/Tape-Test gemäß DIN 53151 für die Zusammensetzung des Ausführungsbeispiels 2 gegenüber einem Vergleichsbeispiel ohne Nanopartikel angegeben, bei dem die mittlere Partikelgröße des SiO2 5μm betrug. Tabelle 4As an example in Table 4 is a comparison between the freeze-thaw cycling in accordance with DIN 52104, the chemical resistance according to DIN EN ISO 10545, the frost resistance according to DIN EN ISO 10545, UV stability and adhesion after cross-hatching / tape test in accordance with DIN 53151 for the composition of Example 2 compared to a comparative example without nanoparticles, in which the mean particle size of the SiO 2 was 5 μm. Table 4
Vergleich ausgewählter Eigenschaften des Ausführungsbeispiel 2 vs. Vergleichsbeispiel aus dem Stand der TechnikComparison of selected properties of the embodiment 2 vs. Comparative Example from the prior art
*Gitterschnitt/Tape-Test* Cross-cut / tape test
Die erzielten Ergebnisse belegen deutlich, dass durch Zugabe der nanoskaligen Partikel eine Verbesserung der Frost-Tau-Wechselbeständigkeit, der chemischen Beständigkeit, der Frostbeständigkeit und der UV-Stabilität erzielt werden kann. The results obtained clearly show that the addition of nanoscale particles can improve the freeze-thaw cycling, chemical resistance, frost resistance and UV stability.

Claims

Patentansprüche claims
1. Beschichtungssystem, insbesondere zur Beschichtung von Beton, betonartigen, mineralischen und/ oder keramischen Substraten, umfassend ein Bindemittel, das zumindest teilweise aus einem anorganischen phosphatischen Bindemittel besteht, und Füllstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe nano skalige Partikel mit einem mittleren1. coating system, in particular for the coating of concrete, concrete-like, mineral and / or ceramic substrates, comprising a binder, which consists at least partially of an inorganic phosphatic binder, and fillers, characterized in that the fillers nano-scale particles having a medium
Partikeldurchmesser d50 kleiner 300 nm umfassen.Particle diameter d50 smaller than 300 nm include.
2. Beschichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Partikeldurchmesser d50 der nanoskaligen Partikel unterhalb 100 nm liegt.2. Coating system according to claim 1, characterized in that the mean particle diameter d50 of the nanoscale particles is below 100 nm.
3. Beschichtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das phosphatische Bindemittelsystem mindestens ein Phosphat aus der Gruppe Alkalipolyphosphate, Polymeralkaliphosphate, Silicophosphate, Monoaluminiumphosphat, Borphosphat, Magnesiumnatriumphosphat, Alkalisilicophosphat, Phosphatglas, Zinkphosphate, Magnesiumphosphate, Calciumphosphate, Titanphosphate, Chromphosphate, Eisenphosphate und Manganphosphate umfasst.3. Coating system according to claim 1 or 2, characterized in that the phosphatic binder system at least one phosphate from the group Alkalipolyphosphate, Polymeralkaliphosphate, silicophosphates, monoaluminum phosphate, boron phosphate, magnesium sodium phosphate, alkali silicophosphate, phosphate glass, zinc phosphates, magnesium phosphates, calcium phosphates, titanium phosphates, chromium phosphates, iron phosphates and Manganese phosphate includes.
4. Beschichtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das phosphatische Bindemittel im Wesentlichen aus einem Aluminiumphosphat besteht. 4. Coating system according to one of the preceding claims, characterized in that the phosphatic binder consists essentially of an aluminum phosphate.
5. Beschichtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoskaligen Partikel mindestens ein Oxid und/ oder Hydroxid aus der Gruppe Aluminium, Titan, Zink, Zinn, Zirkon, Silizium, Cer und Magnesium umfassen.5. Coating system according to one of the preceding claims, characterized in that the nanoscale particles comprise at least one oxide and / or hydroxide from the group aluminum, titanium, zinc, tin, zirconium, silicon, cerium and magnesium.
6. Beschichtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoskaligen Partikel mindestens eine Verbindung aus der Gruppe Siliciumcarbid, Titan- und Wolframcarbid umfassen.6. Coating system according to one of the preceding claims, characterized in that the nanoscale particles comprise at least one compound from the group of silicon carbide, titanium and tungsten carbide.
7. Beschichtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoskaligen Partikel mindestens eine Verbindung aus der Gruppe Siliciumnitrid, Titan- und Wolframnitrid umfassen.7. Coating system according to one of the preceding claims, characterized in that the nanoscale particles comprise at least one compound selected from the group silicon nitride, titanium and tungsten nitride.
8. Beschichtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganische Bindemittelsystem zu über 90 % aus Monoaluminiumphosphat besteht.8. Coating system according to one of the preceding claims, characterized in that the inorganic binder system consists of more than 90% of monoaluminum phosphate.
9. Beschichtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Bindersystem im Wesentlichen aus einer 50 - 60 %igen wässrigen MAP-Lösung besteht.9. Coating system according to one of the preceding claims, characterized in that the organic binder system consists essentially of a 50-60% aqueous MAP solution.
10. Beschichtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Be Schichtungssystem aus einer wässrigen Lösung besteht und zusätzlich mindestens ein SoI aus der Gruppe sauer stabilisierter Kieselsole, Aluminiumsole, Zirkonsole, Titandioxidsole, Wismutsole und Zinnoxidsole aufweist.10. Coating system according to one of the preceding claims, characterized in that the Be layering system consists of an aqueous solution and additionally comprises at least one sol from the group of acid-stabilized silica sols, aluminum sols, zirconium sols, Titandioxidsole, bismuth sols and Zinnoxidsole.
11. Beschichtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe als zusätzlichen Feststoff neben den nanoskaligen Partikeln mindestens ein Oxid aus der Gruppe Quarz, Kristoballit, Aluminiumoxid, Zirkonoxid und Titandioxid, mit einem d50- Wert von 500 nm bis 500 μm umfasst.11. Coating system according to one of the preceding claims, characterized in that the fillers as an additional solid in addition to the nanoscale particles at least one oxide from the group quartz, cristobalite, alumina, zirconium oxide and titanium dioxide, having a d50 value of 500 nm to 500 microns ,
12. Beschichtungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der d50-Wert der Oxide 500 nm - 10 μm beträgt.12. Coating system according to claim 11, characterized in that the d50 value of the oxides is 500 nm-10 μm.
13. Beschichtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe als zusätzlichen Feststoff neben den nanoskaligen Partikeln mindestens ein Nicht-Oxid aus der Gruppe Siliciumcarbid, Aluminiumnitrid, Borcarbid, Bornitrid, Titannitrid, Titancarbid, Wolframcarbid oder Mischcarbide, Mischnitride oder Carbonitride hieraus mit einem d50-Wert von im Bereich von 500 nm bis 60 μm enthalten.13. Coating system according to one of the preceding claims, characterized in that the fillers as additional solid in addition to the nanoscale particles at least one non-oxide from the group silicon carbide, aluminum nitride, boron carbide, boron nitride, titanium nitride, titanium carbide, tungsten carbide or mixed carbides, mixed nitrides or carbonitrides thereof having a d50 value of in the range of 500 nm to 60 microns.
14. Beschichtungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der d50-Wert der Nicht- Oxide im Bereich 500 nm - 12 μm liegt. 14. Coating system according to claim 12, characterized in that the d 50 value of the non-oxides in the range 500 nm - 12 microns.
15. Beschichtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe neben den nanoskaligen Partikeln als zusätzlichen Bestandteil mindestens einen silikatischen Rohstoff aus der Gruppe Ton, Kaoline und Lehme mit einem d50-Wert < 70 μm aufweisen.15. Coating system according to one of the preceding claims, characterized in that the fillers in addition to the nanoscale particles as an additional component at least one silicate raw material from the group clay, kaolins and clays with a d50 value <70 microns.
16. Beschichtungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der d50-Wert der silikatischen Rohstoffe im Bereich 8 μm - 45 μm liegt.16. Coating system according to claim 14, characterized in that the d 50 value of the silicate raw materials in the range 8 microns - 45 microns.
17. Beschichtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoskaligen Partikel homogen in der Bindemittelmatrix verteilt vorliegen.17. Coating system according to one of the preceding claims, characterized in that the nanoscale particles are homogeneously distributed in the binder matrix.
18. Beschichtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoskaligen Partikel inhomogen in der Bindemittelmatrix verteilt sind, wobei eine Konzentration der nanoskaligen Partikel im Bereich der Oberfläche der weiteren Füllstoffe vorliegt.18. Coating system according to one of the preceding claims, characterized in that the nanoscale particles are distributed inhomogeneous in the binder matrix, wherein a concentration of the nanoscale particles in the region of the surface of the further fillers is present.
19. Beschichtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoskaligen Partikel durch chemische und/ oder physikalische Kopplung an der Oberfläche der weiteren Füllstoffe fixiert sind.19. Coating system according to one of the preceding claims, characterized in that the nanoscale particles are fixed by chemical and / or physical coupling to the surface of the other fillers.
20. Beschichtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassergehalt des Beschichtungssystems vor der Beschichtung unter 45 Gew.-% liegt. 20. Coating system according to one of the preceding claims, characterized in that the water content of the coating system before coating is less than 45 wt .-%.
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