JP2018525316A - 促進剤組成物 - Google Patents

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Abstract

本発明は以下のような組成物の製造方法に関する:以下の成分:aa)水硬性バインダーおよび/または潜在水硬性バインダーの群から選択される少なくとも1種の成分と、bb)水中での無機粒子の分散に適した少なくとも1種の分散剤と、cc)水を互いに接触させる、セメントを硬化させるための促進剤として適する組成物の製造方法であって、ここで成分aa):cc)の質量比が1.5:1〜1:70の間にあり、かつ成分aa):bb)の質量比が20:1〜1:2の間にある、前記製造方法。さらに、建築用化学混合物の硬化促進剤として得られる組成物の使用が開示されている。

Description

本発明は、セメントを硬化させるための促進剤として適切な組成物の製造方法に関する。
セメントの水和では、様々なセメントクリンカー相が水と反応して、実質的にセメント硬化相であるケイ酸カルシウム水和物、エトリンガイト、カルシウム・アルミネート・フェライト相、モノサルフェートおよびポルトランダイトになる。
国際公開第2010026155号(WO2010026155)から、ケイ酸カルシウム水和物を、セメントまたはコンクリートに添加することでセメントの水和を促進することが公知である。セメントの強度発現は、このようなケイ酸カルシウム水和物を添加することで促進される。ここでケイ酸カルシウム水和物は、水溶性カルシウム成分と水溶性ケイ素成分とを、水硬性バインダーのための可塑剤として適切な水溶性櫛形ポリマーの存在下に水溶液中で反応させることで製造される。
独国特許第69407418号明細書(DE69407418)から、殊に人工ポルトランドセメント、粉砕されたポルトランドクリンカーもしくは複合ポルトランドセメント、または前述の出発材料の混合物を水和することで得られるシリケート系水硬性バインダーのための凝結促進剤および硬化促進剤が公知である。しかしながら、その促進効果は多くの適用にとって十分でなく、この促進剤を比較的多量に使用する必要があり、そのため、経済的意義のある使用可能性も制限されてしまう。
本発明が基づく課題は、水硬性凝結バインダーのための硬化促進剤として適し、かつ水硬性凝結バインダー、殊にセメントの初期強度発現を改善する組成物の製造方法を提供することである。初期強度発現とは殊に、水と、水硬性凝結バインダーまたは水硬性凝結バインダー混合物とを混合して6時間後の圧縮強度と理解される。さらに、この組成物は、有利かつ容易に入手可能な原料で経済的に有利に製造可能であるべきである。
この課題の解決策は、以下のような組成物の製造方法である:
以下の成分:
aa)水硬性バインダーおよび/または潜在水硬性バインダーの群から選択される少なくとも1種の成分と、
bb)水中での無機粒子の分散に適した少なくとも1種の分散剤と、
cc)水
を互いに接触させる、セメントを硬化させるための促進剤として適切な組成物の製造方法であって、ここで成分aa):cc)の質量比が1.5:1〜1:70の間にあり、かつ成分aa):bb)の質量比が20:1〜1:2の間にある、前記製造方法。
ここで驚くべきことに、提示された課題を存分に解決できただけでなく、本発明により製造された組成物が製造プロセスから不所望な塩を生じないことが判明した。
少なくとも1種の分散剤bb)が、好ましくは少なくとも2つのモノマー単位を有している水溶性ポリマーを含有していることがさらに好ましい。しかしながら、3つ以上のモノマー単位を有しているコポリマーを使用することも有利であり得る。
本願の意味合いにおいて「水溶性ポリマー」とは、水中で20℃および常圧のもと、少なくとも1グラム/リットル、殊に少なくとも10グラム/リットル、特に好ましくは少なくとも100グラム/リットルの溶解度を有しているポリマーと理解される。
好ましい実施形態において、少なくとも1種の分散剤は、構造単位(I):
Figure 2018525316
(上記式中、
は、ポリマーへの結合箇所を示し、
Uは、化学結合を表すか、または1〜8個のC原子を有しているアルキレン基を表し、
Xは、酸素、硫黄または基NRを意味し、
kは、0または1であり、
nは、平均値がポリマーを基準として3〜300の範囲にある整数を表し、
Alkは、C〜Cアルキレンを表し、ここでAlkは、基(Alk−O)内で同じであるか、または異なっていてよく、
Wは、水素、C〜Cアルキル基またはアリール基を意味するか、または基Y−Fを意味し、ここで
Yは、フェニル環を有していてもよい、2〜8個のC原子を有している直鎖状または分枝鎖状のアルキレン基を表し、
Fは、窒素を介して結合されている5〜10員の窒素ヘテロ環を表し、この窒素ヘテロ環は、環員として、窒素原子および炭素原子の他に、酸素、窒素および硫黄から選択される1個、2個または3個のさらなるヘテロ原子を有していてもよく、ここで窒素環員は基Rを有していてもよく、かつ1個または2個の炭素環員がカルボニル基として存在することができ、
は、水素、C〜Cアルキルまたはベンジルを表し、かつ
は、水素、C〜Cアルキルまたはベンジルを表す)
のポリエーテル基を有している。
本発明による分散剤は、カルボキシエステル基、カルボキシ基、ホスホノ基、スルフィノ基、スルホ基、スルファミド基、スルホキシ基、スルホアルキルオキシ基、スルフィノアルキルオキシ基およびホスホノオキシ基の群からの基を少なくとも1つ有していることが特に好ましい。本発明によるポリマーは酸基を有していることが殊に好ましい。本願において「酸基」という用語は、遊離酸およびその塩のどちらとも理解される。この酸が、カルボキシ基、ホスホノ基、スルフィノ基、スルホ基、スルファミド基、スルホキシ基、スルホアルキルオキシ基、スルフィノアルキルオキシ基およびホスホノオキシ基の群からの少なくとも1つであり得ることが好ましい。カルボキシ基およびホスホノオキシ基が特に好ましい。
特に好ましい実施形態において、分散剤は、
(II)芳香族またはヘテロ芳香族とポリエーテル基とを有している構造単位、ならびに
(III)芳香族またはヘテロ芳香族を有しているリン酸化された構造単位
を有する重縮合生成物を含有している。
構造単位(II)および(III)は、好ましくは以下の一般式:
Figure 2018525316
(上記式中、
Aは、同じであるか、または異なっており、かつ5〜10個のC原子を芳香族系内に有している置換または非置換の、芳香族またはヘテロ芳香族化合物を表し、ここでさらなる基は、構造単位(I)について挙げた意味を有する)、
Figure 2018525316
(上記式中、
Dは、同じであるか、または異なっており、かつ5〜10個のC原子を芳香族系内に有している置換または非置換の芳香族またはヘテロ芳香族化合物を表す)
で表される。
さらに、Eは、同じであるか、または異なっており、かつN、NHまたはOを表し、E=Nの場合はm=2であり、E=NHまたはOの場合はm=1である。
およびRは、互いに独立して、同じであるか、または異なっており、かつ分枝鎖状または非分枝鎖状の、C〜C10アルキル基、C〜Cシクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、またはH、好ましくはH、メチル、エチルまたはフェニル、特に好ましくはHまたはメチル、殊に好ましくはHを表す。さらに、bは、同じであるか、または異なっており、かつ0〜300の整数を表す。b=0の場合はE=Oである。D=フェニル、E=O、RおよびR=H、かつb=1であることが特に好ましい。
重縮合生成物は、以下の式:
Figure 2018525316
(上記式中、
Yは、互いに独立して、同じであるか、または異なっており、かつ(II)、(III)または重縮合生成物のさらなる構成要素を表す)
で表されるさらなる構造単位(IV)を有していることが好ましい。
およびRは、同じであるか、または異なっており、かつH、CH、COOHまたは5〜10個のC原子を有している、置換もしくは非置換の、芳香族もしくはヘテロ芳香族化合物を表すことが好ましい。ここで、構造単位(IV)におけるRおよびRは、互いに独立して、H、COOHおよび/またはメチルを表すことが好ましい。
特に好ましい実施形態において、RおよびRはHを表す。
本発明によるリン酸化された重縮合生成物の構造単位(II)、(III)および(IV)のモル比は、幅広い範囲で変化し得る。構造単位のモル比[(II)+(III)]:(IV)が、1:0.8〜3、好ましくは1:0.9〜2、特に好ましくは1:0.95〜1.2であることが有利であると判明した。
構造単位のモル比(II):(III)は、通常1:10〜10:1、好ましくは1:7〜5:1、特に好ましくは1:5〜3:1である。
重縮合生成物の構造単位(II)および(III)における基AおよびDは、たいてい、フェニル、2−ヒドロキシフェニル、3−ヒドロキシフェニル、4−ヒドロキシフェニル、2−メトキシフェニル、3−メトキシフェニル、4−メトキシフェニル、ナフチル、2−ヒドロキシナフチル、4−ヒドロキシナフチル、2−メトキシナフチル、4−メトキシナフチル、好ましくはフェニルを表し、ここでAおよびDは、互いに独立して選択されてよく、またそれぞれ、上記の化合物の混合物からなっていてよい。基XおよびEは、互いに独立してOを表すことが好ましい。
構造単位(I)におけるnが、5〜280、殊に10〜160、特に好ましくは12〜120の整数を表し、構造単位(III)におけるbが、0〜10、好ましくは1〜7、特に好ましくは1〜5の整数を表すことが好ましい。ここで、長さがnまたはbにより規定される基は、それぞれ均一な構造基からなることができるが、様々な構造基からの混合物であっても有利であり得る。さらに、構造単位(II)および(III)の基は、互いに独立して、同じ鎖長をそれぞれ有していてもよく、ここでnまたはbは、それぞれ1つの数字を表す。しかしながら、基本的には、それぞれ異なる鎖長を有している混合物であることが有利であり、そのため、重縮合生成物における構造単位の基が、nについて、およびそれとは独立してbについて、異なる数値を有している。
特別な実施形態において、本発明はさらに、リン酸化された重縮合生成物のナトリウム塩、カリウム塩、アンモニウム塩および/またはカルシウム塩、好ましくはナトリウム塩および/またはカリウム塩を意図している。
しばしば、本発明によるリン酸化された重縮合生成物は、5000g/mol〜150,000g/mol、好適には10,000〜100,000g/mol、特に好ましくは20,000〜75,000g/molの質量平均分子量を有している。
さらに、本発明により好ましく使用されるリン酸化された重縮合生成物およびその製造については、特許出願である国際公開第2006/042709号(WO2006/042709)および国際公開第2010/040612号(WO2010/040612)を参照し、ここで、これらの内容を本願でも援用する。
さらなる好ましい実施形態において、分散剤は、
(V)カルボン酸、カルボン酸塩、カルボン酸エステル、カルボン酸アミド、カルボン酸無水物およびカルボン酸イミドの群からの基を少なくとも1つ有している少なくとも1種のエチレン性不飽和モノマー、および
(VI)ポリエーテル基を有している少なくとも1種のエチレン性不飽和モノマー、ここでポリエーテル基は、構造単位(I)で表されることが好ましい、
を含むモノマーの混合物を重合することにより得られる少なくとも1種のコポリマーである。
本発明に相応するコポリマーは、少なくとも2つのモノマー単位を有している。しかしながら、3つ以上のモノマー単位を有しているコポリマーを使用することも有利であり得る。
好ましい実施形態において、エチレン性不飽和モノマー(V)は、群(Va)、(Vb)および(Vc)からの以下の一般式:
Figure 2018525316
のうち少なくとも1つで表される。
モノまたはジカルボン酸の誘導体(Va)および環状形態で存在するモノマー(Vb)(ここで、ZはO(酸無水物)またはNR16(酸イミド)である)において、RおよびRは、互いに独立して、水素を表すか、または1〜20個のC原子を有している脂肪族炭化水素基を表し、好適にはメチル基を表す。Bは、H、−COOM、−CO−O(C2qO)−R、−CO−NH−(C2qO)−Rを意味する。
Mは、水素、一価、二価または三価の金属カチオン、好適にはナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオンまたはマグネシウムイオン、さらにアンモニウムまたは有機アミン基を意味し、また、aは、Mが一価、二価または三価のカチオンであるかに応じて1/3、1/2または1である。有機アミン基としては、第一級、第二級または第三級のC1〜20アルキルアミン、C1〜20アルカノールアミン、C5〜8シクロアルキルアミンおよびC6〜14アリールアミンから誘導される置換アンモニウム基を使用することが好適である。相応するアミンの例は、プロトン化された(アンモニウム)形態にある、メチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、エタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、シクロヘキシルアミン、ジシクロヘキシルアミン、フェニルアミン、ジフェニルアミンである。
は、水素、1〜20個のC原子を有している脂肪族炭化水素基、5〜8個のC原子を有している脂環式炭化水素基、6〜14個のC原子を有している、場合によりさらに置換されていてよいアリール基を意味し、q=2、3または4であり、また、r=0〜200、好適には1〜150である。ここで脂肪族炭化水素は、直鎖状または分枝鎖状、ならびに飽和または不飽和であってよい。好ましいシクロアルキル基としてはシクロペンチル基またはシクロヘキシル基、好ましいアリール基としてはフェニル基またはナフチル基が考えられ、これらは殊に、ヒドロキシル基、カルボキシル基またはスルホン酸基によりさらに置換されていてよい。
さらに、ZはOまたはNR16を表し、ここでR16は、互いに独立して、同じであるか、または異なっており、かつ分枝鎖状または非分枝鎖状のC〜C10アルキル基、C〜Cシクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基またはHを表す。
以下の式は、モノマー(Vc)である:
Figure 2018525316
ここで、R10およびR11は、互いに独立して、水素を表すか、または1〜20個のC原子を有している脂肪族炭化水素基、5〜8個のC原子を有している脂環式炭化水素基、6〜14個のC原子を有している置換されていてもよいアリール基を表す。
さらに、R12は、同じであるか、または異なっており、かつ(C2n)−SOH(ただし、n=0、1、2、3または4)、(C2n)−OH(ただし、n=0、1、2、3または4)、(C2n)−PO(ただし、n=0、1、2、3または4)、(C2n)−OPO(ただし、n=0、1、2、3または4)、(C)−SOH、(C)−PO、(C)−OPOおよび(C2n)−NR14 (ただし、n=0、1、2、3または4、bは2または3)を表す。
13は、H、−COOM、−CO−O(C2qO)−R、−CO−NH−(C2qO)−Rを意味し、ここでM、R、qおよびrは、上記の意味を有している。
14は、水素、1〜10個のC原子を有している脂肪族炭化水素基、5〜8個のC原子を有している脂環式炭化水素基、6〜14個のC原子を有している置換されていてもよいアリール基を表す。
さらに、Qは、同じであるか、または異なっており、かつNH、NR15またはOを表し、ここでR15は、1〜10個のC原子を有している脂肪族炭化水素基、5〜8個のC原子を有している脂環式炭化水素基または6〜14個のC原子を有している置換されていてもよいアリール基を表す。
特に好ましい実施形態において、エチレン性不飽和モノマー(VI)は、以下の一般式(VIa):
Figure 2018525316
(上記式中、基はすべて、上記の意味を有している)
で表される。
さらに好ましい実施形態において、エチレン性不飽和モノマー(VI)は、以下の一般式(VIb):
Figure 2018525316
(上記式中、
、R、Rは、互いに独立して、同じであるか、または異なっており、H、CHを意味し、
は、直鎖状または分枝鎖状のC〜C30アルキレンを意味し、
、Rは、互いに独立して同じであるか、または異なっており、H、C〜C20アルキル、C〜C15シクロアルキル、アリール、−CH−O−C〜C20アルキル、CH−O−C〜C20アルケニルを意味し、
ここでRおよびRは、一緒にC〜Cアルキレンを形成することもでき、
は、互いに独立して、同じであるか、または異なっており、H、C〜Cアルキル、
Figure 2018525316
を意味し、
は、C〜C22アルキル、C〜C22アルケニルを意味し、かつ
nは、互いに独立して、同じであるか、または異なっており、2〜200の整数を意味する)
で表される。
殊にコポリマーは、ゲル浸透クロマトグラフィーで測定して、5000〜150,000g/mol、特に好ましくは10,000〜80,000g/mol、極めて特に好ましくは15,000〜60,000g/molの平均分子量(M)を有している。
ポリマーを、サイズ排除クロマトグラフィーにより、平均分子量および転化率について分析する(カラム組み合わせ:Shodex OH−Pak SB 804 HQおよびOH−Pak SB 802.5 HQ、Showa Denko、日本;溶離液:80体積%のHCONH水溶液(0.05mol/l)および20体積%のMeOH;注入量100μl;流速0.5ml/分)。
本発明によるコポリマーが工業規格EN934−2(2002年2月)の要件を満たすことが好適である。
本願のさらに好ましい実施形態は、以下の成分:
aa)水硬性バインダーおよび/または潜在水硬性バインダーの群から選択される少なくとも1種の成分と、
bb)水中での無機粒子の分散に適した少なくとも1種の分散剤と、
cc)水
を、浮遊物割合Mが25質量%より大きくなるまで互いに接触させる本発明による方法であり、
この方法では、Mを以下の方法:
a)固体割合について2グラムの組成物に蒸留水を注ぎ足して100mlの体積にして、懸濁液を製造する
b)メスシリンダー内で20cmの高さが達成されるように、懸濁液をメスシリンダーに入れ替える
c)24時間にわたり20℃で静置する
d)上澄み液をガラスビーカー内に完全へとデカントする
e)以下のものについて質量mおよび固体含量FGを定量的に測定する:
i)メスシリンダー内の沈降物(m沈降物およびFG沈降物)および
ii)上澄み液(m上澄み液およびFG上澄み液
(ここで、浮遊物割合Mは以下のように算出される:
M=FG上澄み液×m上澄み液/(FG沈降物×m沈降物+FG上澄み液×m上澄み液)×100%)
で測定する。
特に好ましい実施形態において、組成物の浮遊物割合Mは、35質量%より大きく、殊に40質量%、45質量%、50質量%、55質量%、60質量%、65質量%、70質量%、75質量%より大きく、特に好ましくは80質量%より大きい。
殊に、成分の接触は、混合しながら行われる。このために、当業者に公知の設備が実質的にすべて適している。
本発明の範囲において、混合(Vermischen oder Mischen)とは、混ぜ合わせまたは均質化であると理解され、これにより、混合する成分の接触が強まり、ひいては所望される生成物の均一かつ/または迅速な形成が可能になるとされる。混合により、できるだけ均質な混合物を調製し、かつ/または化学反応を開始または促進することができる。
混合をもたらす方法は、例えば撹拌、振とう、気体または液体のノズル噴射、および超音波照射である。
混合をもたらす適切な方法および装置は当業者に公知である。適切な混合器は、例えば撹拌釜、ダイナミックミキサーおよびスタティックミキサー、単軸攪拌機、例えばスクレーパー装置付き攪拌機、殊にいわゆるペースト攪拌機、多軸攪拌機、殊にPDSMミキサー、固体用ミキサー、および混合/混練式反応器である。ここで、反応速度および生成物の品質にとって、高いせん断エネルギーを導入する方法が有利である。したがって、本発明による方法を、少なくとも一時的に、歯付きコロイドミル、ビーズミル、ボールミル、超音波装置、ロータ・ステータ(例えばIKAのUltra−Turrax)およびディゾルバーディスクの群からの装置を用いて実施することが殊に好ましい。
好ましい実施形態では、接触を、せん断エネルギーを導入しながら行うが、せん断エネルギーは、組成物1トンあたり、100kWh超、殊に500kWh超、好ましくは1000kWh超、殊に200〜10,000kWh、殊に好ましくは300〜3000kWh導入する。
記載したせん断エネルギーは、1トンの組成物を粉砕する間に使用装置により記録された動力を指す。
殊に、せん断エネルギーの導入を撹拌式ボールミル内で実施することができる。撹拌式ボールミルは、粉砕媒体を有している粉砕チャンバと、粉砕チャンバ内に配置されているステータおよびロータとを備えている。撹拌式ボールミルが、粉砕チャンバ内へ、または粉砕チャンバから、また粉砕チャンバ内で出口開口部の上流に配置されている粉砕媒体分離装置(これは、粉砕物中の一緒に送られてきた粉砕媒体を粉砕物から分離して、それからこの粉砕物を出口開口部を通してこの粉砕空間から排出するのに役立つ)から、粉砕物を供給および排出するための粉砕物用入口開口部および粉砕物用出口開口部を有していることがさらに好ましい。
粉砕チャンバ内で粉砕物に導入される機械的粉砕動力を上げるためには、ロータおよび/またはステータにおいて、粉砕空間に突き出たピンが存在すると好ましい。したがって、一方では、稼働において、直接的に、粉砕物とピンとの間の衝撃により粉砕動力がもたらされる。他方では、さらなる粉砕動力が、直接的に、ピンと粉砕物中の一緒に送られてきた粉砕媒体との間の衝撃により、それから、粉砕物と粉砕媒体との間に起こる衝撃によりもたらされる。また最終的に、粉砕物に及ぼされるせん断力および引張力が、懸濁される粉砕物粒子の粉砕をもたらす。
さらに好ましい実施形態では、成分aa):bb)の質量比は、10:1〜1:2、殊に5:1〜1:1.5、殊に好ましくは3:1〜1:1である。成分aa):cc)の質量比は、1:1〜1:10であり得ることがさらに好ましい。
また、本発明の重要な成分の接触は、時間差で行うことが有利であり得る。ここで、まず成分aa)およびcc)を互いに接触させ、その後に初めて成分bb)を添加することが好ましい。これにより、得られる生成物の有効性が同じままで、使用される分散剤の量を減らすことができる。殊に、成分bb)は、成分aa)およびcc)を接触させてから、5〜60分後、殊に15〜45分後、特に好ましくは20〜40分後に添加することができる。
さらなる好ましい実施形態では、成分bb)の一部を、成分aa)およびcc)の混合時に添加し、成分bb)の残りの部分を、成分aa)およびcc)を接触させてから、0.01t〜1.00t後、殊に0.25t〜1.00t後、特に好ましくは0.5t〜1.00t後に添加する。ここでtは、組成物の製造方法の合計混合時間である。
成分aa)は、水硬性バインダー、殊にポルトランドセメント系セメント(EN197)、特別な特性を有しているセメント(DIN1164)、ホワイトセメント、アルミン酸カルシウムセメントまたはアルミナセメント(EN14647)、スルホアルミン酸カルシウムセメントおよび特殊セメントと理解される。
本願の範囲において、潜在水硬性バインダーとは、殊にポゾラン、火山スラグ、凝灰岩、フライアッシュ、高炉スラグ、マイクロシリカ、カオリン、メタカオリン、活性白土、トラス、ポゾラン土(Puzzolanerde)、キーゼルグール、ならびにアルカリ活性剤、殊に好ましくは水ガラスと組み合わせた珪藻土と理解される。
成分aa)が水硬性バインダー、殊にポルトランドセメント、好ましくはホワイトセメントであることが特に好ましい。
好ましい実施形態において、本発明による方法において互いに接触させる成分は、少なくとも50質量%、好ましくは少なくとも70質量%、殊に少なくとも80質量%、特に好ましくは少なくとも90質量%が、成分aa)、bb)およびcc)からなる。殊に、本発明による方法において互いに接触させる成分は、成分aa)、bb)およびcc)からなることができる。
好ましい実施形態において、さらなる成分dd)としては、SiO源が使用され、例えばコロイド状SiO、高分散性ケイ酸(例えばAerosil、Sipernat)、マイクロシリカまたはフライアッシュが本発明による方法で使用される。ここで殊に、使用される全成分を基準として、1〜20質量%、殊に5〜15質量%の量が考えられる。
さらに、さらなる成分ee)としては、硫酸カルシウム源を使用することができる。ここで殊に、使用される全成分を基準として、1〜10質量%、殊に2〜8質量%の量が考えられる。
さらに、本発明による方法において、微細に分配された形態にあるケイ酸カルシウム水和物を含有している成分ff)を使用することが有利である。例えば国際公開第2010026155号(WO2010026155)の37〜42頁に記載されている組成物が特に適している。ここで殊に、使用される全成分を基準として、1〜15質量%、殊に2〜10質量%の量が考えられる。
本発明による方法を、室温および常圧で実施することができる。しかしながら、反応を促進させるために、より高い温度を選択し、場合によってはより高い圧力で作業することも可能である。この方法を50℃〜250℃の温度で実施することが有利であり得る。ここで、40barまでの圧力を適用することができる。
また、本発明は、セメント、スラグ、好適には顆粒化された高炉スラグ、フライアッシュ、シリカ粉末、メタカオリン、天然ポゾラン、焼成オイルシェール、スルホアルミン酸カルシウムセメントおよび/またはアルミン酸カルシウムセメントを含有している建築用化学混合物の硬化を促進させるための本発明による組成物の使用、好適には、水硬性バインダーとして主にセメントを含有している建築用化学混合物中での前記使用にも関する。
本発明による組成物の計量供給量は、無機バインダーであるセメント、スラグ、好適には顆粒化された高炉スラグ、フライアッシュ、シリカ粉末、メタカオリン、天然ポゾラン、焼成オイルシェール、スルホアルミン酸カルシウムセメントおよび/またはアルミン酸カルシウムセメントを基準として、組成物の固体分が、好適には0.01質量%〜15質量%、好ましくは0.1質量%〜6質量%、特に好ましくは0.1質量%〜5質量%である。本発明による組成物の計量供給量は、セメントを基準として、組成物の固体分が、好適には0.01質量%〜15質量%、好ましくは0.1質量%〜8質量%、特に好ましくは0.5質量%〜5質量%である。
ポルトランドセメント、アルミナ溶融セメント、スルホアルミン酸カルシウムセメントまたは上記の種類のセメントからの混合物から選択されるセメントが好ましい。ポルトランドセメントの種類のセメントが殊に好ましい。
実験V1およびK1について、セメントの熱流量をmW/グラムで経時的に示す。
実施例
浮遊物割合Mの特定
浮遊物割合Mは、粒子状懸濁液の沈降傾向を表し、懸濁液全体の固体に対する一定時間後の上澄み液中の固体の比率から求められる。浮遊物割合Mを特定するために、以下の工程を実施する:
a)100mlメスシリンダーの空の質量mを測定。
b)固体割合について2グラムの本発明による組成物をメスシリンダーに入れ、このメスシリンダーに蒸留水を注ぎ足して100mlの体積にして、振とうにより均質化して懸濁液を製造。希釈工程は、沈降の間に重力場において粒子と粒子の相互作用を低減することを目的としており、そうして沈降過程がストークスの法則に相応して進行可能になる。ここで、メスシリンダーにおける懸濁液の高さは、20cmに達する。
c)懸濁液を24時間にわたり20℃で静置。この際にメスシリンダーを覆い、水の蒸発を最小限にする。
d)24時間後に、上澄み液を、堆積した沈降物からデカントすることで分離。そのために、上澄み液を、用意したガラスビーカー(空の質量m0(上澄み液)は事前に測定された)に移す。ここで、堆積した沈降物と上澄み液が再び混合されることは必ず避けなくてはならない。沈降物と上澄み液との混合は、浮遊物割合Mの測定を不正確にしてしまうだろう。
e)沈降物の質量m沈降物は、デカント後に、沈降物を有しているメスシリンダーを秤量し、メスシリンダーの空の質量mを引くことで測定される。
f)上澄み液の質量m上澄み液は、デカント後に、上澄み液を有しているガラスビーカーを秤量し、ガラスビーカーの空の質量m0(上澄み液)を引くことで測定される。
g)沈降物および上澄み液を新たに均質化する。
h)沈降物および上澄み液から、それぞれ試料を採取し、これらより、試料の質量が一定になるまで105℃で乾燥させることによりそれぞれ固体含量を求める。このために、赤外線加熱による乾燥式秤量器を使用することが好ましい。あるいは、試料を6時間にわたり乾燥キャビネット内に105℃で保管することにより固体含量の測定を行うことができる。よって、乾燥により、上澄み液についての固体含量FG上澄み液、ならびに沈降物についての固体含量FG沈降物が求められる。
i)引き続き、求められた値から浮遊物割合Mを以下のように算出する:
M=FG上澄み液×m上澄み液/(FG沈降物×m沈降物+FG上澄み液×m上澄み液)×100%。
浮遊物割合Mが高いほど、より少ない粒子が24時間後に沈降する。したがって、浮遊物割合M=100%は、本発明による懸濁液が沈降を全く示さないことを表す。
熱量測定
試料の促進能力を評価するために、TA Instrumentsの装置であるTAMAirにおいて等温式熱流束型熱量計を用いて測定を実施した。
ポリマー1および2:
ポリマー1および2を製造するための基本手順:
温度計と、還流冷却器と、2つの供給口のための接続部とを備える1リットル四ツ口フラスコに、ポリエチレングリコールヒドロキシブチル−モノビニルエーテルとNaOH(20%)との40%水溶液を875g予め装入する。各ポリエチレングリコールヒドロキシブチル−モノビニルエーテルの分子量に関しては、詳細が表Bに見られる。その後、この溶液を20℃に冷却する。それから、受けフラスコ内のポリエチレングリコール−ヒドロキシブチル−モノビニルエーテル溶液にゆっくりとアクリル酸(99%)を添加する。ここでpH値は、約4〜5に低下する。引き続き、0.5gの硫酸鉄(II)七水和物、ならびに5gのロンガリットおよびメルカプトエタノールを添加する。手短に撹拌導入した後に、50%過酸化水素をさらに3g計量供給する。ここで温度は、20℃から約30℃〜65℃に上昇する。引き続き、この溶液を10分間撹拌し、それからこの溶液を苛性ソーダ液(20%)で中和する。様々な固体含量を有しているやや黄色く色付いた透明なポリマー水溶液が得られる。ポリカルボキシレートエーテルであるポリマー1およびポリマー2の製造時に使用される化学物質(NaOH、メルカプトエタノールおよびアクリル酸)についての様々な量の記載すべておよび各ポリエチレングリコール−ヒドロキシブチル−モノビニルエーテルの分子量は、以下の表AおよびBから分かる。
Figure 2018525316
表Bは、吹付助剤として使用されるポリカルボキシレートエーテルの構造パラメーターの一覧を示す。
Figure 2018525316
ポリマー3:
ポリマー3は、PhenolPEG5000、フェノキシエタノールホスフェートおよびホルムアルデヒドの単位からの縮合物である。分子量Mは25730g/molである。ポリマーを、国際公開第2015/091461号(WO2015/091461)のポリマー7に相応して製造した(表1および2)。固体含量は33.7質量%である。
ポリマー4:
ポリマー4は、ヒドロキシエチルメタクリレートと、リン酸エステルと、メタクリル酸のエステルと、5,000g/molの分子量を有しているメチルポリエチレングリコールとから重合された櫛形ポリマーである。合成は、国際公開第2014/026938号(WO2014/026938)からのP1の製造に相応して実施された。分子量Mは36600g/molである。ポリマー溶液の固体含量は28.8質量%である。
BNS:
BNSは、ナフタリンスルホネート系の市販で入手可能な分散剤である。Giovanni Bozetto S.p.A.の製品Flube CA40を使用した。固体含量は42質量%である。
ブランク
50gのMilke CEM I 52,5Rを水40gと混合し、90秒間、IKAのパドル型攪拌機により750rpmで均質化した。この均質なセメントペーストから3gを等温式熱流束型熱量計に送った。
例1(本発明による)
2リットルPEプラスチックボトルに、AalborgのホワイトセメントCEM I 52,5Rを50g秤量して入れた。引き続き、ポリカルボキシレートエーテル(分散剤;商標名:Melflux 6681F)40gをプラスチックボトル内に秤量して入れた。この混合物に、水道水を900g加えた。このボトルをプラスチック製の蓋で閉じ、セメントが乾いたままの沈降物がもはや存在しなくなるまで、手で強く振とうした。その後、マグネチックスターラを入れ、混合物を250rpmで2ヶ月にわたり23℃で撹拌した。
10.1質量%の固体含量を有している懸濁液ができあがる。質量が一定になるまで試料を105℃で乾燥することにより固体含量を求める。
浮遊物割合M:80.1%。
例2(比較例)
2リットルPEプラスチックボトルに、AalborgのホワイトセメントCEM l 52,5Rを50g秤量して入れた。セメントに水道水を900g加えた。このボトルをプラスチック製の蓋で閉じ、セメントが乾いたままの沈降物がもはや存在しなくなるまで、手で強く振とうした。その後、マグネチックスターラを入れ、混合物を250rpmで2ヶ月にわたり23℃で撹拌した。ここで、微粒子状の白い懸濁液ができあがり、これは、撹拌されないと、極めて短い時間でほぼ完全に沈降する。
6.1質量%の固体含量を有している懸濁液ができあがる。質量が一定になるまで試料を105℃で乾燥することにより固体含量を求める。
浮遊物割合M:29.2%。
比較例V1
100gのMilke CEM I 52,5Rを40gの水と混合し、90秒間、IKAのパドル型攪拌機により500rpmで均質化した。この均質なセメントペーストから3gを等温式熱流束型熱量計に送った。
比較例V2
100gのMilke CEM I 52,5Rを、例2からの試料12.5gおよび水28.26gと混合した。したがって、水/セメントの比率は0.4に等しい。引き続き、例2からの試料を含有している均質なセメントペースト3gを等温式熱流束型熱量計に送った。
本発明による例
K1(熱量測定)
100gのMilke CEM I 52,5Rを、例1からの試料12.5gおよび水28.76gと混合した。したがって、水/セメントの比率は0.4に等しい。引き続き、例1からの試料を含有している均質なセメントペースト3gを等温式熱流束型熱量計に送った。
表1はこれらの結果を要約している。
Figure 2018525316
試料を比較するために、熱流量における傾きの最大値を2〜8時間の間それぞれ求め、これらを比較例V1の傾きと関連付ける。相対的な傾きの測定を、刊行物であるL.Nicoleau(2012)に相応して実施した(L.Nicoleau:The acceleration of cement hydration by seeding:Influence of the cement mineralogy、Ibausil 18.Internationale Baustofftagung in Weimar(2012)、議事録1−0330〜1−0337頁)。ここで水和熱は、セメント含有建材混合物の初期強度の発現と相関関係にある(C,Hesse(2014)による講演:Kleine Teilchen mir grosser Wirkung−Neue Wege der Beschleunigung、6.HeidelbergCement Bauchemie−Tage in Muenster、2014年4月3日、ミュンスター)。
図1は、実験V1およびK1について、セメントの熱流量をmW/グラムで経時的に示す。
一般例3:振とう器内での粉砕
Duranの0.5リットルガラス瓶に、直径0.8〜1mmのZrO粉砕ビーズを1000g秤量して入れた。風袋質量を量り、例3.1〜3.11について、AalborgのホワイトセメントCEM I 52,5Rを20g添加した。例3.12〜3.14については、AalborgのホワイトCEM I 52,5RとSalzgitterの水砕スラグとの1:1(w/w)混合物20gを添加した。表2に従って、セメント:ポリマーの特定比率が生じるように、ポリマー1、2、3、4またはBNSのポリマー溶液を添加した。ここでポリマーの計量供給は、ポリマー溶液中のポリマーにおける固体含量を基準とする。その後、200g不足している質量を脱イオン水で注ぎ足した。この瓶をプラスチック製の蓋で閉じた。4本の瓶を、それぞれ振とう器(Fast&Fluid ManagementのSK300)内に固定し、所定の期間にわたり振とうした(表2参照)。できあがった懸濁液を篩でふるい落とし、粉砕ビーズを水50mlで付着している懸濁液から洗い落とした。懸濁液の固体含量を、質量が一定になるまで試料を130℃で乾燥することにより求めた。
Figure 2018525316
例3.1および3.5は、独国特許第69407418号明細書(DE69407418)に相応する比較例である。独国特許第69407418号明細書(DE69407418)では、具体的な分散剤および使用量は開示されていなかったため、例3.5では、標準的な分散剤としてBNSを通常の使用量で使用した。
例3.1、3.3および3.5については、独国特許第69407418号明細書(DE69407418)の規定に従って沈降係数を特定した。a)これらの例で得られる懸濁液を、懸濁液中に含有される固体含量について10gが含有されるように、沈降シリンダーに移した。b)引き続き、懸濁液中で得られる水を考慮しながら、脱イオン水で100mlまで注ぎ足した。c)懸濁液を振とうにより均質化し、20℃で48時間にわたり静置した。その後、シリンダーにおける沈降物残渣の高さを読み取った。
例3.1:100%
例3.3:28%
例3.5:100%。
一般例4:撹拌式ボールミル内での粉砕
3.0リットルガラスビーカーの風袋質量を量り、AalborgのホワイトセメントCEM I 52,5Rを200g添加した。場合によっては、表3に従って、4のセメント:ポリマーの特定比率が生じるようにポリマー溶液を添加した。ここでポリマーの計量供給は、ポリマー溶液中のポリマーにおける固体含量を基準とする。その後、2000g不足している質量を脱イオン水で注ぎ足した。この懸濁液を均質になるまで撹拌し、引き続き、撹拌式ボールミルの貯留容器に入れ、分離が起こらないように、そこですぐにIKAのオーバーヘッドスターラーで撹拌した。
粉砕については、Netzsch社のLabStar01タイプの撹拌式ボールミルを使用した。粉砕は、循環式に圧送される懸濁液の温度が30℃になるように、SiCライニングを有しているジャケット冷却式粉砕チャンバ(粉砕空間容積0.93リットル)内で行われた。粉砕チャンバの内部には、ポリウレタン製ディスク式攪拌機(タイプPU−TriNex−993.06/A4)が存在していた。粉砕チャンバを、85体積%の粉砕媒体充填率になるまでZrOビーズ(直径0.8〜1.0mm)で充填した。このかさ体積のビーズを得るために、586.5mlのビーズをメスシリンダー内で量り、引き続き、粉砕チャンバに入れた。
懸濁液を、Ismatec社のぜん動ポンプ(Ismatec−MCP−Prozess−IP65)により、所定の時間(表2参照)にわたり22リットル/hの圧送能力(圧送速度)で、循環式に撹拌式ボールミルを通して圧送した。ボールミルの攪拌機の回転数は、3500rpmであった。
所定の粉砕時間の終了後、粉砕した懸濁液をPE容器に充填した。
粉砕の比エネルギーEを以下の関係式で求めた:
Figure 2018525316
(上記式中、Pは、実際に記録された軸動力(キロワット)であり、撹拌式ボールミルで読み取られ、tは、粉砕時間(h)であり、mは、循環式で圧送されて使用される懸濁液の質量である)。
Figure 2018525316
例3および4における累計水和熱の測定:
a)例3または4からの懸濁液から、懸濁液中に元々含有されているセメント含量について1グラムをビーカーに秤量した。b)懸濁液により添加される水を考慮して、合計水量を脱イオン水で補って20gにした。c)引き続き、Milke CEM I 52,5Rを50g加えた。d)これらの成分をIKAのパドル型攪拌機により750rpmで均質化した。e)この均質なセメントペーストから、3gを等温式熱流束型熱量計に送った。

Claims (14)

  1. 以下の成分:
    aa)水硬性バインダーおよび/または潜在水硬性バインダーの群から選択される少なくとも1種の成分と、
    bb)水中での無機粒子の分散に適した少なくとも1種の分散剤と、
    cc)水
    を互いに接触させ、成分aa):cc)の質量比が1.5:1〜1:70の間にある、セメントを硬化させるための促進剤として適切な組成物の製造方法において、
    成分aa):bb)の質量比が20:1〜1:2の間にあることを特徴とする、前記製造方法。
  2. 少なくとも1種の分散剤が、構造単位(I):
    Figure 2018525316
    (上記式中、
    は、ポリマーへの結合箇所を示し、
    Uは、化学結合を表すか、または1〜8個のC原子を有しているアルキレン基を表し、
    Xは、酸素、硫黄または基NRを意味し、
    kは、0または1であり、
    nは、平均値がポリマーを基準として3〜300の範囲にある整数を表し、
    Alkは、C〜Cアルキレンを表し、ここでAlkは、基(Alk−O)内で同じであるか、または異なっていてよく、
    Wは、水素、C〜Cアルキル基またはアリール基を意味するか、または基Y−Fを意味し、ここで
    Yは、フェニル環を有していてもよい2〜8個のC原子を有している直鎖状または分枝鎖状のアルキレン基を表し、
    Fは、窒素を介して結合されている5〜10員の窒素ヘテロ環を表し、この窒素ヘテロ環は、環員として、窒素原子および炭素原子の他に、酸素、窒素および硫黄から選択される1個、2個または3個のさらなるヘテロ原子を有していてもよく、ここで窒素環員は基Rを有していてもよく、かつ1個または2個の炭素環員がカルボニル基として存在することができ、
    は、水素、C〜Cアルキルまたはベンジルを表し、かつ
    は、水素、C〜Cアルキルまたはベンジルを表す)
    のポリエーテル基を有する水溶性ポリマーを含有していることを特徴とする、請求項1記載の製造方法。
  3. 少なくとも1種の分散剤が、カルボキシエステル基、カルボキシ基、ホスホノ基、スルフィノ基、スルホ基、スルファミド基、スルホキシ基、スルホアルキルオキシ基、スルフィノアルキルオキシ基およびホスホノオキシ基の群からの基を少なくとも1つ有していることを特徴とする、請求項1または2記載の製造方法。
  4. 少なくとも1種の分散剤が、
    (II)芳香族またはヘテロ芳香族とポリエーテル基とを有している構造単位、
    (III)芳香族またはヘテロ芳香族を有しているリン酸化された構造単位
    を有する重縮合生成物を含有していることを特徴とする、請求項1記載の製造方法。
  5. 構造単位(II)および(III)が、以下の一般式:
    Figure 2018525316
    (上記式中、
    Aは、同じであるか、または異なっており、かつ5〜10個のC原子を芳香族系内に有している置換または非置換の、芳香族またはヘテロ芳香族化合物を表し、その他の基は、構造単位(I)について挙げた意味を有している)、
    Figure 2018525316
    (上記式中、
    Dは、同じであるか、または異なっており、かつ5〜10個のC原子を芳香族系内に有している置換または非置換の、芳香族またはヘテロ芳香族化合物を表し、
    Eは、同じであるか、または異なっており、かつN、NHまたはOを表し、
    E=Nの場合はm=2であり、E=NHまたはOの場合はm=1であり、
    およびRは、互いに独立して、同じであるか、または異なっており、かつ分枝鎖状または非分枝鎖状のC〜C10アルキル基、C〜Cシクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基またはHを表し、
    bは、同じであるか、または異なっており、かつ0〜300の整数を表す)
    で表されることを特徴とする、請求項4記載の製造方法。
  6. 前記重縮合生成物が、以下の式:
    Figure 2018525316
    (上記式中、
    Yは、互いに独立して、同じであるか、または異なっており、かつ(II)、(III)または前記重縮合生成物のさらなる構成要素を表す)
    で表されるさらなる構造単位(IV)を有していることを特徴とする、請求項4または5記載の製造方法。
  7. 少なくとも1種の分散剤が、
    (V)カルボン酸、カルボン酸塩、カルボン酸エステル、カルボン酸アミド、カルボン酸無水物およびカルボン酸イミドの群からの基を少なくとも1つ有している少なくとも1種のエチレン性不飽和モノマー、および
    (VI)ポリエーテル基を有している少なくとも1種のエチレン性不飽和モノマー
    を含むモノマーの混合物を重合することにより得られる少なくとも1種のコポリマーを含有していることを特徴とする、請求項1または2記載の製造方法。
  8. エチレン性不飽和モノマー(V)が、群(Va)、(Vb)および(Vc)からの以下の一般式:
    Figure 2018525316
    (上記式中、
    およびRは、互いに独立して、水素を表すか、または1〜20個のC原子を有している脂肪族炭化水素基を表し、
    Bは、H、−COOM、−CO−O(C2qO)−R、−CO−NH−(C2qO)−Rを表し、
    Mは、水素、一価、二価または三価の金属カチオン、アンモニウムイオンまたは有機アミン基を表し、
    aは、1/3、1/2または1を表し、
    は、水素、1〜20個のC原子を有している脂肪族炭化水素基、5〜8個のC原子を有している脂環式炭化水素基、6〜14個のC原子を有している置換されていてもよいアリール基を表し、
    qは、互いに独立して、各(C2qO)単位について同じであるか、または異なって2、3または4であり、
    rは、0〜200を表し、
    Zは、O、NR16を表し、
    16は、互いに独立して、同じであるか、または異なっており、かつ分枝鎖状または非分枝鎖状のC〜C10アルキル基、C〜Cシクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基またはHを表す)、
    Figure 2018525316
    (上記式中、
    10およびR11は、互いに独立して、水素を表すか、または1〜20個のC原子を有している脂肪族炭化水素基、5〜8個のC原子を有している脂環式炭化水素基、6〜14個のC原子を有している置換されていてもよいアリール基を表し、
    12は、同じであるか、または異なっており、かつ(C2n)−SOH(ただし、n=0、1、2、3または4)、(C2n)−OH(ただし、n=0、1、2、3または4)、(C2n)−PO(ただし、n=0、1、2、3または4)、(C2n)−OPO(ただし、n=0、1、2、3または4)、(C)−SOH、(C)−PO、(C)−OPOおよび(C2n)−NR14 (ただし、n=0、1、2、3または4、b=2または3)を表し、
    13は、H、−COOM、−CO−O(C2qO)−R、−CO−NH−(C2qO)−Rを表し、ここでM、R、qおよびrは、上記の意味を有し、
    14は、水素、1〜10個のC原子を有している脂肪族炭化水素基、5〜8個のC原子を有している脂環式炭化水素基、6〜14個のC原子を有している置換されていてもよいアリール基を表し、
    Qは、同じであるか、または異なっており、かつNH、NR15またはOを表し、ここでR15は、1〜10個のC原子を有している脂肪族炭化水素基、5〜8個のC原子を有している脂環式炭化水素基または6〜14個のC原子を有している置換されていてもよいアリール基を表す)
    の少なくとも1つで表されることを特徴とする、請求項7記載の製造方法。
  9. 少なくとも1種の分散剤が、ゲル浸透クロマトグラフィーにより測定して、平均分子量(M)を5000〜150,000g/mol有している少なくとも1種の水溶性ポリマーを含有していることを特徴とする、請求項1から8までのいずれか1項記載の製造方法。
  10. 以下の成分:
    aa)水硬性バインダーおよび/または潜在水硬性バインダーの群から選択される少なくとも1種の成分と、
    bb)水中での無機粒子の分散に適した少なくとも1種の分散剤と、
    cc)水
    を、浮遊物割合Mが25質量%より大きくなるまで互いに接触させ、Mを以下の方法:
    a)固体割合につき組成物2グラムに蒸留水を注ぎ足して100mlの体積にして、懸濁液を製造する
    b)メスシリンダー内で20cmの高さが達成されるように、懸濁液をメスシリンダーに入れ替える
    c)24時間にわたり20℃で静置する
    d)上澄み液をガラスビーカー内へと完全にデカントする
    e)以下のものについて質量mおよび固体含量FGを定量的に測定する:
    i)メスシリンダー内の沈降物(m沈降物およびFG沈降物)および
    ii)上澄み液(m上澄み液およびFG上澄み液
    (ここで、浮遊物割合Mは以下のように算出される:
    M=FG上澄み液×m上澄み液/(FG沈降物×m沈降物+FG上澄み液×m上澄み液)×100%)
    により測定する、請求項1から9までのいずれか1項記載の製造方法。
  11. 接触を、せん断エネルギーを導入しながら行い、組成物1トンあたり100kWh超のせん断エネルギー導入することを特徴とする、請求項1から10までのいずれか1項記載の製造方法。
  12. 成分aa):bb)の質量比が10:1〜1:2の間にあることを特徴とする、請求項1から11までのいずれか1項記載の製造方法。
  13. 成分aa)が水硬性バインダー、殊にポルトランドセメントであることを特徴とする、請求項1から12までのいずれか1項記載の製造方法。
  14. セメント、スラグ、好適には顆粒化された高炉スラグ、フライアッシュ、シリカ粉末、メタカオリン、天然ポゾラン、焼成オイルシェール、スルホアルミン酸カルシウムセメントおよび/またはアルミン酸カルシウムセメントを含有している建築用化学混合物の硬化を促進させるための請求項1から10までのいずれか1項記載の組成物の使用であって、好適には、水硬性バインダーとして主にセメントを含有している建築用化学混合物中での前記使用。
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