EP4313913A1 - Composition comprising carbon quantum dots (cqd´s) - Google Patents

Composition comprising carbon quantum dots (cqd´s)

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Publication number
EP4313913A1
EP4313913A1 EP22721273.5A EP22721273A EP4313913A1 EP 4313913 A1 EP4313913 A1 EP 4313913A1 EP 22721273 A EP22721273 A EP 22721273A EP 4313913 A1 EP4313913 A1 EP 4313913A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cqd
composition
concrete
weight
anode
Prior art date
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Pending
Application number
EP22721273.5A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Schwarz
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.)
Cas Composite Applied Systems GmbH
Original Assignee
Cas Composite Applied Systems GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Cas Composite Applied Systems GmbH filed Critical Cas Composite Applied Systems GmbH
Publication of EP4313913A1 publication Critical patent/EP4313913A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/60After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only artificial stone
    • C04B41/61Coating or impregnation
    • C04B41/65Coating or impregnation with inorganic materials
    • C04B41/68Silicic acid; Silicates
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    • C04B28/008Mineral polymers other than those of the Davidovits type, e.g. from a reaction mixture containing waterglass
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    • 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
    • C04B41/5089Silica sols, alkyl, ammonium or alkali metal silicate cements
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    • C04B2111/00Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/90Electrical properties
    • C04B2111/94Electrically conducting materials

Definitions

  • the invention relates to compositions containing carbon quantum dots (CQD's).
  • CQD's carbon quantum dots
  • the content of CQD's causes a targeted modification of the properties of the solid mixture, such as electrical conductivity, ion conductivity, polarization resistance, adhesion to solid substrates measured as tensile strength, galvanic currents from galvanic metal anodes, preferably zinc anodes, etc .
  • a quantum dot is a nanoscopic material structure.
  • Charge carriers (electrons, holes) in a quantum dot are restricted in their mobility in all three spatial directions to such an extent that their energy no longer assumes continuous but only discrete values.
  • their own atomic scale is about 10 4 atoms.
  • QD's can combine to form agglomerates - quantum dot molecules - [Somnath Koley, Jiabin Cui, Yossef E. Panfil, and Uri Banin, acc. Chem. Res.
  • Quantum dots are mini-crystals with edge lengths of around three nanometers that can be excited to fluoresce like a single atom with short-wave light.
  • the color of a quantum dot depends on its size: a two-nanometer diameter crystal emits shorter-wavelength light than one composed of the same atoms with a diameter of eight nanometers [Qin Hu, Xiaojuan Gong, Lizhen Liu, and Martin MF Choi, Hindawi, Journal of Nanomaterials (2017), Volume 2017, Article ID 1804178]
  • CQD's Carbon Quantum Dots
  • PEG polyethylene glycol
  • PVP polyvinylpyrrolidone
  • bovine albumin bovine albumin
  • CQDs to modify materials and material properties, in particular compositions for construction purposes of mixtures, in particular solids and/or electrolytes, for example their improvement in conductivity and polarization resistance, their strength or adhesion to solid substrates .
  • the object of the present invention is therefore to provide a composition whose conductivity and polarization resistance and whose adhesion to solid substrates is improved and which can be used in particular for construction purposes.
  • CQD's can be used to specifically modify material properties, in particular of solids, such as electrolytic and / or electrical conductivity, polarization resistance, adhesive strength, compressive strength, elasticity, ductility, activity of galvanic embedded in the solid according to the invention
  • material properties in particular of solids, such as electrolytic and / or electrical conductivity, polarization resistance, adhesive strength, compressive strength, elasticity, ductility, activity of galvanic embedded in the solid according to the invention
  • Metal anodes preferably zinc anodes, etc.
  • compositions according to the invention preferably contain at least one chemical compound or a mixture of chemical compounds selected from inorganic chemical substances such as silicates, silicon dioxide, aluminates, aluminosilicates, carbonates, carbon, graphite, etc., from organic chemical substances such as polymers (e.g. polyamide, Polyurethanes, etc.), resins (acrylic resins, epoxy resins, etc.), cellulose, silicones, silicone rubber, etc. They can also contain metals in the form of powders, fibers, etc.
  • the solid according to the invention has at least one property selected from hard, soft, brittle, elastic, plastic, deformable.
  • the composition according to the invention for building purposes is preferably a building material, in particular an artificial building material.
  • the composition according to the invention for building purposes is preferably a paint, coating material, binder,
  • the composition according to the invention for building purposes is preferably liquid, in particular viscous.
  • the composition preferably cures at room temperature within three weeks, more preferably within one week, most preferably within four days.
  • the CQD's content can be achieved by impregnating the solid mixture, for example with a liquid in which the CQD's are suspended, preferably colloidally.
  • Another method according to the invention is to admix the CQDs during the manufacture of the solid, e.g. to the raw material or raw materials from which the solid according to the invention is produced.
  • the CQDs are preferably added to the raw material or raw materials as a suspension, preferably as a colloid, in a suitable liquid.
  • a further preferred method is to admix suitable substances to the raw material or raw materials, so that the CQDs arise in situ during the production or formation of the mixture according to the invention.
  • CQDs usually have a size of 1 - 10 nm, they can agglomerate into CQD molecules with particle sizes up to 100 nm.
  • CQDs both singular and CQD agglomerates such as CQD molecules are referred to as CQDs in the following.
  • the CQDs preferably have a particle size of >1 nm, preferably >3 nm. They contain carbon and when excited with electromagnetic radiation, e.g. UV light, they emit fluorescent light in the wavelength range from 380 nm to 700 nm, preferably in the wavelength range from 400 nm to 600 nm. Agglomerates of CQDs - so-called quantum dot molecules - behave as CQDs and are referred to as such, but as quantum dot molecules can have particle sizes> 10 nm.
  • UV light is understood to mean light with a wavelength of ⁇ 400 nm, in particular light with a wavelength of 100-380 nm.
  • the invention is characterized in a preferred embodiment in that the content of CQD's material properties selected from strength, tensile strength, electrolytic conductivity, polarization resistance, galvanic activity of embedded metal electrodes, electrical conductivity are modified in a targeted manner, with the selection given being exemplary and not conclusive.
  • CQD 's within the meaning of the invention are CQD's according to the prior art as already described and described, for example, in Raz Jelinek, Carbon Quantum Dots, Springer International Publishing Switzerland, April 22, 2018.
  • the CQD's are preferably produced in the medium in which the CQD's are mixed with the raw material(s) or with which the solid is impregnated.
  • One of several methods according to the invention for producing a CQD suspension according to the invention comprises the step of synthesizing the CQDs from the medium in which they are subsequently suspended.
  • the medium is thus both the liquid in which the CQDs are suspended and at least one of the raw materials from which the CQDs are made.
  • Such a medium are, for example, polyethers, from which CQDs are produced by oxidative polycondensation, as is generally known.
  • PEG polyethylene glycols
  • alkali metal hydroxides for example, polyethylene glycols (PEG) are mixed with alkali metal hydroxides.
  • the PEGs condense around the alkali ion to form polycyclic aromatics and subsequently to CQDs. Details are described, for example, in Ji Chen, S.K. Spear, J.G., Huddleston and RD Rogers, "Polyethylene glycol and Solutions of polyethylene glycol as green reaction media", Green Chem., 2005, 7, 64-82.
  • CQD colloids produced in this way showed fluorescence in the range from 380 to 600 nm, in particular 400-600 nm, preferably with a peak in the range from 450 nm to 550 nm.
  • CQD suspensions or colloids produced in this way had a CQD content of 0.1% by weight. up to 10% by weight, approximately determined using the known molar extinction coefficient of 1.2 x 10 6 M 1 cnr 1 at 265 nm.
  • the composition for building purposes according to the invention comprises 0.001-2% by weight of carbon quantum dots, based on the total weight of the composition.
  • the composition according to the invention preferably contains 0.005-0.5% by weight, more preferably 0.01-0.3% by weight, particularly preferably 0.015-0.25% by weight, in particular 0.02-0.2% by weight of carbon -Quantum dots based on the total weight of the composition.
  • Electrically conductive coatings on concrete that are permeable to water vapor and gas, especially if they can be anodically polarized, are used to protect the steel reinforcement from corrosion.
  • Ambient humidity of ⁇ 65% relative humidity causes an increase in the electrolytic resistance in the surface area of the concrete to which the electrically conductive coating is applied.
  • the cause lies in the drying out of the surface area of the concrete as a result of water vapor diffusion, possibly enhanced by electro-osmosis.
  • the drying out of the concrete/paint interface also causes an increase in the polarization resistance, which can be measured as part of the DC resistance. Part of the polarization resistance is also the transfer resistance from the electrode to the electrolyte.
  • the increase in the electrolytic resistance of the concrete cover and the polarization resistance decreases the effectiveness of the corrosion protection of the steel reinforcement by reducing the current flow between the conductive coating and the steel reinforcement. In addition, this can lead to concrete damage at the electrically conductive coating/concrete interface as a result of acid attack on the concrete by anodically formed acid.
  • the electrolytic resistance can be determined by means of impedance measurements, usually at 1 kHz in concrete.
  • the polarization resistance is measured as direct current resistance by applying a direct voltage of, for example, 2-3 volts between the two electrodes and calculating the specific resistance from the measured direct current according to Ohm's law (Example 2).
  • the resistance thus determined includes the polarization resistance and the electrolytic resistance.
  • the at The DC resistance measured when applying a DC voltage is referred to as polarization resistance and in the examples as DC resistance.
  • the electrolytic concrete resistance measured at 1 kHz and 120 Hz is called impedance.
  • the composition for building purposes according to the invention contains one or more compounds selected from the group consisting of silicate, silicon dioxide, aluminate, aluminosilicate, graphite, carbonate, resin, silicone, cellulose and organic polymer.
  • the composition of said one or more compounds contains at least 5% by weight, more preferably >20% by weight, particularly preferably 30-95% by weight and most preferably 35-80% by weight of the one or several compounds composed of silicate, silicon dioxide, aluminate, aluminosilicate, graphite, carbonate, resin, silicone, cellulose and organic polymer.
  • the composition contains one or more aluminosilicates comprising calcium, the molar ratio S1O2/AI2O3 preferably being ⁇ 25, particularly preferably ⁇ 20, the molar ratio Si0 2 /(Ca0+Al 2 O 3 ) being ⁇ 10, particularly preferably ⁇ 5 and preferably the molar ratio Ca/Si is ⁇ 2, particularly preferably ⁇ 1.
  • the ratio for Mg-containing aluminosilicates, the molar ratio SiCVCCaO+MgO+AhCh) is preferably ⁇ 10, preferably ⁇ 5.
  • the properties of the solid mixture in particular the polarization resistance, can thus also be specifically modified by impregnating the solid mixture, e.g. concrete.
  • the polarization resistance (DC resistance) decreases by a factor of 1.8 when the concrete surface is impregnated with a primer containing 0.05% of CQDs and the direct current increases accordingly, which flows by the same factor with an applied voltage of 2 volts.
  • the impedance is only reduced by a factor of 1.2. If the concrete substrate is only impregnated with polyether as in sample 4, adding CQD's to the same amount of polyether (sample 3) causes a decrease in polarization resistance (DC resistance) by a factor of 2 while the impedance only decreases by a factor of 1 .3 decreases.
  • sample 2 in example 5 compared to sample 2 in example 4 (as described above), four times the amount of CQD's (0.2% CQD) was mixed into the primer.
  • the polarization resistance DC resistance
  • the decrease in the polarization resistance follows the amount of CQDs admixed—Sample 2-4: the polarization resistance decreases approximately proportionally to the amount of CQDs admixed to the primer.
  • the impedance practically no longer changes.
  • the polarization resistance depends on the type of polarization - the CQD's have a significantly stronger effect on the cathode (5.9 MOhm.cm) than on the anode (8.2 MOhm.cm).
  • Galvanic anode systems as described, for example, in EP 2 313352 A1 consist of a galvanic metal anode, preferably zinc, embedded in a binder containing aluminosilicate (Example 8).
  • the metal anode is preferably embedded in the binder as a grid.
  • the binder contains additives that are intended to prevent or at least minimize the passivation of the zinc anode.
  • Current densities in the range of up to 20 mA/m 2 are usually measured shortly after the galvanic zinc anode has been put into operation. After 3 - 6 months, approx. 3 - 6 mA/m 2 of active zinc surface at 70% relative humidity usually flow.
  • the Results indicate that a concentration of at least 0.05% by weight CQD, preferably 0.1% by weight CQD, is advantageous for a permanent increase in the galvanic activity of the zinc anode (EZ anode).
  • EZ anode zinc anode
  • the galvanic activity equals that of the EZ anode without the addition of CQD after approx. 3 months.
  • An EZ anode with a CQD content of 0.010% based on the binder shows an almost doubling of the galvanic currents after 1 day, but after 2 weeks the currents are still approx. 50% higher than in the CQD-free EZ anode, but only 20% after 3 months.
  • the admixture of CQD's to the potting binder also causes an increase in galvanic currents in the absence of chloride, as shown by the results presented in Example 11.
  • the addition of 0.05% CQD to the embedding adhesive increases the galvanic currents of an EZ anode stored at 75% relative humidity by 40% after 3 days and by 44% after 7 days of operation.
  • chloride has an activating effect on the galvanic activity of zinc anodes.
  • CQD's activate the EZ anode twice as much (example 11) as in the presence of chloride (example 8 - 10).
  • Activating the EZ anode with CQD's allows for a very simplified repair of corrosion damaged components - only the cracked and spalled concrete needs to be removed and replaced with repair mortar, not the chloride contaminated concrete behind the steel rebar - this means a high savings in costs and especially time.
  • Another benefit of the CQD content is the increase in galvanic activity associated with a decrease in auto-corrosion of the zinc anode.
  • Autocorrosion was determined by comparing the loss due to galvanic current, expressed in coulombs, with the actual weight loss.
  • the auto-corrosion can be determined via the measured "open circuit" potential of the zinc anode against a reference electrode placed on the surface from the outside - eg an Ag/AgCl, 3M KCl electrode (example 12).
  • the values are in the range from -400 mV to - 500 mV Ag/AgCl, in the absence of autocorrosion the values are close to the theoretical value of - 900 mV against Ag/AgCl, in any case more negative than - 600 mV. Values between -800 and -600 mV vs. Ag/AgCl were measured. It was found that the admixture of CQDs does not cause increased auto-corrosion of the zinc anode, as the results presented in example 12 show.
  • a further advantage of admixing CQD's lies in a significantly lower sensitivity of the currents to the relative humidity of the ambient air, as shown by the influence of the storage humidity of concrete slabs provided with a conductive coating as described in example 2 on a constant applied voltage (2 - 4 volts) measured currents shows (Example 13): Storage of the concrete slabs with a CQD content of 0.018% by weight at 45% - 54% relative humidity resulted in currents of approx. 0.5 - 1.5 mA/m2 after 6 months of operation , in the absence of CQD's in the conductive composite paint, these were about 0.3-0.7 mA/m 2 at an applied voltage of 4 volts (Example 13).
  • the low sensitivity of the galvanic currents to the external humidity has enormous advantages: In most concrete components, not only the steel reinforcement near the surface has to be protected against corrosion, but also the deeper steel reinforcement, which is in a humid environment even when the outside air is dry, especially if it contains chloride contaminated concrete. Reliable corrosion protection for the low-lying steel reinforcement, even in dry outdoor conditions, is therefore a very big advantage.
  • the admixing of CQDs also had an effect on the strengths, in particular on the tensile adhesive strengths, of the embedding binder used in Examples 8-13: as the results presented in Examples 14 and 15 show.
  • Good results were achieved with binders based on EP 2 313352 A1 (see example 8), with a molar ratio of S1O 2 /Al 2 O 3 ⁇ 20, preferably ⁇ 15, a weight ratio Si0 2 /(Ca0+Mg0+Al 2 0 3 ) ⁇ 10, preferably ⁇ 5, a Ca/Si molar ratio of ⁇ 2, preferably ⁇ 1, and galvanic metal anodes made of zinc alloys.
  • Suitable CQD's are described for example in Shouvik Mitra, Sourov Chandra, Shaheen H. Pathan, Narattam Sikdar, Panchanan Pramanik and Arunava Goswami in RSC Advances (2013), 3, 3189-3193.
  • Suitable CQD's are, for example, CQD's produced by polycondensation of polyethers, carbohydrates, chitosan as already mentioned above and as in Persia Ada N. de Yro,a, Beejay T. Salon, Blessie A. Basilia, Mark Daniel de Luna and Peerasak Paoprasert, MATEC Web of Conferences (2016) 43, 4002; Hui Peng and Jadranka Travas-Sejdic, Chem.
  • Material properties can be modified particularly advantageously with surface-modified CQDs, such as with N-doped CQDs [Xin Liu, Jinhui Pang, Feng Xu &
  • a preferred preparation of CQD's that can be used in the compositions of the invention is based on the description in Ji Chen, S.K. Spear, J.G. Hauddleston and R.D. Rogers, "Polyethylene glycol and solutions of polyethylene glycol as green reaction medis", Green Chem. (2005) 7, 64 - 82:
  • Polyethylene glycol (PEG) is mixed with alkali hydroxide, e.g. B. KOH or LiOH.
  • the PEGs condense around the alkali ion to form polycyclic aromatics and subsequently to CQDs. This allows CQD colloids with concentrations of up to 10% by weight to be produced directly; further concentration and purification can be carried out by dialysis.
  • CQDs can be characterized by their optical properties, UV-VIS absorption spectrum and/or fluorescence spectrum, as for example in [Qin Hu, Xiaojuan Gong, Lizhen Liu, and Martin MF Choi, Characterization and Analytical Separation of Fluorescent Carbon Nanodots, Hindawi Journal of Nanomaterials , (2017) Volume 2017, Article ID 1804178, 1 - 23].
  • CQD's show an absorption shoulder at about 260 nm with a molar extinction coefficient of about 1 x 10 6 M 1 cnr 1 and a photoluminescence in the range of 350 - 700 nm with an emission maximum in the range of 400 - 600 nm, depending on the particle size .
  • the particle size of the CQD's can vary between 1 and 10 nm, that of CQD molecules between 3 and 100 nm with an average molecular weight of 100 to 100,000 daltons, preferably from 500 to 50,000 daltons. Due to the particle size show CQD's and CQD molecules characteristic quantum effects. As defined above, CQD's and CQD molecules are referred to here as CQD's.
  • CQDs allow the detection of, for example, iron (III) (rust), the determination of the pH value, nitrite, silver, mercury and copper.
  • Solids according to the invention with CQD contents thus allow the substances and values listed above to be detected and determined on their surface or via suitable embedded optical sensors in the interior of the solids according to the invention.
  • a further application according to the invention is the imparting of fluorescent properties by a content of QDs, preferably by a content of CQDs.
  • the change in the solid properties due to the content of CQDs is based on the specific properties of the CQDs as QDs, in particular their quantum-specific properties. CQD's are easy and cheap to produce, so the same or similar changes in solid properties can be achieved by QD's in general.
  • the change according to the invention in the properties of mixtures, in particular of solid mixtures, through a content of CQDs can generally be applied according to the invention to solid mixtures, such as their production and/or by impregnating them with CQDs, e.g. a CQD colloid.
  • Material properties such as strength, adhesive strength, electrical conductivity and electrochemical properties such as electrolytic conductivity, polarization resistance, galvanic activity of embedded metal electrodes can be specifically modified by mixing and adding CQDs.
  • the invention also relates to the use of the composition according to the invention for building purposes, preferably the use in a building material, particularly preferably in an artificial building material. Most preferred among the uses is the use of the composition of the present invention in a paint, coating agent, binder, concrete or mortar.
  • a concrete slab 40 ⁇ 40 ⁇ 4 cm was coated on one half 40 ⁇ 19.5 cm with an electrically conductive coating containing aluminosilicate according to EP 1 068 164 A2 (850 g/m 2 ) containing 0.5% by weight of a CQD Polyoxyethylene colloid with a CQD content of 1% by weight had been admixed.
  • the electrically conductive coating containing aluminosilicate according to EP 1 068 164 A2 was produced as follows: Component A:
  • Potassium silicate solution (24.5% Si0 2 , 24.8% K 2 0) 200.00 50% aqueous dispersion of a polystyrene-acrylic ether copolymer 290.00
  • Component B Ingredient parts by weight sodium aluminate 6.28 sodium hydroxide 1.05 demineralized water 17.36
  • Component A and Component B were mixed in a ratio of 45:1 with stirring.
  • the same conductive coating mixed with 0.5% of the same polyoxyethylene (POE) was applied as a reference. In each case 800 g/m2 of conductive coating was applied. The coatings were cured at 75% relative humidity for 2 weeks.
  • the electrical surface conductivity was measured at 1 kHz with an impedance measuring device by pressing test tips into the conductive coating with a test tip distance of 5 cm.
  • the tensile strength was determined based on EN 13892-8.
  • a concrete slab 40 x 20 x 4 cm was coated on one side with an electrically conductive coating containing aluminosilicate according to EP 1 068 164 A2, on the opposite side the same conductive coating with a CQD content of approx. 0.01% by weight was applied. applied.
  • the CQD's were added as a polyoxyethylene colloid with a CQD content of 2% by weight.
  • the same test specimen was produced with the same conductive coating on both sides - i.e. a conductive coating without CQDs. In each case 800 g/m2 of conductive coating was applied.
  • the coatings were cured at 75% relative humidity for 2 weeks and the coated concrete slabs were then stored at 50% relative humidity for 2 months.
  • Resistivity (Ohm. cm) (2 Volts x A)/Current x L)
  • the tensile bond strengths (MTS) of the conductive coating were measured: The tensile mix of CQD's acted to increase the adhesion of the conductive coating to the concrete.
  • a so-called primer also known as a primer
  • a primer is applied to increase adhesion.
  • the primer does not form a coating, but is absorbed by the concrete cover capillary - the concrete surface is impregnated with the primer.
  • An alkaline aqueous potassium silicate solution 24.5% SiO 2 , 24.8% K 2 O diluted with water 1:6 was used as a primer.
  • a primer was applied as in Example 3 prior to application of the conductive coating.
  • a primer was used alkaline aqueous solution of potassium silicate used. In each case 200 g of primer/m2 of concrete surface were applied.
  • the conductive coating was applied as described in Example 4 24 hours after application of the primer.
  • the underside of the concrete slab was coated with the electrically conductive paint without the application of a primer.
  • a primer was applied as in Example 3 prior to application of the conductive coating.
  • an alkaline aqueous solution of potassium silicate was used as the primer.
  • 200 g of primer/m2 of concrete surface were applied.
  • the conductive coating was dried as described in example 4 for 24 hours applied after applying the primer.
  • the underside of the concrete slab was coated with the electrically conductive paint without the application of a primer.
  • the primer being an alumino-silicate primer which was prepared by mixing the alkali silicate primer according to example 3 with component B according to example 1 in a mixing ratio of 30:1. Approx. 200 g alumino-silicate primer/m 2 concrete surface was applied. After a curing time of 14 days, a voltage of 2 volts was applied first and then 3 volts after the measured current had stabilized.
  • the direct current that flowed between the anode and cathode was calculated, and from this the specific resistance was calculated.
  • the impedances were measured after switching off the direct current or interrupting the applied voltage. Bond strengths were measured using a PROCEQ Dyna Z16 and 3M DP 100 epoxy adhesive.
  • the admixture of the CQD's causes a significant reduction in the DC resistance while the impedance increases - this indicates that the CQD's primarily lower the polarization resistance.
  • the CQD's cause a significant increase in bond strength 77 days after application of the composite paint.
  • the concrete specimens were 1 month at 99% rel. Humidity and then stored dry for 2 months in the laboratory (RT, relative humidity approx. 45%).
  • the concrete test specimen was coated with a binder according to the invention, consisting of 2 components and a filler (crushed marble sand 0.2-0.5 mm).
  • the binder was made as follows:
  • a zinc grid anode (99.9% zinc, mesh size 7 mm, wire thickness 1.1 mm) was installed on the concrete test specimen by first applying the binder according to the invention with a layer thickness of 2 mm and then placing the zinc grid (26 ⁇ 19 cm). was and then the zinc grid was embedded by applying another 4 mm of the binder according to the invention. An electrical connection was made by soldering on a 1.5 mm2 copper wire with a length of approx. 2 m. An electrical connection to the reinforced steel grid was also established.
  • a binder according to EP 2313352 A1 with an SiO 2 /(CaO+MgO+Al 2 O 3 ) ratio of 1.7 and a molar SiO 2 /Al 2 O 3 ratio of 12 was used for embedding the zinc lattice.
  • the CQD's were added as a colloid - suspended in polyoxyethylene - to Component B in the following amounts:
  • the concentration of the CQD's was determined spectrophotometrically using UV/VIS spectroscopy.
  • the CQD's have an absorption peak at 260 nm with an extinction coefficient of 1.3*10 6 mol 1 cnr 1 .
  • the embedded zinc anode according to the invention (EZ anode) produced in this way and applied to the concrete test specimen was stored at 99% relative humidity for 1 week. After the EZ anode had hardened, a one meter long copper wire with a wire cross section of 1.5 mm2 was soldered on with an Sn/Zn solder.
  • the concrete specimen fitted with the EZ anode was stored at 75% relative humidity. Before commissioning, the electrochemical potentials of the reinforcing steel and the zinc anode were measured.
  • the EZ anode was powered up by connecting the EZ anode and the rebar as the cathode via the copper strands with a 0.1 ohm shunt resistor in between.
  • the galvanic current flowing between the EZ anode and the reinforcement steel was measured using an operational amplifier and recorded using a data logger. The following results were achieved:
  • the influence of CQD's on the galvanic current was measured between a zinc anode embedded in an alumino-silicate binder (SEZAC from CAS Composite Anode Systems GmbH) and reinforcing steel embedded in concrete as described in example 8 over a period of 14 months :
  • SEZAC zinc anode embedded in an alumino-silicate binder
  • the results show that the admixture of 0.018% by weight of CQDs to the embedding binder matrix increases the galvanic currents significantly with increasing service life and with decreasing current densities.
  • the increase in galvanic activity and thus the increase in galvanic currents is a great advantage, especially with low galvanic currents.
  • the results show that the activity of the CQD's does not decrease with the operating time.
  • Example 9 an EZ anode was applied to a concrete test panel having a chloride content of 3% wt/cement wt.
  • a binder as in example 9 with a SiO 2 /(CaO + MgO + Al 2 O 3 ) ratio of 1.5 and a SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of 15 was used.
  • the mixing ratio of component A to component B and to the filler (marble sand 0.2-0.5 mm) was 1.0/0.5/1.0, as in Example 8.
  • Sample 10.1. was obtained by coating with a binder to which a 1.9% CQD colloid was added.
  • the EZ anode was started up as described in example 8 and the galvanic currents were recorded every 30 minutes. The following results were achieved:
  • an EZ anode was installed on a concrete test panel.
  • the same concrete was used, but without the addition of sodium chloride, i.e. chloride-free.
  • a binder as in example 8 with a SiO 2 /(CaO + MgO + Al 2 O 3 ) ratio of 2 and a SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of 9 was used.
  • the mixing ratio of component A to component B and to the filler (marble sand 0.2-0.5 mm) was 1.0/0.5/1.0, as in example 9.
  • the EZ anode was started up as described in example 8 and the galvanic currents were recorded every 30 minutes. The following results were achieved:
  • a zinc grid is embedded as a zinc anode in the alumino-silicate binder described in Example 8, doped with different QND contents.
  • the electrochemical potential was measured against a standard Ag/AgCl reference electrode, which was placed on the embedded zinc anode using a moistened sponge. The measurement was made with a FLUKE 287 multimeter with a measuring impedance of 10 MegaOhm.
  • Example 13 A composite anode as described in Example 2 was applied to the top of a concrete slab (20 ⁇ 10 ⁇ 2 cm), and a composite anode to which 0.018% by weight of CQDs had been mixed was applied to another identical concrete slab.
  • the same conductive composite paint was applied to the underside of the concrete slabs as to the top of the concrete slab, without the admixture of CQD's.
  • the conductive paint applied on the top was polarized as anode, the conductive paint applied on the bottom was polarized as cathodic.
  • the current was supplied via 1 cm wide and 0.25 mm thick lead strips embedded in the composite anode, which were connected to a digitally controllable DC power supply unit via soldered 1.5 mm 2 copper strands. Currents were recorded by a Grant 2020 Series data logger.
  • One half of a standard concrete slab 40 cm x 40 cm x 4 cm was coated with the binder described in Example 8 according to EP 2313352 A1 with a layer thickness of 6 mm: one half (19 cm x 40 cm) was coated with the binder without CQD - Additive applied, on the second half (19 cm x 40 cm) the binder was applied with an additive of 0.04% CQD's.
  • Half of a standard concrete slab 40 cm x 40 cm x 4 cm was coated as described in example 14 with the binder described in example 8 according to EP 2313352 A1 with a layer thickness of 6 mm: on one half (19 cm x 40 cm) was applied with the binder without CQD additive, but with a polyalkyl ether additive of 1.33% by weight. The binder with polyalkyl ether additive and additional was applied to the second half (19 cm ⁇ 40 cm). applied with an addition of 0.03% CQD's.

Abstract

The invention relates to a composition for building purposes, comprising 0.001 – 2 wt.% of carbon quantum dots. Furthermore, the use of the composition is provided in a paint composition, coating agent, binder, concrete or mortar.

Description

Zusammensetzung mit Carbon-Quantum-Dots (CQD’s) Composition with Carbon Quantum Dots (CQD's)
Die Erfindung betrifft Zusammensetzungen, die Carbonquantumdots (CQD’s) enthalten. Der Gehalt an CQD’s bewirkt eine gezielte Modifikation der Eigenschaften der Feststoff- Mischung wie zum Beispiel der elektrischen Leitfähigkeit, der lonenleitfähigkeit, des Polarisationswiderstandes, der Haftung auf festen Untergründen gemessen als Haftzugsfestigkeit, von galvanischen Strömen von galvanischen Metall-Anoden, vorzugsweise von Zinkanoden, etc. The invention relates to compositions containing carbon quantum dots (CQD's). The content of CQD's causes a targeted modification of the properties of the solid mixture, such as electrical conductivity, ion conductivity, polarization resistance, adhesion to solid substrates measured as tensile strength, galvanic currents from galvanic metal anodes, preferably zinc anodes, etc .
Vorteilhaft sind Änderungen der Materialeigenschaften wie zum Beispiel Festigkeit, Haftzugsfestigkeiten, elektrische Leitfähigkeit und Änderungen der elektrochemischen Eigenschaften wie z.B. lonenleitfähigkeit, Polarisationswiderstand, galvanische Aktivität von galvanischen Metallanoden, vorzugsweise von Zinkanoden. Changes in the material properties such as strength, tensile strength, electrical conductivity and changes in the electrochemical properties such as ionic conductivity, polarization resistance, galvanic activity of galvanic metal anodes, preferably zinc anodes, are advantageous.
Gemäß allgemein anerkannter Definition ist ein Quantum-Dot (QD) eine nanoskopische Materialstruktur. Ladungsträger (Elektronen, Löcher) in einem Quantenpunkt sind in ihrer Beweglichkeit in allen drei Raumrichtungen so weit eingeschränkt, dass ihre Energie nicht mehr kontinuierliche, sondern nur noch diskrete Werte annehmen. Typischerweise beträgt ihre eigene atomare Größenordnung etwa 104 Atome. Mehrere QD’s können sich zu Agglomeraten - Quantendotmolekülen - verbinden [Somnath Koley, Jiabin Cui, Yossef E. Panfil, and Uri Banin, acc. Chem. Res. (2021), 54, 5, 1178 - 1188] Quantum-Dots sind Minikristalle mit Kantenlängen von etwa drei Nanometern, die sich wie ein einzelnes Atom mit kurzwelligem Licht zur Fluoreszenz anregen lassen. In welcher Farbe ein Quantum-Dot leuchtet, hängt von seiner Größe ab: Ein Kristall mit zwei Nanometern Durchmessern strahlt kurzwelligeres Licht ab, als einer aus denselben Atomen mit einem Durchmesser von acht Nanometern [Qin Hu, Xiaojuan Gong, Lizhen Liu, and Martin M. F. Choi, Hindawi, Journal of Nanomaterials (2017), Volume 2017, Article ID 1804178] According to the generally accepted definition, a quantum dot (QD) is a nanoscopic material structure. Charge carriers (electrons, holes) in a quantum dot are restricted in their mobility in all three spatial directions to such an extent that their energy no longer assumes continuous but only discrete values. Typically, their own atomic scale is about 10 4 atoms. Several QD's can combine to form agglomerates - quantum dot molecules - [Somnath Koley, Jiabin Cui, Yossef E. Panfil, and Uri Banin, acc. Chem. Res. (2021), 54, 5, 1178 - 1188] Quantum dots are mini-crystals with edge lengths of around three nanometers that can be excited to fluoresce like a single atom with short-wave light. The color of a quantum dot depends on its size: a two-nanometer diameter crystal emits shorter-wavelength light than one composed of the same atoms with a diameter of eight nanometers [Qin Hu, Xiaojuan Gong, Lizhen Liu, and Martin MF Choi, Hindawi, Journal of Nanomaterials (2017), Volume 2017, Article ID 1804178]
Carbon-Quantum-Dots (CQD's) sind eine neue Klasse von fluoreszierenden Kohlenstoff- Nanomaterialien, sie besitzen die attraktiven Eigenschaften von hoher Stabilität, gute Leitfähigkeit, geringe Toxizität, Umweltfreundlichkeit, einfache Synthesewege sowie vergleichbare optische Eigenschaften zu Quantenpunkten. CQD's werden auf Grund ihrer starken und abstimmbaren Fluoreszenzemissionseigenschaften in der Biomedizin, Optronics, Katalyse und Sensorik eingesetzt [Wang, Youfu; Hu, Aiguo (2014). Journal of Materials Chemistry C. 2 (34), 6921] CQD's lassen sich unter anderem auch aus Alltagsmaterialien gewinnen wie zum Beispiel aus Polyethylenglycol (PEG), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Rinderalbumin, Ascorbinsäure, Citronensäure, Chitosan, Carregan Pulver, etc. [Wang, Youfu; Hu, Aiguo (2014) Journal of Materials Chemistry C (2014), 2, 69213][Raz Jelinek , Carbon Quantum Dots, Springer International Publishing Switzerland, 22. April 2018] Ferner sind CQD’s kommerziell, z.B. bei Sigma-Aldrich Co.Carbon Quantum Dots (CQD's) are a new class of fluorescent carbon nanomaterials that possess the attractive properties of high stability, good conductivity, low toxicity, environmental friendliness, simple synthesis routes, and comparable optical properties to quantum dots. Due to their strong and tunable fluorescence emission properties, CQDs are used in biomedicine, optronics, catalysis and sensors [Wang, Youfu; Hu, Aiguo (2014). Journal of Materials Chemistry C. 2 (34), 6921] CQDs can also be obtained from everyday materials such as polyethylene glycol (PEG), polyvinylpyrrolidone (PVP), bovine albumin, ascorbic acid, citric acid, chitosan, carregan powder, etc. [Wang, Youfu; Hu, Aiguo (2014) Journal of Materials Chemistry C (2014), 2, 69213] [Raz Jelinek, Carbon Quantum Dots, Springer International Publishing Switzerland, April 22, 2018] Furthermore, CQD's are commercially available, e.g. at Sigma-Aldrich Co.
(eine Tochter der Merck KGaA) als 0,2% wässriges Kolloid mit einer Quanteneffizienz von 5% und einer Fluoreszenz em 450 - 550 nm, erhältlich. (a subsidiary of Merck KGaA) as a 0.2% aqueous colloid with a quantum efficiency of 5% and a fluorescence em 450 - 550 nm.
Über den Einsatz von CQD's zur Modifizierung von Materialien und Materialeigenschaften, insbesondere von Zusammensetzungen für Bauzwecke von Mischungen, insbesondere von Feststoffen und/oder von Elektrolyten ist noch nichts bekannt, beispielsweise deren Verbesserung der Leitfähigkeit und des Polarisationswiderstandes, deren Festigkeit oder der Haftung auf festen Untergründen. Nothing is yet known about the use of CQDs to modify materials and material properties, in particular compositions for construction purposes of mixtures, in particular solids and/or electrolytes, for example their improvement in conductivity and polarization resistance, their strength or adhesion to solid substrates .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Zusammensetzung bereitzustellen, deren Leitfähigkeit und Polarisationswiderstand sowie deren Haftung auf festen Untergründen verbessert ist und die insbesondere für Bauzwecke eingesetzt werden kann.The object of the present invention is therefore to provide a composition whose conductivity and polarization resistance and whose adhesion to solid substrates is improved and which can be used in particular for construction purposes.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Zusammensetzung gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Zusammensetzung sind in den Unteransprüchen angegeben. This object is achieved by a composition according to claim 1. Preferred configurations of the composition are specified in the dependent claims.
Überraschenderweise zeigte sich, dass durch geringe bis sehr geringe Gehalte an CQD’s sich Materialeigenschaften, insbesondere von Feststoffen gezielt modifizieren lassen, wie zum Beispiel elektrolytische und/oder elektrische Leitfähigkeit, Polarisationswiderstand, Haftzugsfestigkeiten, Druckfestigkeiten, Elastizität, Duktilität, Aktivität von im erfindungsgemäßen Feststoff eingebetteten galvanischen Metall-Anoden, vorzugsweise Zinkanoden, etc. Surprisingly, it was found that low to very low levels of CQD's can be used to specifically modify material properties, in particular of solids, such as electrolytic and / or electrical conductivity, polarization resistance, adhesive strength, compressive strength, elasticity, ductility, activity of galvanic embedded in the solid according to the invention Metal anodes, preferably zinc anodes, etc.
Die Zumischung bereits geringer Mengen an CQD’s zu Mischungen bewirkt signifikante Änderungen der Materialeigenschaften, zum Beispiel von Feststoffmischungen aber auch von elektrochemischen Systemen, die CQD-haltige Elektrolytlösungen und/oder Elektroden enthalten. The admixture of even small amounts of CQDs to mixtures causes significant changes in the material properties, for example of solid mixtures but also of electrochemical systems that contain CQD-containing electrolyte solutions and/or electrodes.
Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen enthalten vorzugsweise mindestens eine chemische Verbindung oder eine Mischung chemischer Verbindungen, ausgewählt aus anorganischen chemischen Substanzen wie z.B. Silikate, Siliziumdioxid, Aluminate, Alumosilikate, Carbonate, Kohlenstoff, Graphit, etc., aus organischen chemischen Substanzen wie z.B. Polymere (z.B. Polyamid, Polyurethane etc.), Harze (Acrylharze, Epoxidharze, etc.), Cellulose, Silicone, Silicon Kautschuk, etc. Sie können auch Metalle in Form von Pulvern, Fasern etc. enthalten. Der erfindungsgemäße Feststoff weist mindestens eine Eigenschaft ausgewählt aus hart, weich, spröde, elastisch, plastisch, verformbar auf. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Zusammensetzung für Bauzwecke ein Baustoff, insbesondere ein künstlicher Baustoff. Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Zusammensetzung für Bauzwecke ein Anstrichmittel, Beschichtungsmittel, Bindemittel,The compositions according to the invention preferably contain at least one chemical compound or a mixture of chemical compounds selected from inorganic chemical substances such as silicates, silicon dioxide, aluminates, aluminosilicates, carbonates, carbon, graphite, etc., from organic chemical substances such as polymers (e.g. polyamide, Polyurethanes, etc.), resins (acrylic resins, epoxy resins, etc.), cellulose, silicones, silicone rubber, etc. They can also contain metals in the form of powders, fibers, etc. The solid according to the invention has at least one property selected from hard, soft, brittle, elastic, plastic, deformable. The composition according to the invention for building purposes is preferably a building material, in particular an artificial building material. The composition according to the invention for building purposes is preferably a paint, coating material, binder,
Beton oder Mörtel. concrete or mortar.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Zusammensetzung für Bauzwecke flüssig, insbesondere viskos. Die Zusammensetzung härtet bevorzugt bei Raumtemperatur innerhalb von drei Wochen aus, besonders bevorzugt innerhalb von einer Woche, am meisten bevorzugt innerhalb von vier Tagen. Der Gehalt an CQD’s kann durch Imprägnieren der Feststoff-Mischung, beispielsweise mit einer Flüssigkeit in der die CQD’s suspendiert sind, vorzugsweise kolloidal, erreicht werden. Eine weitere Methode gemäß der Erfindung ist es, die CQD’s bei der Herstellung des Festkörpers zuzumischen, z.B. zu dem Rohstoff oder den Rohstoffen, aus denen der erfindungsgemäße Festkörper hergestellt wird. Bevorzugt werden die CQD’s als Suspension, vorzugsweise als Kolloid, in einer geeigneten Flüssigkeit dem Rohstoff oder den Rohstoffen beigemischt. Eine weitere bevorzugte Methode ist es, dem Rohstoff oder den Rohstoffen geeignete Stoffe beizumischen, sodass die CQD’s in situ bei der Herstellung oder Bildung der erfindungsgemäßen Mischung entstehen. The composition according to the invention for building purposes is preferably liquid, in particular viscous. The composition preferably cures at room temperature within three weeks, more preferably within one week, most preferably within four days. The CQD's content can be achieved by impregnating the solid mixture, for example with a liquid in which the CQD's are suspended, preferably colloidally. Another method according to the invention is to admix the CQDs during the manufacture of the solid, e.g. to the raw material or raw materials from which the solid according to the invention is produced. The CQDs are preferably added to the raw material or raw materials as a suspension, preferably as a colloid, in a suitable liquid. A further preferred method is to admix suitable substances to the raw material or raw materials, so that the CQDs arise in situ during the production or formation of the mixture according to the invention.
CQD’s weisen üblicherweise eine Größe von 1 - 10 nm auf, sie können zu CQD Molekülen agglomerieren, mit Partikelgrößen bis 100 nm. Der Einfachheit halber werden sowohl singuläre als auch CQD Agglomerate wie zum Bespiel CQD Moleküle im Folgenden als CQD’s bezeichnet. CQDs usually have a size of 1 - 10 nm, they can agglomerate into CQD molecules with particle sizes up to 100 nm. For the sake of simplicity, both singular and CQD agglomerates such as CQD molecules are referred to as CQDs in the following.
Die CQD’s weisen vorzugsweise eine Partikelgröße von > 1 nm, vorzugsweise von > 3 nm auf. Sie enthalten Kohlenstoff und bei Anregung mit elektromagnetischen Strahlen, z.B. UV- Licht strahlen sie Fluoreszenzlicht im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 700 nm ab, vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 600 nm. Agglomerate von CQD’s - sogenannte Quantendotmoleküle - verhalten sich als CQD’s und werden als solche bezeichnet, können jedoch als Quantendotmoleküle Partikelgrößen > 10 nm aufweisen.The CQDs preferably have a particle size of >1 nm, preferably >3 nm. They contain carbon and when excited with electromagnetic radiation, e.g. UV light, they emit fluorescent light in the wavelength range from 380 nm to 700 nm, preferably in the wavelength range from 400 nm to 600 nm. Agglomerates of CQDs - so-called quantum dot molecules - behave as CQDs and are referred to as such, but as quantum dot molecules can have particle sizes> 10 nm.
Unter UV-Licht wird im Sinne der Erfindung Licht mit einer Wellenlänge < 400 nm verstanden, insbesondere Licht mit einer Wellenlänge von 100 - 380 nm. In the context of the invention, UV light is understood to mean light with a wavelength of <400 nm, in particular light with a wavelength of 100-380 nm.
Die Erfindung zeichnet sich in einer bevorzugten Ausführungsform dadurch aus, dass durch den Gehalt an CQD’s Materialeigenschaften ausgewählt aus Festigkeit, Haftzugsfestigkeit, elektrolytische Leitfähigkeit, Polarisationswiderstand, galvanische Aktivität eingebetteter Metallelektroden, elektrische Leitfähigkeit gezielt modifiziert werden wobei die angeführte Auswahl beispielhaft und nicht abschließend ist. CQD's im Sinne der Erfindung sind CQD’s gemäß dem Stand der Technik wie bereits beschrieben, und zum Beispiel beschrieben in Raz Jelinek, Carbon Quantum Dots, Springer International Publishing Switzerland, 22. April 2018. The invention is characterized in a preferred embodiment in that the content of CQD's material properties selected from strength, tensile strength, electrolytic conductivity, polarization resistance, galvanic activity of embedded metal electrodes, electrical conductivity are modified in a targeted manner, with the selection given being exemplary and not conclusive. CQD 's within the meaning of the invention are CQD's according to the prior art as already described and described, for example, in Raz Jelinek, Carbon Quantum Dots, Springer International Publishing Switzerland, April 22, 2018.
Die CQD’s werden vorzugsweise in dem Medium hergestellt, in dem die CQD’s zu dem oder den Rohstoffen zugemischt oder mit dem der Feststoff imprägniert werden. Eine von mehreren erfindungsgemäßen Methoden zur Herstellung einer erfindungsgemäßen CQD- Suspension umfasst den Schritt, die CQD’s aus dem Medium zu synthetisieren, indem die sie in weiterer Folge suspendiert sind. Das Medium ist somit sowohl die Flüssigkeit, in dem die CQD’s suspendiert sind als auch zumindest einer der Rohstoffe, aus dem die CQD’s hergestellt werden. Ein solches Medium sind zum Beispiel Polyether, aus denen durch oxidative Polykondensation CQD’s hergestellt werden, wie allgemein bekannt ist. Dazu werden zum Beispiel Polyethylenglykole (PEG) mit Alkalihydroxiden versetzt. Die PEG kondensieren um das Alkali Ion zu polycyclischen Aromaten und in weiterer Folge zu CQD’s. Details sind z.B. in Ji Chen, S. K. Spear, J. G., Huddleston and R. D. Rogers, „Polyethylene glycol and Solutions of polyethylene glycol as green reaction media“, Green Chem., 2005, 7, 64-82 beschrieben. The CQD's are preferably produced in the medium in which the CQD's are mixed with the raw material(s) or with which the solid is impregnated. One of several methods according to the invention for producing a CQD suspension according to the invention comprises the step of synthesizing the CQDs from the medium in which they are subsequently suspended. The medium is thus both the liquid in which the CQDs are suspended and at least one of the raw materials from which the CQDs are made. Such a medium are, for example, polyethers, from which CQDs are produced by oxidative polycondensation, as is generally known. For this purpose, for example, polyethylene glycols (PEG) are mixed with alkali metal hydroxides. The PEGs condense around the alkali ion to form polycyclic aromatics and subsequently to CQDs. Details are described, for example, in Ji Chen, S.K. Spear, J.G., Huddleston and RD Rogers, "Polyethylene glycol and Solutions of polyethylene glycol as green reaction media", Green Chem., 2005, 7, 64-82.
Gute Ergebnisse wurden bei der Verwendung von Polyethylenglykol als Polyether erzielt, wobei die Eigenschaften der gebildeten CQD’s über das Kation (z.B. Li, Na, K, Rb, Cs) und die Konzentration des zugegebenen Alkalihydroxids gesteuert werden konnte. Derartig hergestellte CQD-Kolloide zeigten eine Fluoreszenz im Bereich von 380 bis 600 nm, insbesondere 400 - 600 nm, bevorzugt mit einem Peak im Bereich von 450 nm bis 550 nm.Good results were achieved when using polyethylene glycol as the polyether, whereby the properties of the CQDs formed could be controlled via the cation (e.g. Li, Na, K, Rb, Cs) and the concentration of the alkali hydroxide added. CQD colloids produced in this way showed fluorescence in the range from 380 to 600 nm, in particular 400-600 nm, preferably with a peak in the range from 450 nm to 550 nm.
Derart hergestellte CQD-Suspensionen bzw. -Kolloide hatten einen CQD-Gehalt von 0,1 Gew.-%. bis 10 Gew.-%, näherungsweise bestimmt über den bekannten molaren Extinktionskoeffizienten von 1,2 x 106 M 1cnr1 bei 265 nm. CQD suspensions or colloids produced in this way had a CQD content of 0.1% by weight. up to 10% by weight, approximately determined using the known molar extinction coefficient of 1.2 x 10 6 M 1 cnr 1 at 265 nm.
Beim Eintrag in eine elektrisch leitfähige Beschichtung nach EP 1 068 164 A1 (Beispiel 1) zeigte sich überraschenderweise, dass ein Gehalt von CQD’s sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch die Haftzugsfestigkeiten der Beschichtung auf Beton deutlich erhöht und weiters die elektrolytische Leitfähigkeit der Betonüberdeckung, auf die die leitfähige Beschichtung aufgebracht wurde, nicht nur erhöht sondern auch in trockener Umgebung (45% relative Feuchte) die elektrolytische Leitfähigkeit stabilisiert, sodass sie weitaus weniger abnimmt als in Abwesenheit von CQD’s (Beispiele 1 - 7). When entering an electrically conductive coating according to EP 1 068 164 A1 (Example 1), it was surprisingly found that a content of CQD's significantly increases both the electrical conductivity and the tensile strength of the coating on concrete and also the electrolytic conductivity of the concrete covering on which the conductive coating was applied not only increases but also stabilizes the electrolytic conductivity in a dry environment (45% relative humidity), so that it decreases far less than in the absence of CQD's (Examples 1 - 7).
Überraschenderweise wirken sich bereits geringe bis sehr geringe Gehalte CQD’s auf die Materialeigenschaften aus. Bereits ein Gehalt an 0,5% einer 0,5%igen CQD-Suspension in Polyethylenglykol bewirkte signifikante Erhöhung der Haftzugsfestigkeit (von 0,4 auf 1 ,2 MPa), eine Abnahme des elektrischen Flächen-Widerstandes der Beschichtung (100 Ohm/square auf 25 Ohm/square) (Beispiel 1). Auch Gehalte von 0,08% wirken sich sowohl auf die Polarisationswiderstände (DC-Widerstand) als auch auf die Haftzugsfestigkeiten vorteilhaft aus (Beispiel 6). Surprisingly, even low to very low CQD contents have an effect on the material properties. Even just 0.5% of a 0.5% CQD suspension in polyethylene glycol caused a significant increase in adhesive strength (from 0.4 to 1.2 MPa), a decrease in the surface electrical resistance of the coating (100 ohms/square to 25 ohms/square) (Example 1). Contents of 0.08% also have an advantageous effect both on the polarization resistance (DC resistance) and on the tensile strength (Example 6).
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung für Bauzwecke umfasst 0,001 - 2 Gew.-% Carbon-Quantum-Dots, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung. Bevorzugt enthält die erfindungsgemäße Zusammensetzung 0,005 - 0,5 Gew.-%, weiter bevorzugt 0,01 - 0,3 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,015 - 0,25, insbesondere 0,02 - 0,2 Gew.-% Carbon-Quantum-Dots, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung. The composition for building purposes according to the invention comprises 0.001-2% by weight of carbon quantum dots, based on the total weight of the composition. The composition according to the invention preferably contains 0.005-0.5% by weight, more preferably 0.01-0.3% by weight, particularly preferably 0.015-0.25% by weight, in particular 0.02-0.2% by weight of carbon -Quantum dots based on the total weight of the composition.
Elektrisch leitfähige wasserdampf- und gasdurchlässige Beschichtungen auf Beton, insbesondere wenn sie anodisch polarisierbar sind, werden für den Korrosionsschutz der Stahlbewehrung eingesetzt. Umgebungsfeuchten von < 65 % relativer Feuchte bewirken eine Erhöhung des elektrolytischen Widerstandes im Oberflächenbereich des Betons, auf den die elektrisch leitfähige Beschichtung aufgetragen ist. Die Ursache liegt in der Austrocknung des Oberflächenbereichs des Betons infolge der Wasserdampfdiffusion, möglicherweise verstärkt durch Elektroosmose. Die Austrocknung der Grenzfläche Beton/Anstrich bewirkt zudem eine Erhöhung des Polarisationswiderstandes, der als Teil des Gleichstromwiderstand gemessen werden kann. Teil des Polarisationswiderstandes ist auch der Transferwiderstand von der Elektrode zum Elektrolyten. Die Erhöhung des elektrolytischen Wderstandes der Betonüberdeckung und des Polarisationswiderstandes erniedrigt die Wrksamkeit des Korrosionsschutzes der Stahl bewehrung durch Erniedrigung des Stromflusses zwischen leitfähiger Beschichtung und Stahlbewehrung. Zudem kann dies zu Betonschäden an der Grenzfläche elektrisch leitfähige Beschichtung/Beton infolge Säureangriffs auf den Beton durch anodisch gebildete Säure führen. Electrically conductive coatings on concrete that are permeable to water vapor and gas, especially if they can be anodically polarized, are used to protect the steel reinforcement from corrosion. Ambient humidity of < 65% relative humidity causes an increase in the electrolytic resistance in the surface area of the concrete to which the electrically conductive coating is applied. The cause lies in the drying out of the surface area of the concrete as a result of water vapor diffusion, possibly enhanced by electro-osmosis. The drying out of the concrete/paint interface also causes an increase in the polarization resistance, which can be measured as part of the DC resistance. Part of the polarization resistance is also the transfer resistance from the electrode to the electrolyte. The increase in the electrolytic resistance of the concrete cover and the polarization resistance decreases the effectiveness of the corrosion protection of the steel reinforcement by reducing the current flow between the conductive coating and the steel reinforcement. In addition, this can lead to concrete damage at the electrically conductive coating/concrete interface as a result of acid attack on the concrete by anodically formed acid.
Für die elektrochemische Anwendung elektrisch leitfähiger Beschichtungen auf Beton, wie z.B. für den Korrosionsschutz von Stahl in Beton, ist nicht nur der elektrolytische Wderstand des Betons von Bedeutung, sondern auch der Polarisationswiderstand der Elektroden - Anode und Kathode. Der Gesamtwiderstand umfasst den Polarisationswiderstand und den elektrolytischen Wderstand. Der elektrolytische Wderstand kann mittels Impedanzmessungen bestimmt werden, in Beton üblicherweise bei 1 kHz. Der Polarisationswiderstand wird als Gleichstromwiderstand gemessen, indem zwischen den beiden Elektroden eine Gleichspannung von z.B. 2 - 3 Volt angelegt wird und über den gemessenen Gleichstrom nach dem Ohm’schen Gesetz der spezifische Widerstand berechnet wird (Beispiel 2). Der so bestimmte Widerstand umfasst den Polarisationswiderstand und den elektrolytischen Wderstand. Im Folgenden wird der bei Anlegung einer Gleichspannung gemessene Gleichstromwiderstand als Polarisationswiderstand und in den Beispielen als DC-Widerstand bezeichnet. Der elektrolytische Betonwiderstand, gemessen bei 1 kHz und 120 Hz wird als Impedanz bezeichnet. For the electrochemical application of electrically conductive coatings on concrete, such as for the corrosion protection of steel in concrete, not only the electrolytic resistance of the concrete is important, but also the polarization resistance of the electrodes - anode and cathode. Total resistance includes polarization resistance and electrolytic resistance. The electrolytic resistance can be determined by means of impedance measurements, usually at 1 kHz in concrete. The polarization resistance is measured as direct current resistance by applying a direct voltage of, for example, 2-3 volts between the two electrodes and calculating the specific resistance from the measured direct current according to Ohm's law (Example 2). The resistance thus determined includes the polarization resistance and the electrolytic resistance. In the following, the at The DC resistance measured when applying a DC voltage is referred to as polarization resistance and in the examples as DC resistance. The electrolytic concrete resistance measured at 1 kHz and 120 Hz is called impedance.
Überraschenderweise zeigte sich, dass bereits ein geringer Gehalt an CQD’s, beispielsweise ein CQD-Gehalt von 0,005 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung, die als Beschichtungsmittel eines Betonprüfkörpers eingesetzt wurde, zu einer deutlichen Erniedrigung des Polarisationswiderstandes und einer Erhöhung der Haftzugsfestigkeiten bei einer Lagerung der beschichteten und polarisierten Betonprüfkörper bei 50% relativer Feuchte führen (Beispiel 1 & 2). Surprisingly, it was found that even a low content of CQD's, for example a CQD content of 0.005% by weight, based on the total weight of the composition that was used as a coating agent for a concrete test specimen, led to a significant reduction in the polarization resistance and an increase in the adhesive strength when storing the coated and polarized concrete specimens at 50% relative humidity (Example 1 & 2).
In Abwesenheit von im Polyether suspendierten CQD’s wurde bei Lagerung bei 50 % relativer Feuchte nach 60 Tagen ein dreimal höherer Polarisationswiderstand des Betons gemessen im Vergleich zum Polarisationswiderstand des Betons in Gegenwart von 0,01 % CQD’s. In the absence of CQD's suspended in the polyether, a three times higher polarization resistance of the concrete was measured after 60 days of storage at 50% relative humidity compared to the polarization resistance of the concrete in the presence of 0.01% CQD's.
Weitere Versuche zeigten, dass sich die oben beschriebenen Ergebnisse generell mit leitfähigen Beschichtungen erzielen lassen, vorzugsweise mit leitfähigen Beschichtungen, die Kohlenstoff, zum Beispiel ausgewählt aus Graphit, Ruß, Graphen enthalten. Further tests showed that the results described above can generally be achieved with conductive coatings, preferably with conductive coatings containing carbon, for example selected from graphite, carbon black, graphene.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Zusammensetzung für Bauzwecke ein oder mehrere Verbindungen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silikat, Siliziumdioxid, Aluminat, Alumosilikat, Graphit, Carbonat, Harz, Silikon, Cellulose und organisches Polymer. Vorzugsweise enthält die Zusammensetzung von dieser einen oder den mehreren Verbindungen mindestens 5 Gew.-%, weiter bevorzugt > 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 30 - 95 Gew.-% und am meisten bevorzugt 35 - 80 Gew.-% der einen oder mehreren Verbindungen bestehend aus Silikat, Siliziumdioxid, Aluminat, Alumosilikat, Graphit, Carbonat, Harz, Silikon, Cellulose und organisches Polymer. In a preferred embodiment, the composition for building purposes according to the invention contains one or more compounds selected from the group consisting of silicate, silicon dioxide, aluminate, aluminosilicate, graphite, carbonate, resin, silicone, cellulose and organic polymer. Preferably, the composition of said one or more compounds contains at least 5% by weight, more preferably >20% by weight, particularly preferably 30-95% by weight and most preferably 35-80% by weight of the one or several compounds composed of silicate, silicon dioxide, aluminate, aluminosilicate, graphite, carbonate, resin, silicone, cellulose and organic polymer.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Zusammensetzung ein oder mehrere Alumosilikate mit der Formel aM20*bAl203*cSi02, wobei das Molverhältnis c/b = 0,1 - 15 beträgt und das Molverhältnis a/b = 0,2 - 10 beträgt, mit M=Li, Na, K. Bevorzugt sind die Molverhältnisse c/b 1 - 11 und/oder a/b 0,5 - 3, mit M=Li, Na, K. Weiter ist es bevorzugt, dass die Zusammensetzung eine oder mehrere Alumosilikate enthält, die Calcium umfassen, wobei bevorzugt das Molverhältnis S1O2/AI2O3 < 25 ist, besonders bevorzugt < 20, bevorzugt das Molverhältnis Si02/(Ca0+Al203) < 10 ist, besonders bevorzugt < 5 und bevorzugt das Molverhältnis Ca/Si < 2 ist, besonders bevorzugt < 1. Das Verhältnis Bei Mg-haltigen Alumosilikaten ist vorzugsweise das Molverhältnis SiCVCCaO+MgO+AhCh) < 10, bevorzugt < 5. In a preferred embodiment of the invention, the composition contains one or more aluminosilicates with the formula aM 2 O * bAl 2 O 3 * cSiO 2 , where the molar ratio c/b=0.1-15 and the molar ratio a/b=0. is 2-10, with M=Li, Na, K. The molar ratios c/b are preferably 1-11 and/or a/b 0.5-3, with M=Li, Na, K. It is also preferred that the composition contains one or more aluminosilicates comprising calcium, the molar ratio S1O2/AI2O3 preferably being <25, particularly preferably <20, the molar ratio Si0 2 /(Ca0+Al 2 O 3 ) being <10, particularly preferably < 5 and preferably the molar ratio Ca/Si is <2, particularly preferably <1. The ratio for Mg-containing aluminosilicates, the molar ratio SiCVCCaO+MgO+AhCh) is preferably <10, preferably <5.
Gute Ergebnisse wurden mit alumo-silikathaltigen leitfähigen Beschichtungen angelehnt an EP 1 068 164 A1 erzielt, mit einem Molverhältnis S1O2/AI2O3 der Alumosilikate von größer 0,1 vorzugsweise > 1 und einem Alumo-Silikat Gehalt von größer 1 Gew.-%, vorzugsweise größer 3 Gew.-%. Good results were achieved with conductive coatings containing aluminosilicate based on EP 1 068 164 A1, with a molar ratio S1O2/Al2O3 of the aluminosilicates of greater than 0.1, preferably >1, and an aluminosilicate content of greater than 1% by weight, preferably greater 3% by weight.
Vorteilhafte Ergebnisse konnten auch erzielt werden, wenn vor dem Auftrag der leitfähigen Beschichtung auf den Beton auf die Betonoberfläche eine wässrige Suspension aufgetragen wird, insbesondere mit einem Gehalt CQD's 0,01 - 2 Gew.-%, vorzugsweise von 0,05 - 1 Gew.-%, analog zu einem „Primer“ oder einer „Grundierung“, wie in den Beispielen 3 - 5 beschrieben: Nach der Imprägnierung mit einer wässrigen Suspension mit einem Gehalt an CQD’s von 0,05% war der Polarisationswiderstand nach 60 Tagen bei einer Lagerung bei 50 % relativer Feuchte um einen Faktor 3 niedriger als in der Vergleichsprobe ohne CQD- Suspension (Beispiel 3). Advantageous results could also be achieved if, before the conductive coating was applied to the concrete, an aqueous suspension was applied to the concrete surface, in particular with a CQD content of 0.01-2% by weight, preferably 0.05-1% by weight. -%, analogous to a “primer” or a “primer” as described in Examples 3-5: After impregnation with an aqueous suspension containing 0.05% of CQD's, the polarization resistance was after 60 days of storage at 50% relative humidity by a factor of 3 lower than in the comparison sample without CQD suspension (Example 3).
Die Eigenschaften der Feststoff-Mischung, insbesondere des Polarisationswiderstandes lassen sich somit auch durch Imprägnierung der Feststoff-Mischung, z.B. Beton, gezielt modifizieren. The properties of the solid mixture, in particular the polarization resistance, can thus also be specifically modified by impregnating the solid mixture, e.g. concrete.
Überraschenderweise zeigte sich, dass die CQD-Imprägnierung sich insbesondere auf den Polarisationswiderstand (DC-Widerstand) und weitaus weniger auf den Elektrolytwiderstand (Impedanz) auswirkt (Beispiel 4): Surprisingly, it turned out that the CQD impregnation has a particular effect on the polarization resistance (DC resistance) and much less on the electrolyte resistance (impedance) (example 4):
Im Vergleich zur Referenzprobe (Probe 1) erniedrigt sich der Polarisationswiderstand (DC- Widerstand) um einen Faktor 1 ,8, wenn die Betonoberfläche mit einem Primer mit einem Gehalt an CQD’s von 0,05 % imprägniert wird und entsprechend dazu erhöht sich der Gleichstrom, der bei einer angelegten Spannung von 2 Volt fließt um denselben Faktor. Die Impedanz jedoch verringert sich nur um einen Faktor von 1 ,2. Wird der Betonuntergrund nur mit Polyether imprägniert wie in Probe 4, so bewirkt ein Zusatz von CQD’s zur selben Menge an Polyether (Probe 3) eine Abnahme des Polarisationswiderstandes (DC-Widerstandes) um einen Faktor von 2 während die Impedanz nur um einen Faktor von 1 ,3 abnimmt. Compared to the reference sample (sample 1), the polarization resistance (DC resistance) decreases by a factor of 1.8 when the concrete surface is impregnated with a primer containing 0.05% of CQDs and the direct current increases accordingly, which flows by the same factor with an applied voltage of 2 volts. However, the impedance is only reduced by a factor of 1.2. If the concrete substrate is only impregnated with polyether as in sample 4, adding CQD's to the same amount of polyether (sample 3) causes a decrease in polarization resistance (DC resistance) by a factor of 2 while the impedance only decreases by a factor of 1 .3 decreases.
Der Einfluss der Menge der CQD’s, mit denen der Betonuntergrund imprägniert wird, beeinflusst das Ausmaß der Verringerung des Polarisationswiderstandes wie die in Beispiel 5 dargestellten Messergebnisse zeigen: The influence of the amount of CQD's with which the concrete substrate is impregnated affects the extent of the reduction in polarization resistance, as shown by the measurement results presented in example 5:
In Probe 2 in Beispiel 5 wurde im Vergleich zu Probe 2 in Beispiel 4 (wie oben beschrieben) die vierfache Menge an CQD’s (0,2% CQD) zum Primer zugemischt. Im Vergleich zur Referenzprobe (Probe 1) reduziert sich der Polarisationswiderstand (DC-Widerstand) um einen Faktor 2,8, also 1 ,6-mal mehr als in Beispiel 4. Zudem folgt die Abnahme des Polarisationswiderstandes der Menge an zugemischten CQD’s - Probe 2 - 4: Der Polarisationswiderstand nimmt in etwa proportional zur Menge an zum Primer zugemischten CQD’s ab. Überraschenderweise ändert sich die Impedanz bei den höheren Mengen an zugesetzten CQD’s praktisch nicht mehr. Die absoluten Werte der gemessenen Widerstände und Impedanzen, gemessen an verschiedenen Betonprüfplatten, können nicht verglichen werden, da sich die Elektrolytwiderstände der verschiedenen Betonplatten deutlich unterscheiden. In sample 2 in example 5, compared to sample 2 in example 4 (as described above), four times the amount of CQD's (0.2% CQD) was mixed into the primer. Compared to the reference sample (sample 1), the polarization resistance (DC resistance) is reduced by a factor of 2.8, ie 1.6 times more than in Example 4. In addition, the decrease in the polarization resistance follows the amount of CQDs admixed—Sample 2-4: the polarization resistance decreases approximately proportionally to the amount of CQDs admixed to the primer. Surprisingly, with the higher amounts of CQD's added, the impedance practically no longer changes. The absolute values of the measured resistances and impedances, measured on different concrete test slabs, cannot be compared because the electrolyte resistances of the different concrete slabs differ significantly.
Es konnte überraschenderweise auch eine Korrelation zwischen der Menge an zugesetzten CQD’s und deren Auswirkungen auf den Polarisationswiderstand hergestellt werden (Beispiel 5): Generell nimmt der Polarisationswiderstand bei Zumischung von CQD’s ab - Vergleich Probe 1 mit Probe 2 - 4. Die Zunahme der Polarisationswiderstandes korreliert mit der Menge der CQD's und nimmt mit zunehmender Konzentration der CQD’s ab - Vergleich Probe 2, 3 und 4). Die Zumischung der CQD’s hat überraschenderweise keinen signifikanten Einfluss auf die Impedanzen - dies deutet darauf hin, dass die CQD’s im Hinblick auf den Polarisationswiderstand, vor allem an der Grenzfläche Elektrode/Elektrolyt aktiv sind (Beispiel 6). Surprisingly, it was also possible to establish a correlation between the amount of CQDs added and their effects on the polarization resistance (Example 5): In general, the polarization resistance decreases when CQDs are added - compare sample 1 with sample 2 - 4. The increase in polarization resistance correlates with the amount of CQD's and decreases with increasing concentration of CQD's - comparison samples 2, 3 and 4). Surprisingly, the addition of the CQDs has no significant influence on the impedances - this indicates that the CQDs are active with regard to the polarization resistance, especially at the electrode/electrolyte interface (Example 6).
Diese Interpretation wird durch die Ergebnisse der Bestimmung der Wirksamkeit der CQD’s auf die Art der Polarisation der Elektrode - anodisch oder kathodisch - bestätigt, wie in Beispiel 7 dargestellt: In Abwesenheit von CQD’s wird erwartungsgemäß kein signifikanter Unterschied des Polarisationswiderstandes in Abhängigkeit davon, ob anodisch oder kathodisch polarisiert wird (pos. 1 & 2) festgestellt. In Gegenwart von 0.08% CQD’s nimmt einerseits der Polarisationswiderstand signifikant von ca. 20 MOhm.cm auf 6 - 8 MOhm.cm ab. Überraschend ist jedoch, dass der Polarisationswiderstand von der Art der Polarisation abhängt - die CQD’s wirken sich signifikant stärker an der Kathode aus (5,9 MOhm.cm) als an der Anode (8,2 MOhm.cm). This interpretation is supported by the results of determining the effectiveness of the CQD's on the type of polarization of the electrode - anodic or cathodic - as presented in Example 7: In the absence of CQD's, no significant difference in polarization resistance is expected depending on whether anodic or cathodically polarized is found (pos. 1 & 2). In the presence of 0.08% CQD's, the polarization resistance decreases significantly from approx. 20 MOhm.cm to 6 - 8 MOhm.cm. However, it is surprising that the polarization resistance depends on the type of polarization - the CQD's have a significantly stronger effect on the cathode (5.9 MOhm.cm) than on the anode (8.2 MOhm.cm).
Überraschende Ergebnisse ergaben sich aus den Haftzugsfestigkeits-messungen 77 Tage nach Auftrag des leitfähigen Anstriches auf den mit einem CQD haltigen Primer imprägnierten Beton (Beispiel 6): Am mit einem CQD haltigen Primer imprägnierten Beton lagen die Haftzugsfestigkeiten mit 5, 2 MPa gegenüber 4,5 MPa an mit einem CQD-freien Primer imprägnierten Beton signifikant höher. Der Abriss erfolgte bei diesen Messungen ausschließlich im Beton - es wurden bis zu 1 cm tiefe Betonstücke aus der Betonplatte herausgerissen. Dies deutet überraschenderweise darauf hin, dass die Imprägnierung von Beton mit CQD’s zu einer Erhöhung der Betonfestigkeit führen. Überraschenderweise zeigte sich auch, dass bereits geringe Gehalte an CQD’s die Aktivität von Anoden signifikant erhöhen, insbesondere von eingebetteten Zinkanoden (EZA’s): Surprising results were obtained from the tensile bond strength measurements 77 days after application of the conductive paint to the concrete impregnated with a CQD-containing primer (Example 6): on concrete impregnated with a CQD-containing primer, the bond strengths were 5.2 MPa compared to 4.5 MPa significantly higher on concrete impregnated with a CQD-free primer. During these measurements, the demolition took place exclusively in the concrete - pieces of concrete up to 1 cm deep were torn out of the concrete slab. Surprisingly, this indicates that the impregnation of concrete with CQD's leads to an increase in concrete strength. Surprisingly, it was also shown that even low levels of CQD's significantly increase the activity of anodes, especially embedded zinc anodes (EZA's):
Galvanische Anodensysteme wie z.B. in EP 2 313352 A1 beschrieben, bestehen aus einer galvanischen Metallanode, vorzugsweise Zink, eingebettet in ein Alumo-Silikat-haltiges Bindemittel (Beispiel 8). Die Metallanode wird vorzugsweise als Gitter in das Bindemittel eingebettet. Das Bindemittel enthält Zusätze, die die Passivierung der Zinkanode verhindern oder zumindest minimieren sollen. Üblicherweise werden Stromdichten im Bereich von bis zu 20 mA/m2 kurz nach der Inbetriebnahme der galvanischen Zinkanode gemessen, nach 3 - 6 Monaten fließen üblicherweise ca. 3 - 6 mA/m2 aktiver Zinkoberfläche bei 70% relativer Feuchte. Galvanic anode systems as described, for example, in EP 2 313352 A1 consist of a galvanic metal anode, preferably zinc, embedded in a binder containing aluminosilicate (Example 8). The metal anode is preferably embedded in the binder as a grid. The binder contains additives that are intended to prevent or at least minimize the passivation of the zinc anode. Current densities in the range of up to 20 mA/m 2 are usually measured shortly after the galvanic zinc anode has been put into operation. After 3 - 6 months, approx. 3 - 6 mA/m 2 of active zinc surface at 70% relative humidity usually flow.
Überraschenderweise zeigte sich, dass bereits ein Gehalt von 0,03 bis 0,04 Gew.-% an CQD’s in einem Beschichtungsmittel, bezogen auf das Gesamtgewicht des Beschichtungsmittels, zugesetzt beispielsweise als 0,5%iges CQD-Kolloid in Polyalkylether, eine signifikante Erhöhung der galvanischen Aktivität einer Zinkanode, aufgetragen auf einer stahlbewehrten Prüfplatte mit einem Chloridgehalt von 3 Gew.-%, bewirken (Beispiel 8,Surprisingly, it was found that even a content of 0.03 to 0.04% by weight of CQDs in a coating composition, based on the total weight of the coating composition, added for example as 0.5% CQD colloid in polyalkyl ether, results in a significant increase the galvanic activity of a zinc anode applied to a steel-reinforced test panel with a chloride content of 3% by weight (Example 8,
Probe 8.2. und 8.3. im Vergleich zu Probe 1.4.). Die galvanischen Anfangsströme erhöhten sich von 35,8 mA/m2 auf ca. 42 mA/m2, nach 1 Monat bei 75 % relativer Feuchte von 10 mA/m2 auf 12 mA/m2. Höhere Zusatzmengen an CQD’s erhöhen sowohl die galvanischen Anfangsströme als auch die galvanischen Ströme nach 1 Monat Betrieb: Sample 8.2. and 8.3. compared to sample 1.4.). The initial galvanic currents increased from 35.8 mA/m2 to approx. 42 mA/m2, after 1 month at 75% relative humidity from 10 mA/m2 to 12 mA/m2. Higher addition amounts of CQD's increase both the initial galvanic currents and the galvanic currents after 1 month of operation:
Bei einem Gehalt von 0,1 % CQD’s im Einbettbindemittel sind die galvanischen Ströme im Vergleich zu einem Einbettmittel mit einem Gehalt von 0,035 % CQD’s zu Anfang um 11 % höher und nach einem Monat um 21 % höher. Im Vergleich zur Referenzprobe 8.4. ist der Anfangsstrom 35% und der galvanische Strom nach 1 Monat Betrieb um 48 % höher. With 0.1% CQD's in the encapsulant, compared to an encapsulant containing 0.035% CQD's, galvanic currents are 11% higher initially and 21% higher after one month. Compared to reference sample 8.4. the initial current is 35% higher and the galvanic current is 48% higher after 1 month of operation.
Die Wirkung der CQD’s bleibt auch während einer längeren Betriebsdauer erhalten, mindestens bis zu 14 Monate. Wie die in Beispiel 9 dargestellten Ergebnisse zeigen, erhöht der Zusatz von 0,018 Gew.% von CQD’s die galvanische Aktivität nach einem halben Jahr Betriebsdauer um mindestens 65 %. The effect of the CQD's is maintained even during a longer period of operation, at least up to 14 months. As the results presented in Example 9 show, the addition of 0.018% by weight of CQDs increases the galvanic activity by at least 65% after six months of operation.
Ein Blindversuch, bei dem nur das Medium - Polyether, ohne CQD's - zugesetzt wurde, ergab eine geringfügige Erniedrigung der galvanischen Aktivität der Zinkanoden. Somit bewirkt ein Zusatz von bereits 0,03 Gew.-% von CQD’s eine deutliche und signifikante Wirkung: Wie die in Beispiel 8 dargestellten Ergebnisse zeigen, ist die Wirkung der Zumischung von CQD’s im Konzentrationsbereich von 0,03 bis 0,1 % vergleichbar - sie führt zu einem „Boost“ des galvanischen Stromes über einen Zeitraum von ca. 3 Wochen. Danach beginnt die Konzentration der CQD’s für die Aktivität der EZ-Anode eine Rolle zu spielen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass für eine dauerhafte Erhöhung der galvanischen Aktivität der Zinkanode (EZ-Anode) eine Konzentration von mindestens 0,05 Gew.-% CQD, vorzugsweise von 0,1 Gew.-% CQD vorteilhaft ist. Bei Konzentrationen von < 0,03 Gew.-% gleicht sich die galvanische Aktivität nach ca. 3 Monaten der EZ-Anode ohne CQD-Zusatz an. Dieses Ergebnis wird durch die in Beispiel 10 dargestellten Ergebnisse bestätigt: Eine EZ-Anode mit einem CQD-Gehalt von 0,010 % bezogen auf das Bindemittel zeigt zwar eine nahezu Verdoppelung der galvanischen Ströme nach 1 Tag, nach 2 Wochen sind die Ströme immer noch ca. 50 % höher als in der CQD-freien EZ-Anode, nach 3 Monaten jedoch nur noch um 20%. A blank test in which only the medium - polyether, without CQD's - was added showed a slight reduction in the galvanic activity of the zinc anodes. Thus, adding as little as 0.03% by weight of CQDs has a clear and significant effect: As the results presented in Example 8 show, the effect of admixing CQDs in the concentration range from 0.03 to 0.1% is comparable - it leads to a "boost" of the galvanic current over a period of approx. 3 weeks. After that, the concentration of the CQD's starts to play a role in the activity of the EZ anode. the Results indicate that a concentration of at least 0.05% by weight CQD, preferably 0.1% by weight CQD, is advantageous for a permanent increase in the galvanic activity of the zinc anode (EZ anode). At concentrations of < 0.03% by weight, the galvanic activity equals that of the EZ anode without the addition of CQD after approx. 3 months. This result is confirmed by the results shown in Example 10: An EZ anode with a CQD content of 0.010% based on the binder shows an almost doubling of the galvanic currents after 1 day, but after 2 weeks the currents are still approx. 50% higher than in the CQD-free EZ anode, but only 20% after 3 months.
Die Zumischung von CQD’s zum Einbettbindemittel bewirkt auch eine Erhöhung der galvanischen Ströme in Abwesenheit von Chlorid, wie die in Beispiel 11 dargestellten Ergebnisse zeigen. Die Zumischung von 0,05 % CQD zum Einbettkleber bewirkt eine Erhöhung der galvanischen Ströme einer EZ-Anode, gelagert bei 75 % relativer Feuchte, um 40 % nach 3 Tagen und um 44 % nach 7 Tagen Betriebszeit. The admixture of CQD's to the potting binder also causes an increase in galvanic currents in the absence of chloride, as shown by the results presented in Example 11. The addition of 0.05% CQD to the embedding adhesive increases the galvanic currents of an EZ anode stored at 75% relative humidity by 40% after 3 days and by 44% after 7 days of operation.
Chlorid wirkt, wie allgemein bekannt, aktivierend auf die galvanische Aktivität von Zinkanoden. In Abwesenheit von Chlorid aktivieren CQD’s die EZ-Anode doppelt so stark (Beispiel 11) wie in Gegenwart von Chlorid (Beispiel 8 - 10). Dies hat insbesondere für die Anwendung der EZ-Anode auf mit Reparaturmörtel ausgebesserten Betonbauteilen eine große Bedeutung: Zinkanoden auf dem Stand der Technik verlieren in Abwesenheit von Chlorid mit der Zeit Ihre Wirksamkeit, dies bedeutet, dass der mit Chlorid verseuchte Beton auch hinter der Stahlbewehrung entfernt werden muss, üblicherweise durch Hochdruckwasserstrahlen, und durch Reparaturmörtel ersetzt werden muss - ein erheblicher Zusatzaufwand an Zeit und Kosten. As is generally known, chloride has an activating effect on the galvanic activity of zinc anodes. In the absence of chloride, CQD's activate the EZ anode twice as much (example 11) as in the presence of chloride (example 8 - 10). This is of particular importance for the application of the EZ-Anode on concrete components repaired with repair mortar: State-of-the-art zinc anodes lose their effectiveness over time in the absence of chloride, this means that the concrete contaminated with chloride also removes behind the steel reinforcement must be repaired, usually by high-pressure water jets, and replaced with repair mortar - a significant additional expense in terms of time and expense.
Die Aktivierung der EZ-Anode mit CQD’s erlaubt eine sehr vereinfachte Reparatur von durch Korrosion geschädigter Bauteile - es muss nur der durch Risse und Abplatzungen beschädigte Beton entfernt und durch Reparaturmörtel ersetzt werden, nicht jedoch der Chlorid-verseuchte Beton hinter der Stahlbewehrung - dies bedeutet eine hohe Einsparung von Kosten und insbesondere von Zeit. Activating the EZ anode with CQD's allows for a very simplified repair of corrosion damaged components - only the cracked and spalled concrete needs to be removed and replaced with repair mortar, not the chloride contaminated concrete behind the steel rebar - this means a high savings in costs and especially time.
Ein weiterer Vorteil des CQD-Gehaltes ist die Zunahme der galvanischen Aktivität, verbunden mit einer Abnahme der Autokorrosion der Zinkanode. Die Autokorrosion wurde durch Vergleich der infolge des galvanischen Stromes, ausgedrückt in Coulomb, mit dem tatsächlichen Gewichtsverlust, bestimmt. Weiters lässt sich die Autokorrosion über das gemessene „Open-Circuit“ Potential der Zinkanode gegen eine von außen an die Oberfläche aufgesetzte Referenzelektrode - z.B. eine Ag/AgCI, 3M KCl Elektrode bestimmen (Beispiel 12). Bei Autokorrosion liegen die Werte im Bereich von -400 mV bis - 500 mV gegen Ag/AgCI, bei Abwesenheit von Autokorrosion liegen die Werte nahe dem theoretischen Wert von - 900 mV gegen Ag/AgCI, auf jeden Fall negativer als - 600 mV. Gemessen wurden Werte zwischen -800 und -600 mV vs. Ag/AgCI. Es zeigte sich, dass die Zumischung von CQD’s keine erhöhte Autokorrosion der Zinkanode bewirkt, wie die in Beispiel 12 dargestellten Ergebnisse belegen. Another benefit of the CQD content is the increase in galvanic activity associated with a decrease in auto-corrosion of the zinc anode. Autocorrosion was determined by comparing the loss due to galvanic current, expressed in coulombs, with the actual weight loss. Furthermore, the auto-corrosion can be determined via the measured "open circuit" potential of the zinc anode against a reference electrode placed on the surface from the outside - eg an Ag/AgCl, 3M KCl electrode (example 12). In the case of autocorrosion, the values are in the range from -400 mV to - 500 mV Ag/AgCl, in the absence of autocorrosion the values are close to the theoretical value of - 900 mV against Ag/AgCl, in any case more negative than - 600 mV. Values between -800 and -600 mV vs. Ag/AgCl were measured. It was found that the admixture of CQDs does not cause increased auto-corrosion of the zinc anode, as the results presented in example 12 show.
Ein weiterer Vorteil der Zumischung von CQD’s liegt in einer deutlich geringeren Empfindlichkeit der Ströme auf die relative Feuchte der Umgebungsluft wie anhand des Einflusses der Lagerungsfeuchte von mit einer leitfähigen Beschichtung wie in Beispiel 2 beschriebenen versehenen Betonplatten auf bei konstanter angelegter Spannung (2 - 4 Volt) gemessenen Strömen zeigt (Beispiel 13): Lagerung der Betonplatten mit einem CQD-Gehalt von 0,018 Gew.-% bei 45 % - 54% relativer Feuchte ergab Ströme nach 6-monatigem Betrieb von ca. 0,5 - 1,5 mA/m2, in Abwesenheit von CQD’s im leitfähigen Verbundanstrich lagen die bei ca. 0,3 - 0,7 mA/m2 bei einer angelegten Spannung von 4 Volt (Beispiel 13).A further advantage of admixing CQD's lies in a significantly lower sensitivity of the currents to the relative humidity of the ambient air, as shown by the influence of the storage humidity of concrete slabs provided with a conductive coating as described in example 2 on a constant applied voltage (2 - 4 volts) measured currents shows (Example 13): Storage of the concrete slabs with a CQD content of 0.018% by weight at 45% - 54% relative humidity resulted in currents of approx. 0.5 - 1.5 mA/m2 after 6 months of operation , in the absence of CQD's in the conductive composite paint, these were about 0.3-0.7 mA/m 2 at an applied voltage of 4 volts (Example 13).
Bei Lagerungsfeuchten von r.F > 70 % und damit geringerem Betonwiderstand ist die Wirkung der CQD’s deutlich geringer: 2 - 19% gegenüber 71 - 102% bei r.F. 45 - 54%.With storage humidity of RH > 70% and thus lower concrete resistance, the effect of the CQD's is significantly lower: 2 - 19% compared to 71 - 102% at RH. 45-54%.
Die geringe Empfindlichkeit der galvanischen Ströme gegenüber der externen Luftfeuchte bringt enorme Vorteile mit sich: In den meisten Betonbauteilen muss nicht nur die oberflächennahe Stahlbewehrung vor Korrosion geschützt werden, sondern auch tieferliegende Stahlbewehrung, die auch bei trockener Außenluft in feuchter Umgebung liegt, insbesondere in mit Chlorid verseuchtem Beton. Ein verlässlicher Korrosionsschutz der tiefliegenden Stahlbewehrung auch bei trocknen Außenbedingungen ist daher ein sehr großer Vorteil. The low sensitivity of the galvanic currents to the external humidity has enormous advantages: In most concrete components, not only the steel reinforcement near the surface has to be protected against corrosion, but also the deeper steel reinforcement, which is in a humid environment even when the outside air is dry, especially if it contains chloride contaminated concrete. Reliable corrosion protection for the low-lying steel reinforcement, even in dry outdoor conditions, is therefore a very big advantage.
Überraschenderweise wirkte sich die Zumischung von CQD’s auch auf die Festigkeiten, insbesondere auf die Haftzugsfestigkeiten des in den Beispielen 8 - 13 verwendeten Einbettbindemittels aus: Wie die in Beispiel 14 und 15 dargestellten Ergebnisse zeigen. Gute Ergebnisse wurden mit Bindemitteln in Anlehnung an EP 2 313352 A1 (siehe Beispiel 8) erzielt, mit einem Molverhältnis von S1O2/AI2O3 < 20, vorzugsweise < 15, einem Gewichtsverhältnis Si02/(Ca0+Mg0+Al203) von < 10, vorzugsweise < 5, einem Molverhältnis von Ca/Si von < 2 vorzugsweise von < 1 und galvanischen Metallanoden aus Zinklegierungen. Die Wirkung von bereits sehr geringen CQD-Gehalten nicht nur auf die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Zusammensetzung selbst sondern auch auf in die Feststoff-Mischung eingebettete Feststoffe, wie z.B. Metallanoden oder auf mit der CQD- haltigen Mischung in Kontakt stehende Feststoffe, wie z.B. CQD-haltige leitfähige Beschichtungen auf Beton aufgetragen, deutet darauf hin, dass die CQD’s hauptsächlich grenzflächenwirksam sind, und zwar sowohl an Grenzflächen innerhalb der Feststoff- Mischung, wie z.B. Poren, Korngrenzen als auch an den Grenzflächen von Mischungen im Kontakt mit dem CQD-haltigen Feststoff, insbesondere an Grenzflächen von Elektroden/Elektrolyt. Surprisingly, the admixing of CQDs also had an effect on the strengths, in particular on the tensile adhesive strengths, of the embedding binder used in Examples 8-13: as the results presented in Examples 14 and 15 show. Good results were achieved with binders based on EP 2 313352 A1 (see example 8), with a molar ratio of S1O 2 /Al 2 O 3 <20, preferably <15, a weight ratio Si0 2 /(Ca0+Mg0+Al 2 0 3 ) <10, preferably <5, a Ca/Si molar ratio of <2, preferably <1, and galvanic metal anodes made of zinc alloys. The effect of even very low CQD contents not only on the properties of the composition according to the invention itself but also on solids embedded in the solids mixture, such as metal anodes or on solids in contact with the CQD-containing mixture, such as CQD-containing conductive coatings applied to concrete suggests that the CQD's are primarily interfacial, both at interfaces within the solid Mixture, such as pores, grain boundaries and at the interfaces of mixtures in contact with the CQD-containing solid, especially at interfaces of electrodes / electrolyte.
Geeignete CQD’s sind zum Beispiel in Shouvik Mitra, Sourov Chandra, Shaheen H. Pathan, Narattam Sikdar, Panchanan Pramanik and Arunava Goswami in RSC Advances (2013), 3, 3189-3193 beschrieben. Geeignete CQD’s sind zum Beispiel CQD’s hergestellt durch Polykondensation von Polyethern, Kohlehydraten, Chitosan wie bereits oben angeführt und wie in Persia Ada N. de Yro,a, Beejay T. Salon , Blessie A. Basilia , Mark Daniel de Luna and Peerasak Paoprasert, MATEC Web of Conferences (2016) 43, 4002; Hui Peng and Jadranka Travas-Sejdic, Chem. Mater. (2009), 21, 5563-5565; Youfu Wang, Aiguo Hu, Journal of Materials Chemistry C, (2014), 2, 6921, beispielhaft jedoch nicht abschließend beschrieben. Mit oberflächenmodifizierten CQD’s lassen sich Materialeigenschaften besonders vorteilhaft modifizieren, wie zum Beispiel mit N-doped CQD’s [Xin Liu, Jinhui Pang, Feng Xu &Suitable CQD's are described for example in Shouvik Mitra, Sourov Chandra, Shaheen H. Pathan, Narattam Sikdar, Panchanan Pramanik and Arunava Goswami in RSC Advances (2013), 3, 3189-3193. Suitable CQD's are, for example, CQD's produced by polycondensation of polyethers, carbohydrates, chitosan as already mentioned above and as in Persia Ada N. de Yro,a, Beejay T. Salon, Blessie A. Basilia, Mark Daniel de Luna and Peerasak Paoprasert, MATEC Web of Conferences (2016) 43, 4002; Hui Peng and Jadranka Travas-Sejdic, Chem. Mater. (2009), 21, 5563-5565; Youfu Wang, Aiguo Hu, Journal of Materials Chemistry C, (2014), 2, 6921, described by way of example but not conclusively. Material properties can be modified particularly advantageously with surface-modified CQDs, such as with N-doped CQDs [Xin Liu, Jinhui Pang, Feng Xu &
Xueming Zhang, www.nature.com/scientificreports (2016) | 6:31100 | DOI: Xueming Zhang, www.nature.com/scientificreports (2016) | 6:31100 | DOI:
10.1038/srep31100] 10.1038/srep31100]
Eine bevorzugte Herstellung von CQD’s, die in den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen eingesetzt werden können, beruht auf der Beschreibung in Ji Chen, S. K. Spear, J.G. Hauddleston and R.D. Rogers, „Polyethylene glycol and Solutions of polyethylene glycol as green reaction medis“, Green Chem. (2005) 7, 64 - 82 beschriebenen Herstellungsmethode: Polyethylenglykol (PEG) wird mit Alkalihydroxid, z. B. KOH oder LiOH versetzt. Die PEG kondensieren um das Alkaliion zu polycyclischen Aromaten und weiterer Folge zu CQD’s. Damit lassen sich CQD Kolloide mit Konzentrationen bis 10 Gew. % direkt hersteilen, eine weitere Aufkonzentration und Reinigung kann durch Dialyse erfolgen. A preferred preparation of CQD's that can be used in the compositions of the invention is based on the description in Ji Chen, S.K. Spear, J.G. Hauddleston and R.D. Rogers, "Polyethylene glycol and solutions of polyethylene glycol as green reaction medis", Green Chem. (2005) 7, 64 - 82: Polyethylene glycol (PEG) is mixed with alkali hydroxide, e.g. B. KOH or LiOH. The PEGs condense around the alkali ion to form polycyclic aromatics and subsequently to CQDs. This allows CQD colloids with concentrations of up to 10% by weight to be produced directly; further concentration and purification can be carried out by dialysis.
CQD’s lassen sich durch ihre optischen Eigenschaften, UV-VIS Absorptionsspektrum und/oder Fluoreszenzspektrum, charakterisieren wie zum Beispiel in [Qin Hu, Xiaojuan Gong, Lizhen Liu, and Martin M. F. Choi, Characterization and Analytical Separation of Fluorescent Carbon Nanodots, Hindawi Journal of Nanomaterials, (2017) Volume 2017, Article ID 1804178, 1 - 23] beschrieben. Üblicherweise zeigen CQD’s eine Absorptionsschulter bei ca. 260 nm mit einem molaren Extinktionskoeffizienten von ca. 1 x 106 M 1cnr1 und eine Photoluminiszenz im Bereich von 350 - 700 nm mit einem Emissionsmaximum im Bereich von 400 - 600 nm, abhängig von der Partikelgröße. Die Partikelgröße der CQD’s kann zwischen 1 und 10 nm variieren, die von CQD-Molekülen zwischen 3 und 100 nm mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 100 bis 100.000 Daltons, vorzugsweise von 500 bis 50.000 Daltons. Aufgrund der Partikelgröße zeigen CQD’s und CQD-Moleküle charakteristische Quanteneffekte. Wie eingangs definiert werden CQD’s und CQD-Moleküle hier als CQD’s bezeichnet. CQDs can be characterized by their optical properties, UV-VIS absorption spectrum and/or fluorescence spectrum, as for example in [Qin Hu, Xiaojuan Gong, Lizhen Liu, and Martin MF Choi, Characterization and Analytical Separation of Fluorescent Carbon Nanodots, Hindawi Journal of Nanomaterials , (2017) Volume 2017, Article ID 1804178, 1 - 23]. Usually, CQD's show an absorption shoulder at about 260 nm with a molar extinction coefficient of about 1 x 10 6 M 1 cnr 1 and a photoluminescence in the range of 350 - 700 nm with an emission maximum in the range of 400 - 600 nm, depending on the particle size . The particle size of the CQD's can vary between 1 and 10 nm, that of CQD molecules between 3 and 100 nm with an average molecular weight of 100 to 100,000 daltons, preferably from 500 to 50,000 daltons. Due to the particle size show CQD's and CQD molecules characteristic quantum effects. As defined above, CQD's and CQD molecules are referred to here as CQD's.
Über Ihre charakteristischen Photoluminiszenzspektren lassen CQD’s die Detektion von zum Beispiel Eisen (III) (Rost), der Bestimmung des pH-Wertes, von Nitrit, Silber, Quecksilber und Kupfer zu. Erfindungsgemäße Feststoffe mit CQD-Gehalten lassen somit die Detektion und Bestimmung der oben angeführten Substanzen und Werte zu, an deren Oberfläche oder über geeignete eingebettete optische Sensoren im Inneren der erfindungsgemäßen Feststoffe. With their characteristic photoluminescence spectra, CQDs allow the detection of, for example, iron (III) (rust), the determination of the pH value, nitrite, silver, mercury and copper. Solids according to the invention with CQD contents thus allow the substances and values listed above to be detected and determined on their surface or via suitable embedded optical sensors in the interior of the solids according to the invention.
Eine weitere erfindungsgemäße Anwendung ist die Verleihung von fluoreszierenden Eigenschaften durch einen Gehalt an QD’s, vorzugsweise durch einen Gehalt an CQD’s.A further application according to the invention is the imparting of fluorescent properties by a content of QDs, preferably by a content of CQDs.
Die Änderung der Feststoffeigenschaften durch einen Gehalt an CQD’s beruht auf den spezifischen Eigenschaften der CQD’s als QD’s, insbesondere deren quantenspezifischen Eigenschaften. CQD’s sind einfach und kostengünstig herzustellen, dieselben oder ähnliche Änderungen der Feststoffeigenschaften können folglich auch durch QD’s im Allgemeinen erzielt werden. Die erfindungsgemäße Änderung der Eigenschaften von Mischungen, insbesondere von Feststoffmischungen durch einen Gehalt an CQD’s lassen sich erfindungsgemäß generell auf Feststoffmischungen, wie zum Beispiel auf deren Herstellung und/oder durch deren Imprägnierung mit CQD’s, z.B. einem CQD-Kolloid anwenden. The change in the solid properties due to the content of CQDs is based on the specific properties of the CQDs as QDs, in particular their quantum-specific properties. CQD's are easy and cheap to produce, so the same or similar changes in solid properties can be achieved by QD's in general. The change according to the invention in the properties of mixtures, in particular of solid mixtures, through a content of CQDs can generally be applied according to the invention to solid mixtures, such as their production and/or by impregnating them with CQDs, e.g. a CQD colloid.
Durch Zumischen von und durch einen Gehalt an CQD’s lassen sich Materialeigenschaften wie z.B. Festigkeit, Haftzugsfestigkeit, elektrische Leitfähigkeit und elektrochemische Eigenschaften wie z.B. elektrolytische Leitfähigkeit, Polarisationswiderstand, galvanische Aktivität eingebetteter Metallelektroden, von Mischungen gezielt modifiziert. Material properties such as strength, adhesive strength, electrical conductivity and electrochemical properties such as electrolytic conductivity, polarization resistance, galvanic activity of embedded metal electrodes can be specifically modified by mixing and adding CQDs.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung für Bauzwecke, bevorzugt die Verwendung in einem Baustoff, besonders bevorzugt in einem künstlichen Baustoff. Unter den Verwendungen ist am meisten bevorzugt die Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung in einem Anstrichmittel, Beschichtungsmittel, Bindemittel, Beton oder Mörtel. The invention also relates to the use of the composition according to the invention for building purposes, preferably the use in a building material, particularly preferably in an artificial building material. Most preferred among the uses is the use of the composition of the present invention in a paint, coating agent, binder, concrete or mortar.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It goes without saying that the features mentioned above and those still to be explained below can be used not only in the specified combinations, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung wird in den nachfolgenden Beispielen näher erläutert, ohne die Erfindung jedoch darauf zu beschränken. Beispiele The invention is explained in more detail in the examples below, but without restricting the invention thereto. examples
Beispiel 1: Example 1:
Es wurde eine elektrisch leitfähige Verbundanode wie folgt hergestellt: An electrically conductive composite anode was manufactured as follows:
Eine Betonplatte 40 x 40 x 4 cm wurde auf einer Hälfte 40 x 19,5 cm wurde mit einer elektrisch leitfähigen alumo-silikathaltigen Beschichtung nach EP 1 068 164 A2 beschichtet (850 g/m2) der 0,5 Gew. % eines CQD’s haltigen Polyoxethylene-Kolloid mit einem CQD- Gehalt von 1 Gew% zugemischt worden war. A concrete slab 40×40×4 cm was coated on one half 40×19.5 cm with an electrically conductive coating containing aluminosilicate according to EP 1 068 164 A2 (850 g/m 2 ) containing 0.5% by weight of a CQD Polyoxyethylene colloid with a CQD content of 1% by weight had been admixed.
Die elektrisch leitfähigen alumo-silikathaltigen Beschichtung nach EP 1 068 164 A2 wurde folgendermaßen hergestellt: Komponente A: The electrically conductive coating containing aluminosilicate according to EP 1 068 164 A2 was produced as follows: Component A:
Inhaltsstoff Gew.-TeileIngredient parts by weight
Wasser 12,00Water 12.00
Kalium Silikat Lösung (24.5% Si02, 24.8% K20) 200,00 wässrige 50%ige Dispersion eines Polystryrol-Acryläther Copolymers 290,00Potassium silicate solution (24.5% Si0 2 , 24.8% K 2 0) 200.00 50% aqueous dispersion of a polystyrene-acrylic ether copolymer 290.00
Methylhydroxycellulose, M 6000 3,00 Methyl Hydroxycellulose, M 6000 3.00
30%ige Lösung eines Dispersionsmittels auf Polyacrylatbasis 10,0030% solution of a polyacrylate-based dispersing agent 10.00
Butylglykol 15,00butyl glycol 15.00
Graphit-Pulver 300,00 deionisiertes Wasser 182,00 Graphite powder 300.00 deionized water 182.00
Komponente B: Inhaltsstoff Gewichtsteile Natriumaluminat 6,28 Natriumhydroxid 1,05 demineralisiertes Wasser 17,36 Component B: Ingredient parts by weight sodium aluminate 6.28 sodium hydroxide 1.05 demineralized water 17.36
Komponente A und Komponente B wurden im Verhältnis von 45:1 unter Rühren vermischt. Auf der zweiten Hälfte der Betonplatte wurde als Referenz dieselbe leitfähige Beschichtung, der 0,5% desselben Polyoxethylenes (POE) zugemischt war, aufgetragen. Es wurden jeweils 800 g/m2 leitfähige Beschichtung aufgetragen. Die Beschichtungen wurden bei 75% relative Feuchte 2 Wochen lang ausgehärtet. Component A and Component B were mixed in a ratio of 45:1 with stirring. On the second half of the concrete slab, the same conductive coating mixed with 0.5% of the same polyoxyethylene (POE) was applied as a reference. In each case 800 g/m2 of conductive coating was applied. The coatings were cured at 75% relative humidity for 2 weeks.
Nach dem Aushärten wurde die elektrische Flächenleitfähigkeit bei 1 kHz mit einem Impedanz Messgerät durch Aufdrücken von Prüfspitzen in die leitfähige Beschichtung mit einem Prüfspitzenabstand von 5 cm gemessen. After curing, the electrical surface conductivity was measured at 1 kHz with an impedance measuring device by pressing test tips into the conductive coating with a test tip distance of 5 cm.
Nachdem Messen der Flächenwiderstände wurden die Haftzugsfestigkeiten in Anlehnung an EN 13892-8 bestimmt. After measuring the sheet resistance, the tensile strength was determined based on EN 13892-8.
Beispiel 2: Example 2:
Es wurde eine elektrisch leitfähige Verbundanode wie folgt hergestellt: An electrically conductive composite anode was produced as follows:
Eine Betonplatte 40 x 20 x 4 cm wurde auf einer Seite mit einer elektrisch leitfähigen alumo- silikathaltigen Beschichtung nach EP 1 068 164 A2 beschichtet, auf der gegenüberliegenden Seite wurde dieselbe leitfähige Beschichtung mit einem Gehalt an CQD’s von ca. 0,01 Gew. % aufgetragen. Die CQD’s wurden als Polyoxyethylene-Kolloid mit einem CQD-Gehalt von 2 Gew. % zugegeben. Als Referenz wurde derselbe Prüfkörper mit jeweils derselben leitfähigen Beschichtung auf beiden Seiten hergestellt - also einer leitfähigen Beschichtung ohne CQD’s. Es wurden jeweils 800 g/m2 leitfähige Beschichtung aufgetragen. A concrete slab 40 x 20 x 4 cm was coated on one side with an electrically conductive coating containing aluminosilicate according to EP 1 068 164 A2, on the opposite side the same conductive coating with a CQD content of approx. 0.01% by weight was applied. applied. The CQD's were added as a polyoxyethylene colloid with a CQD content of 2% by weight. As a reference, the same test specimen was produced with the same conductive coating on both sides - i.e. a conductive coating without CQDs. In each case 800 g/m2 of conductive coating was applied.
In die Beschichtungen wurden jeweils ein Blei Band (Breite x Dicke = 1,5 cm x 0,1 cm), das an der Unterseite mit einer Klebeschicht versehen war, für die elektrische Kontaktierung eingebettet. Die Beschichtungen wurden bei 75% relative Feuchte 2 Wochen lang ausgehärtet und die beschichteten Betonplatten anschließend für 2 Monate bei 50% relativer Feuchte gelagert. A lead strip (width×thickness=1.5 cm×0.1 cm), which was provided with an adhesive layer on the underside, was embedded in each of the coatings for electrical contacting. The coatings were cured at 75% relative humidity for 2 weeks and the coated concrete slabs were then stored at 50% relative humidity for 2 months.
Zwischen den beiden Beschichtungen wurde über die beiden Bleibänder eine Gleichspannung von 2,0 Volt angelegt und der Stromfluss über einen „Shunt“-Widerstand von 100 Ohm gemessen. Aus dem Stromfluss und der Betonkörpergeometrie wurde der spezifischen Widerstand nach dem Ohm’schen Gesetz berechnet: A DC voltage of 2.0 volts was applied between the two coatings via the two lead strips and the current flow via a "shunt" resistor measured at 100 ohms. From the current flow and the geometry of the concrete body, the specific resistance was calculated according to Ohm's law:
Spez. Widerstand (Ohm. cm) = (2 Volt x A)/Strom x L) Resistivity (Ohm. cm) = (2 Volts x A)/Current x L)
A = Oberfläche = 20 x 40 = 800 cm2 L = Dicke der Betonplatte = 4 cm A = surface area = 20 x 40 = 800 cm2 L = concrete slab thickness = 4 cm
Strom in Ampere current in amperes
Die Zumischung von CQD’s zur leitfähigen Beschichtung bewirkte eine signifikante Erniedrigung des Gleichstromwiderstandes zwischen den anodisch und kathodisch polarisierten Elektroden, bestehend aus der leitfähigen Beschichtung. Dies ist gleichbedeutend mit einer signifikanten Erniedrigung des Polarisationswiderstandes unter trockenen Bedingungen (50% rel. Feuchte) durch Zumischung von geringen Mengen an CQD’s. The admixture of CQD's to the conductive coating caused a significant reduction in the DC resistance between the anodically and cathodically polarized electrodes consisting of the conductive coating. This is equivalent to a significant reduction in the polarization resistance under dry conditions (50% relative humidity) by adding small amounts of CQD's.
Nach Beendigung der Widerstandsmessungen wurden die Haftzugsfestigkeiten (HZF) der leitfähigen Beschichtung gemessen: Die Zugmischung von CQD’s bewirkte eine Erhöhung der Haftung der leitfähigen Beschichtung auf dem Beton. After completing the resistance measurements, the tensile bond strengths (MTS) of the conductive coating were measured: The tensile mix of CQD's acted to increase the adhesion of the conductive coating to the concrete.
Beispiel 3: Example 3:
Analog zu Beispiel 2 wurden Betonplatten L x B x H = 40 x 20 x 4 cm mit Verbundanoden beschichtet. Analogously to Example 2, concrete slabs L×W×H=40×20×4 cm were coated with composite anodes.
Vor dem Auftrag der leitfähigen Beschichtung wurde jedoch ein sogenannter Primer, auch Grundierung genannt, aufgetragen. Wie dem Fachmann bekannt ist, werden bei der Beschichtung von Betonoberflächen mit Mörtel, organischen Beschichtungen, Folien etc. zur Erhöhung der Haftung eine Grundierung, auch als Primer bezeichnet, aufgetragen. Der Primer bildet keine Beschichtung, sondern wird von der Betonüberdeckung kapillar aufgesaugt - die Betonoberfläche wird mit dem Primer imprägniert. Als Primer wurde eine alkalische wässrige Kalium-Silikat-Lösung (24.5% Si02, 24.8% K20) mit Wasser 1:6 verdünnt verwendet. Before applying the conductive coating, however, a so-called primer, also known as a primer, was applied. As is known to those skilled in the art, when concrete surfaces are coated with mortar, organic coatings, foils, etc., a primer, also referred to as a primer, is applied to increase adhesion. The primer does not form a coating, but is absorbed by the concrete cover capillary - the concrete surface is impregnated with the primer. An alkaline aqueous potassium silicate solution (24.5% SiO 2 , 24.8% K 2 O) diluted with water 1:6 was used as a primer.
Es wurden jeweils 200 g Primer /m2 Betonoberfläche aufgetragen. Die leitfähige Beschichtung wurde wie in Beispiel 2 beschrieben 24 Stunden nach dem Auftrag des Primers aufgetragen. Die Unterseite der Betonplatte wurde ohne Auftrag eines Primers mit dem elektrisch leitfähigen Anstrich beschichtet. Analog zu Beispiel 2 wurden die Gleichstromwiderstände bei 2,0 Volt bestimmt: In each case 200 g of primer/m2 of concrete surface were applied. The conductive coating was applied as described in Example 2 24 hours after application of the primer. The underside of the concrete slab was coated with the electrically conductive paint without the application of a primer. Analogously to example 2, the DC resistances were determined at 2.0 volts:
Auch in diesem Beispiel zeigt sich, dass eine Zumischung von 0,02 Gew. % CQD’s zu einer signifikanten Erniedrigung des Polarisationswiderstands führt. This example also shows that adding 0.02% by weight of CQDs leads to a significant reduction in the polarization resistance.
Beispiel 4: Example 4:
Analog zu Beispiel 2 wurden Betonplatten L x B x H = 40 x 20 x 4 cm mit dem Verbundanstrich beschichtet. Vor dem Auftrag der leitfähigen Beschichtung wurde wie in Beispiel 3 ein Primer aufgetragen. Als Primer wurde wie in Beispiel 3 beschrieben eine alkalische wässrige Lösung von Kaliumsilikat verwendet. Es wurden jeweils 200 g Primer /m2 Betonoberfläche aufgetragen. Die leitfähige Beschichtung wurde wie in Beispiel 4 beschrieben 24 Stunden nach dem Auftrag des Primers aufgetragen. Die Unterseite der Betonplatte wurde ohne Auftrag eines Primers mit dem elektrisch leitfähigen Anstrich beschichtet. Analogously to Example 2, concrete slabs L×W×H=40×20×4 cm were coated with the composite paint. A primer was applied as in Example 3 prior to application of the conductive coating. As described in Example 3, a primer was used alkaline aqueous solution of potassium silicate used. In each case 200 g of primer/m2 of concrete surface were applied. The conductive coating was applied as described in Example 4 24 hours after application of the primer. The underside of the concrete slab was coated with the electrically conductive paint without the application of a primer.
Analog zu Beispiel 2 wurden die Gleichstromwiderstände bei 2,0 Volt bestimmt, zusätzlich wurden auch die Impedanzen bei 120 Hz und 1 KHz bestimmt: Analogously to example 2, the DC resistances were determined at 2.0 volts, and the impedances at 120 Hz and 1 KHz were also determined:
Der Vergleich der Proben 1 (Nur Verbundanstrich) mit Probe 2 (Primer + 0,05% CQD/Polyether + Verbundanstrich) zeigt eine signifikante Reduktion desComparing sample 1 (composite paint only) to sample 2 (primer + 0.05% CQD/polyether + composite paint) shows a significant reduction in
Gleichstromwiderstandes. Ebenso zeigt der Vergleich der Proben 3 (0,05% CQD/Polyether als Primer + Verbundanstrich) mit Probe 4 (Polyether als Primer + Verbundanstrich) eine Reduktion des Gleichstromwiderstandes auf die Hälfte. Der Einfluss der CQD’s auf den Wechselstromwiderstand ist deutlich geringer. Beispiel 5: DC resistance. Also, comparing sample 3 (0.05% CQD/polyether as primer + composite paint) to sample 4 (polyether as primer + composite paint) shows a reduction in DC resistance by half. The influence of the CQD's on the AC resistance is significantly lower. Example 5:
Analog zu Beispiel 4 wurden Betonplatten L x B x H = 40 x 20 x 4 cm mit Verbundanoden beschichtet. Analogously to Example 4, concrete slabs L×W×H=40×20×4 cm were coated with composite anodes.
Vor dem Auftrag der leitfähigen Beschichtung wurde wie in Beispiel 3 ein Primer aufgetragen. Als Primer wurde wie in Beispiel 3 beschrieben eine alkalische wässrige Lösung von Kaliumsilikat verwendet. Es wurden jeweils 200 g Primer /m2 Betonoberfläche aufgetragen. Die leitfähige Beschichtung wurde wie in Beispiel 4 beschrieben 24 Stunden nach dem Auftrag des Primers aufgetragen. Die Unterseite der Betonplatte wurde ohne Auftrag eines Primers mit dem elektrisch leitfähigen Anstrich beschichtet. A primer was applied as in Example 3 prior to application of the conductive coating. As described in Example 3, an alkaline aqueous solution of potassium silicate was used as the primer. In each case 200 g of primer/m2 of concrete surface were applied. The conductive coating was dried as described in example 4 for 24 hours applied after applying the primer. The underside of the concrete slab was coated with the electrically conductive paint without the application of a primer.
Analog zu Beispiel 2 wurden die Gleichstromwiderstände bei 2,0 Volt und die Haftzugsfestigkeiten, zusätzlich wurden auch die Impedanzen bestimmt: Die Ergebnisse zeigen eine klare Korrelation der Menge an zugegebenen CQD’s und dem gemessenen Gleichstromwiderstand. Der Einfluss der CQD’s auf den Wechselstromwiderstand ist deutlich geringer. Analogously to example 2, the DC resistances at 2.0 volts and the adhesive strengths were also determined, and the impedances were also determined: The results show a clear correlation of the amount of CQD's added and the measured DC resistance. The influence of the CQD's on the AC resistance is significantly lower.
Beispiel 6: Example 6:
Analog zu Beispiel 4 wurden Betonplatten L x B x H = 40 x 20 x 4 cm mit Primer + Verbundanoden sowie mit Primer + Verbundanode mit einem Gehalt an 0,04 % and CQD’s beschichtet. Wobei es sich bei dem Primer um einen Alumo-Silicat-Primer handelte, der durch Vermischen des Alkalisilikatprimers nach Beispiel 3 mit der Komponente B nach Beispiel 1 in einem Mischungsverhältnis von 30:1 hergestellt wurde. Es wurden ca. 200 g Alumo-Silikatprimer/m2 Betonoberfläche aufgetragen. Nach einer Aushärtezeit von 14 Tagen wurde zuerst eine Spannung von 2 Volt und nach Stabilisierung des gemessenen Stromes 3 Volt angelegt. Aus der gemessenen Shunt-Spannung wurde der Gleichstrom, der zwischen Anode und Kathode (Verbundanstrich auf der gegenüberliegenden Seite der Betonplatte) floss und daraus der spezifische Widerstand berechnet. Die Impedanzen wurden nach dem Ausschalten des Gleichstromes bzw. der Unterbrechung der angelegten Spannung gemessen. Die Haftzugsfestigkeiten wurden mit einem PROCEQ Dyna Z16 und mit 3M DP 100 Epoxidharz-Kleber gemessen. Analogously to Example 4, concrete slabs L×W×H=40×20×4 cm were coated with primer+composite anodes and with primer+composite anode containing 0.04% and CQDs. The primer being an alumino-silicate primer which was prepared by mixing the alkali silicate primer according to example 3 with component B according to example 1 in a mixing ratio of 30:1. Approx. 200 g alumino-silicate primer/m 2 concrete surface was applied. After a curing time of 14 days, a voltage of 2 volts was applied first and then 3 volts after the measured current had stabilized. From the measured shunt voltage, the direct current that flowed between the anode and cathode (composite coating on the opposite side of the concrete slab) was calculated, and from this the specific resistance was calculated. The impedances were measured after switching off the direct current or interrupting the applied voltage. Bond strengths were measured using a PROCEQ Dyna Z16 and 3M DP 100 epoxy adhesive.
Einfluss von Strom und Spannung auf spezifischen Widerstand und Haftzugsfestigkeiten, relative Feuchte: 45 %, 20,0 °C Temperatur Influence of current and voltage on specific resistance and adhesive strength, relative humidity: 45%, 20.0 °C temperature
Die Zumischung der CQD’s bewirkt eine signifikante Erniedrigung des Gleichstrom widerstandes während die Impedanz zunimmt - diese deutet darauf hin, dass die CQD’s vor allem den Polarisationswiderstand erniedrigen. Die CQD’s bewirken eine deutliche Zunahme der Haftzugsfestigkeiten 77 Tage nach dem Aufträgen des Verbundanstriches. The admixture of the CQD's causes a significant reduction in the DC resistance while the impedance increases - this indicates that the CQD's primarily lower the polarization resistance. The CQD's cause a significant increase in bond strength 77 days after application of the composite paint.
Beispiel 7: Example 7:
Um den selektiven Einfluss von CQD’s auf die anodische und kathodische Polarisation zu untersuchen, wurden Prüfplatten wie in Beispiel 4 hergestellt wurden und gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass die CQD’s sich auf den Polarisationswiderstand an der Kathode deutlich stärker auswirken als auf den Polarisationswiderstand an der Anode: In order to investigate the selective influence of CQD's on the anodic and cathodic polarization, test plates were produced and measured as in example 4. The results show that the CQD's have a much stronger effect on the polarization resistance at the cathode than on the polarization resistance at the anode:
Relative Feuchte: 45 %, 20,0 °C Temperatur, Dauer der Polarisation: 10 Tage Beispiel 8: Relative humidity: 45%, 20.0 °C temperature, duration of polarization: 10 days Example 8:
Eine galvanische Zinkanode im Labormaßstab wurde folgendermaßen hergestellt: Es wurde ein Betonprüfkörper (L x B x H = 27 x 19 x 5 cm) aus Standardbeton (w/c = 0,47, Zementgehalt 350 kg/m3) mit einem Chloridgehalt von 3 Gew.% Chlorid/Zementgewicht in den ein Bewehrungsstahlgitter (24 x 15 cm, bestehend aus 5 Stahlstäben längs parallel mit einem Durchmesser von 10 mm und 2 Stahlstäben quer mit einem Durchmesser von 6 mm, alle Stahlstäbe waren mittels Elektroschweißung miteinander verbunden) mit einer Betonüberdeckung von 2 cm eingebettet war, hergestellt. Aus dem Stahlgitter ragte ein 6 mm Stahlstab aus dem Betonprüfkörper für die Herstellung einer elektrischen Verbindung zum Bewehrungsstahlgitter. Die Betonprüfkörper wurden 1 Monat bei 99% rel. Feuchte und anschließend 2 Monate im Labor (RT, rel. Feuchte ca. 45%) trocken gelagert. A laboratory-scale galvanic zinc anode was produced as follows: A concrete test specimen (L x W x H = 27 x 19 x 5 cm) made of standard concrete (w/c = 0.47, cement content 350 kg/m 3 ) with a chloride content of 3 Wt.% chloride/cement weight in which a reinforcing steel grid (24 x 15 cm, consisting of 5 longitudinal parallel steel bars with a diameter of 10 mm and 2 transverse steel bars with a diameter of 6 mm, all steel bars were connected to each other by means of electric welding) with a concrete cover embedded by 2 cm. A 6 mm steel rod protruded from the steel grid from the concrete test specimen for the production of an electrical connection to the reinforced steel grid. The concrete specimens were 1 month at 99% rel. Humidity and then stored dry for 2 months in the laboratory (RT, relative humidity approx. 45%).
Der Betonprüfkörper wurde mit einem erfindungsgemäßen Bindemittel, bestehend aus 2 Komponenten und einem Füllstoff (gebrochener Marmorsand 0,2 - 0,5 mm), beschichtet.The concrete test specimen was coated with a binder according to the invention, consisting of 2 components and a filler (crushed marble sand 0.2-0.5 mm).
Das Bindemittel wurde wie folgt hergestellt: The binder was made as follows:
Mischungsverhältnis A : B : F = 1 : 0,5 : 1 Mixing ratio A : B : F = 1 : 0.5 : 1
Auf den Betonprüfkörper wurde eine Zinkgitteranode (99,9% Zink, Maschenweite 7 mm, Drahtstärke 1,1 mm) installiert, indem zuerst das erfindungsgemäße Bindemittel mit einer Schichtstärke von 2 mm aufgetragen wurde, dann das Zinkgitter (26 x 19 cm) aufgelegt wurde und in weiterer Folge das Zinkgitter durch Auftrag von weiteren ca. 4 mm des erfindungsgemäßen Bindemittels eingebettet wurde. Durch Anlöten einer 1,5 mm2 Kupferlitze mit einer Länge von ca. 2 m wurde eine elektrische Verbindung hergestellt. Ebenso wurde eine elektrische Verbindung zum Bewehrungsstahlgitter hergestellt. Für die Einbettung des Zinkgitters wurde ein Bindemittel nach EP 2313352 A1 mit einem Si02/(Ca0+Mg0+AI203) Verhältnis von 1,7 und einem molaren Si02/AI203 Verhältnis von 12 verwendet. Das Bindemittel wurde durch Vermischen von 2 flüssigen Komponenten (Komponente A und Komponente B), wobei die Komponente B mit unterschiedlichen Mengen an erfindungsgemäßen CQD’s versetzt war, sowie einem Eintrag eines Füllstoffes (Marmorsand 0,2 - 0,5 mm) mit folgendem Mischverhältnis: A / B / Füllstoff = 1 / 0,5 / 1 hergestellt. Die CQD’s wurden als Kolloid - suspendiert in Polyoxyethylen - zu Komponente B hinzugegeben, und zwar in folgenden Mengen: A zinc grid anode (99.9% zinc, mesh size 7 mm, wire thickness 1.1 mm) was installed on the concrete test specimen by first applying the binder according to the invention with a layer thickness of 2 mm and then placing the zinc grid (26×19 cm). was and then the zinc grid was embedded by applying another 4 mm of the binder according to the invention. An electrical connection was made by soldering on a 1.5 mm2 copper wire with a length of approx. 2 m. An electrical connection to the reinforced steel grid was also established. A binder according to EP 2313352 A1 with an SiO 2 /(CaO+MgO+Al 2 O 3 ) ratio of 1.7 and a molar SiO 2 /Al 2 O 3 ratio of 12 was used for embedding the zinc lattice. The binder was created by mixing 2 liquid components (component A and component B), where component B was mixed with different amounts of CQD's according to the invention, and adding a filler (marble sand 0.2 - 0.5 mm) with the following mixing ratio: A / B / Filler = 1 / 0.5 / 1 manufactured. The CQD's were added as a colloid - suspended in polyoxyethylene - to Component B in the following amounts:
Die Konzentration der CQD’s wurde spektrophotometrisch mittel UV/VIS Spektroskopie bestimmt. Die CQD’s weisen einen Absorptionspeak bei 260 nm mit einem Extinktionskoeffizienten von 1 ,3*106 Mol 1cnr1 auf. The concentration of the CQD's was determined spectrophotometrically using UV/VIS spectroscopy. The CQD's have an absorption peak at 260 nm with an extinction coefficient of 1.3*10 6 mol 1 cnr 1 .
Die so hergestellte auf dem Betonprüfkörper aufgetragene erfindungsgemäße eingebettete Zinkanode (EZ-Anode) wurde 1 Woche bei 99% relativer Feuchte gelagert. Nach der Aushärtung der EZ-Anode wurden mit einem Sn/Zn - Lot je eine einen Meter lange Kupferlitze mit einem Litzenquerschnitt von 1,5 mm2 angelötet. The embedded zinc anode according to the invention (EZ anode) produced in this way and applied to the concrete test specimen was stored at 99% relative humidity for 1 week. After the EZ anode had hardened, a one meter long copper wire with a wire cross section of 1.5 mm2 was soldered on with an Sn/Zn solder.
Der mit der EZ-Anode versehene Betonprüfkörper wurde bei 75% relativer Feuchte gelagert. Vor Inbetriebnahme wurden die elektrochemischen Potentiale des Bewehrungsstahls und der Zinkanode gemessen. Die EZ-Anode wurde durch Verbindung der EZ-Anode und des Bewehrungsstahls als Kathode über die Kupferlitzen in Betrieb genommen, wobei ein 0,1 Ohm Shunt Widerstand dazwischengeschaltet wurde. Über einen Operationsverstärker wurde der zwischen EZ-Anode und Bewehrungsstahl fließende galvanische Strom gemessen und mittels eines Datenloggers aufgezeichnet. Folgende Ergebnisse wurden erzielt: The concrete specimen fitted with the EZ anode was stored at 75% relative humidity. Before commissioning, the electrochemical potentials of the reinforcing steel and the zinc anode were measured. The EZ anode was powered up by connecting the EZ anode and the rebar as the cathode via the copper strands with a 0.1 ohm shunt resistor in between. The galvanic current flowing between the EZ anode and the reinforcement steel was measured using an operational amplifier and recorded using a data logger. The following results were achieved:
Die Daten zeigen deutlich, dass die galvanischen Ströme mit zunehmender Konzentration an CQD’s zunehmen wobei die Relation Konzentration/galvanischer Strom konsistent ist. Bereits sehr geringe Konzentrationen von CQD’s bewirken eine deutliche Zunahme des galvanischen Stromes - eine Zugabe von 0,1 Gew. % bewirkt eine Erhöhung des galvanischen Stromes um 48%. Die Ergebnisse - niedrige Konzentration an CQD’s mit signifikanter Wirkung und konsistente Korrelation mit der Zugabe Menge - deuten darauf hin, dass die CQD’s überraschenderweise als „Interface“ Katalysatoren wirken - indem sie die Ladungsübertragung an der Anodenoberfläche erleichtern. The data clearly show that galvanic currents increase with increasing concentration of CQD's, with the concentration/galvanic current relationship being consistent. Even very low concentrations of CQD's cause a significant increase in the galvanic current - an addition of 0.1% by weight causes an increase in the galvanic current by 48%. The results - low concentration of CQD's with significant effect and consistent correlation with addition level - suggest that the CQD's surprisingly act as "interface" catalysts - by facilitating charge transfer at the anode surface.
Beispiel 9: Example 9:
In einem weiteren Beispiel wurde der Einfluss von CQD’s auf den galvanischen Strom zwischen einer in ein Alumo-silikatisches Bindemittel (SEZAC der Firma CAS Composite Anode Systems GmbH) eingebettete Zinkanode und in Beton eingebetteten Bewehrungsstahl wie in Beispiel 8 beschrieben über einen Zeitraum von 14 Monaten gemessen: Die Ergebnisse zeigen, dass die Zumischung von 0,018 Gew. % an CQD’s zur Einbett- Bindemittel Matrix die galvanischen Ströme mit zunehmender Betriebsdauer und mit sinkenden Stromdichten signifikant zunehmen. Die Erhöhung der galvanischen Aktivität und damit die Erhöhung der galvanischen Ströme ist vor allem bei geringen galvanischen Strömen ein großer Vorteil. Zudem zeigen die Ergebnisse, dass die Aktivität der CQD’s mit der Betriebsdauer nicht abnimmt. In another example, the influence of CQD's on the galvanic current was measured between a zinc anode embedded in an alumino-silicate binder (SEZAC from CAS Composite Anode Systems GmbH) and reinforcing steel embedded in concrete as described in example 8 over a period of 14 months : The results show that the admixture of 0.018% by weight of CQDs to the embedding binder matrix increases the galvanic currents significantly with increasing service life and with decreasing current densities. The increase in galvanic activity and thus the increase in galvanic currents is a great advantage, especially with low galvanic currents. In addition, the results show that the activity of the CQD's does not decrease with the operating time.
Beispiel 10: Example 10:
Wie in Beispiel 9 wurde eine EZ-Anode auf eine Beton prüf platte mit einem Chloridgehalt von 3 Gew. %/Zementgewicht aufgebracht. As in Example 9, an EZ anode was applied to a concrete test panel having a chloride content of 3% wt/cement wt.
Es wurde ein Bindemittel wie in Beispiel 9 mit einem Si02/(CaO + MgO + AI203) Verhältnis von 1,5 und einem molaren Si02/AI203 Verhältnis von 15 verwendet. Das Mischungsverhältnis von Komponente A zu Komponente B und zum Füllstoff (Marmorsand 0,2 - 0,5 mm) betrug 1 ,0 / 0,5 / 1,0, wie in Beispiel 8. Die Probe 10.1. wurde durch Beschichtung mit einem Bindemittel, dem ein 1,9%iges CQD Kolloid zugesetzt wurde. A binder as in example 9 with a SiO 2 /(CaO + MgO + Al 2 O 3 ) ratio of 1.5 and a SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of 15 was used. The mixing ratio of component A to component B and to the filler (marble sand 0.2-0.5 mm) was 1.0/0.5/1.0, as in Example 8. Sample 10.1. was obtained by coating with a binder to which a 1.9% CQD colloid was added.
Die EZ-Anode wurde wie in Beispiel 8 beschrieben in Betrieb genommen und die galvanischen Ströme im Abstand von 30 min aufgezeichnet. Folgende Resultate wurden erzielt: The EZ anode was started up as described in example 8 and the galvanic currents were recorded every 30 minutes. The following results were achieved:
Wie in Beispiel 8 und 9 bewirkt die Beimischung von CQD’s eine deutliche Erhöhung der galvanischen Ströme. As in examples 8 and 9, the addition of CQDs causes a significant increase in the galvanic currents.
Beispiel 11: Example 11:
Wie in Beispiel 9 beschrieben, wurde eine EZ-Anode auf einer Betonprüfplatte installiert. Es wurde derselbe Beton, jedoch ohne Zusatz von Natriumchlorid, somit Chlorid frei, verwendet.As described in Example 9, an EZ anode was installed on a concrete test panel. The same concrete was used, but without the addition of sodium chloride, i.e. chloride-free.
Es wurde ein Bindemittel wie in Beispiel 8 mit einem Si02/(CaO + MgO + AI203) Verhältnis von 2 und einem molaren Si02/AI203 Verhältnis von 9 verwendet. Das Mischungsverhältnis von Komponente A zu Komponente B und zum Füllstoff (Marmorsand 0,2 - 0,5 mm) betrug 1 ,0 / 0,5 / 1 ,0, wie in Beispiel 9. A binder as in example 8 with a SiO 2 /(CaO + MgO + Al 2 O 3 ) ratio of 2 and a SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of 9 was used. The mixing ratio of component A to component B and to the filler (marble sand 0.2-0.5 mm) was 1.0/0.5/1.0, as in example 9.
Die EZ-Anode wurde wie in Beispiel 8 beschrieben in Betrieb genommen und die galvanischen Ströme im Abstand von 30 min aufgezeichnet. Folgende Resultate wurden erzielt: The EZ anode was started up as described in example 8 and the galvanic currents were recorded every 30 minutes. The following results were achieved:
Die Beimischung von 0,05 Gew. % CQD’s zum Bindemittel bewirkt eine Erhöhung des galvanischen Stroms um 40%. The addition of 0.05% by weight of CQDs to the binder increases the galvanic current by 40%.
Beispiel 12: Example 12:
Ein wesentlicher limitierender Faktor beim Betrieb von galvanischen Anoden für den Korrosionsschutz von Stahl ist die Autokorrosion der Anode. Ein einfacher Indikator fürA significant limiting factor in the operation of galvanic anodes for the corrosion protection of steel is the auto-corrosion of the anode. A simple indicator of
Autokorrosion ist das elektrochemische Potential der galvanischen Anode - anhand einer in ein Alumo-Silikathaltiges Bindemittel eingebettete Zinkanode wird die Auswirkung von QND’s (CQD’s) auf die Autokorrosion einer Zinkanode dargestellt: Auto-corrosion is the electrochemical potential of the galvanic anode - the effect of QND's (CQD's) on the auto-corrosion of a zinc anode is shown using a zinc anode embedded in an alumino-silicate-containing binder:
Wie in Beispiel 8 beschrieben, wird eine Zinkgitter als Zinkanode in das in Beispiel 8 beschriebene Alumo-Silikat Bindemittel, dotiert mit unterschiedlichen QND-Gehalten, eingebettet. Nach dem Aushärten des Bindemittels wurden gegenüber einer Standard Ag/AgCI Referenzelektrode, die mittels eines angefeuchteten Schwammes auf die eingebettete Zinkanode aufgesetzt wurde, das elektrochemische Potential gemessen. Die Messung erfolgte mit einem FLUKE 287 Multimeter mit einer Messimpedanz von 10 MegaOhm. As described in Example 8, a zinc grid is embedded as a zinc anode in the alumino-silicate binder described in Example 8, doped with different QND contents. After the binder had hardened, the electrochemical potential was measured against a standard Ag/AgCl reference electrode, which was placed on the embedded zinc anode using a moistened sponge. The measurement was made with a FLUKE 287 multimeter with a measuring impedance of 10 MegaOhm.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine Zumischung von CQD’s kein erhöhte Autokorrosion der galvanischen Zinkanode bewirkt. The results show that an admixture of CQD's does not cause increased auto-corrosion of the galvanic zinc anode.
Beispiel 13: Auf einer Betonplatte (20 x 10 x 2 cm) wurde auf der Oberseite eine Verbundanode wie in Beispiel 2 beschrieben, aufgetragen, auf einerweiteren identischen Betonplatte wurde eine Verbundanode, der 0,018 Gew% CQD’s zugemischt worden waren, aufgetragen. Auf der Unterseite der Betonplatten wurde derselbe leitfähige Verbundanstrich wie auf der Oberseite der Betonplatte, ohne Zumischung von CQD’s, aufgetragen. Der auf der Oberseite aufgetragene leitfähige Anstrich wurde als Anode polarisiert, der auf der Unterseite aufgetragene leitfähige Anstrich wurde kathodisch polarisiert. Die Stromzufuhr erfolgte über in die Verbundanode eingebettete 1 cm breite und 0,25 mm dicke Bleibänder, die über angelötete 1,5 mm2 Kupferlitzen einem digital steuerbaren Gleichstromversorgungseinheit verbunden waren. Die Ströme wurden von einem Grant 2020 Series Datenlogger aufgezeichnet. Example 13: A composite anode as described in Example 2 was applied to the top of a concrete slab (20×10×2 cm), and a composite anode to which 0.018% by weight of CQDs had been mixed was applied to another identical concrete slab. The same conductive composite paint was applied to the underside of the concrete slabs as to the top of the concrete slab, without the admixture of CQD's. The conductive paint applied on the top was polarized as anode, the conductive paint applied on the bottom was polarized as cathodic. The current was supplied via 1 cm wide and 0.25 mm thick lead strips embedded in the composite anode, which were connected to a digitally controllable DC power supply unit via soldered 1.5 mm 2 copper strands. Currents were recorded by a Grant 2020 Series data logger.
Strom Anode/Kathode [mA/m2] Current anode/cathode [mA/m2]
Time [d] rf % Voltage [V] 0% CQD 0,018% CQD Diff % Time [d] rf % Voltage [V] 0% CQD 0.018% CQD Diff %
10 80 2,00 5,70 6,80 19% 10 80 2.00 5.70 6.80 19%
20 80 2,00 3,90 4,40 13% 20 80 2.00 3.90 4.40 13%
30 75 2,00 3,13 3,20 2% 30 75 2.00 3.13 3.20 2%
60 70 4,00 8,17 12,90 58% 60 70 4.00 8.17 12.90 58%
110 60 4,00 4,10 8,80 115% 110 60 4.00 4.10 8.80 115%
122 54 4,00 1,69 2,99 77% 122 54 4.00 1.69 2.99 77%
188 47 4,00 0,51 0,96 89% 188 47 4.00 0.51 0.96 89%
212 54 4,00 0,73 1,48 102% 212 54 4.00 0.73 1.48 102%
240 48 4,00 0,39 0,69 79% 240 48 4.00 0.39 0.69 79%
248 45 4,00 0,31 0,53 71% Die Ergebnisse zeigen, dass die Zumischung von CQD’s eine signifikante Erhöhung der gemessenen Ströme und damit des ohmschen Widerstandes zwischen Anode und Kathode bewirken. Die Wrkung der CQD’s nimmt mit abnehmender Feuchte signifikant (70 - 115%) zu während bei erhöhten Stromdichten und üblichen Umgebungsfeuchten (r.F.70 - 80%) der Effekt merkbar jedoch deutlich geringer ist (2 - 19%). 248 45 4.00 0.31 0.53 71% The results show that the addition of CQDs causes a significant increase in the measured currents and thus in the ohmic resistance between anode and cathode. The effect of the CQD's increases significantly (70 - 115%) with decreasing humidity, while with increased current densities and normal ambient humidity (RH70 - 80%) the effect is noticeably lower (2 - 19%).
Beispiel 14: Example 14:
Je eine Hälfte einer Standardbetonplatte 40 cm x 40 cm x 4 cm wurde mit dem in Beispiel 8 beschriebenen Bindemittel nach EP 2313352 A1 mit einer Schichtstärke von 6 mm beschichtet: Auf eine Hälfte (19 cm x 40 cm) wurde mit dem Bindemittel ohne CQD - Zusatz aufgetragen, auf der zweiten Hälfte (19 cm x 40 cm) wurde das Bindemittel mit einem Zusatz von 0,04 % CQD’s aufgetragen. One half of a standard concrete slab 40 cm x 40 cm x 4 cm was coated with the binder described in Example 8 according to EP 2313352 A1 with a layer thickness of 6 mm: one half (19 cm x 40 cm) was coated with the binder without CQD - Additive applied, on the second half (19 cm x 40 cm) the binder was applied with an additive of 0.04% CQD's.
Nach 15 Tagen wurden die Haftzugsfestigkeiten gemessen: After 15 days, the tensile strengths were measured:
Bereits ein sehr geringer Zusatz von CQD’s bewirkt eine signifikante Erhöhung der Haftung des erhärteten Bindemittels auf dem Betonuntergrund. Even a very small addition of CQD's causes a significant increase in the adhesion of the hardened binder to the concrete substrate.
Beispiel 15: Example 15:
Je eine Hälfte einer Standardbetonplatte 40 cm x 40 cm x 4 cm wurde, wie in Beispiel 14 beschrieben, mit dem in Beispiel 8 beschriebenen Bindemittel nach EP 2313352 A1 mit einer Schichtstärke von 6 mm beschichtet: Auf eine Hälfte (19 cm x 40 cm) wurde mit dem Bindemittel ohne CQD - Zusatz, jedoch mit einem Poly-alkyl-Äther Zusatz von 1 ,33 Gew.% aufgetragen, auf der zweiten Hälfte (19 cm x 40 cm) wurde das Bindemittel mit Poly-alkyl- Äther Zusatz und zusätzlich mit einem Zusatz von 0,03 % CQD’s aufgetragen. Half of a standard concrete slab 40 cm x 40 cm x 4 cm was coated as described in example 14 with the binder described in example 8 according to EP 2313352 A1 with a layer thickness of 6 mm: on one half (19 cm x 40 cm) was applied with the binder without CQD additive, but with a polyalkyl ether additive of 1.33% by weight. The binder with polyalkyl ether additive and additional was applied to the second half (19 cm×40 cm). applied with an addition of 0.03% CQD's.
Nach 15 Tagen wurden die Haftzugsfestigkeiten gemessen: Nach 28 Tagen wurden folgende Haftzugsfestigkeiten gemessen: After 15 days, the tensile strengths were measured: The following tensile strengths were measured after 28 days:
Bereits ein sehr geringer Zusatz von CQD’s bewirkt eine signifikante Erhöhung der Haftung des erhärteten Bindemittels auf dem Betonuntergrund. Even a very small addition of CQD's causes a significant increase in the adhesion of the hardened binder to the concrete substrate.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Zusammensetzung für Bauzwecke, umfassend 0,001 - 2 Gew.-% Carbon- Quantum-Dots, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung. Claims 1. A composition for building purposes, comprising 0.001-2% by weight of carbon quantum dots, based on the total weight of the composition.
2. Zusammensetzung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung ein Anstrichmittel, Beschichtungsmittel, Bindemittel, Beton oder Mörtel ist. 2. Composition according to claim 1, characterized in that the composition is a paint, coating material, binder, concrete or mortar.
3. Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung 0,005 - 0,5 Gew.-%, vorzugsweise 0,01 - 0,3 Gew.-% Carbon-Quantum-Dots umfasst, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung. 3. Composition according to claim 1 or 2, characterized in that the composition comprises 0.005-0.5% by weight, preferably 0.01-0.3% by weight, of carbon quantum dots, based on the total weight of the composition .
4. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung flüssig ist und bei Raumtemperatur innerhalb von einer Woche aushärtet. 4. Composition according to any one of claims 1-3, characterized in that the composition is liquid and hardens at room temperature within a week.
5. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung ein oder mehrere Verbindungen enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silikat, Siliziumdioxid, Aluminat, Alumosilikat, Graphit, Carbonat, Harz, Silikon, Cellulose und organisches Polymer. 5. Composition according to any one of claims 1-4, characterized in that the composition contains one or more compounds selected from the group consisting of silicate, silicon dioxide, aluminate, aluminosilicate, graphite, carbonate, resin, silicone, cellulose and organic polymer.
6. Zusammensetzung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung mindestens 30 Gew.-% der einen oder mehreren Verbindungen enthält, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung. 6. Composition according to claim 5, characterized in that the composition contains at least 30% by weight of the one or more compounds, based on the total weight of the composition.
7. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung ein oder mehrere Alumosilikate mit der Formel aM20 bAl203 cSi02 umfasst, wobei das Molverhältnis c/b 0,1 - 15 beträgt und das Molverhältnis a/b 0,2 - 10 beträgt, mit M=Li, Na, K und/oder dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung eine oder mehrere Alumosilikate enthält, umfassend Calcium, wobei das Molverhältnis S1O2/AI2O3 < 25 und das das Molverhältnis Si02/(Ca0+Al203) < 10 ist. 7. Composition according to one of Claims 1 - 6, characterized in that the composition comprises one or more aluminosilicates with the formula aM 2 O bAl 2 O 3 cSiO 2 , the molar ratio c/b being 0.1-15 and the molar ratio a/b is 0.2 - 10, with M=Li, Na, K and/or characterized in that the composition contains one or more aluminosilicates comprising calcium, the molar ratio S1O2/Al2O3 < 25 and the molar ratio SiO 2 /(CaO+Al 2 O 3 )<10.
8. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbon-Quantum-Dots bei Anregung mit UV-Licht im Wellenlängenbereich 400 bis 600 nm fluoreszieren. 8. The composition as claimed in any of claims 1-7, characterized in that the carbon quantum dots fluoresce when excited with UV light in the wavelength range from 400 to 600 nm.
9. Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 - 8 in einem Baustoff. 9. Use of a composition according to any one of claims 1-8 in a building material.
10. Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 - 8 in einem Anstrichmittel, Beschichtungsmittel, Bindemittel, Beton oder Mörtel. 10. Use of a composition according to any one of claims 1-8 in a paint, coating material, binder, concrete or mortar.
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