JP6218826B2 - 石こうシーディング材料の合成及び使用 - Google Patents

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Description

本発明は、硫酸カルシウム二水和物を製造するための方法に、及び石こうボードの製造のためのそれらの使用に関する。
“石こう”という用語は、化合物の硫酸カルシウム二水和物について、及びこの化合物からなる岩石、並びに、対応する建築材料、硫酸カルシウム半水塩又は無水物について口語的に使用される。硫酸カルシウム二水和物は、地球の歴史において海が蒸発した場合に形成される大きい堆積物中で自然に生じる。さらに、硫酸カルシウム二水和物は、種々の工業方法、例えば排煙脱硫における生成物又は副生成物として得られ、二酸化硫黄が、炭酸カルシウム又は水酸化カルシウムスラリーによって石炭火力発電所の燃焼排ガスから除去される。
120〜130℃の温度まで加熱される場合に、硫酸カルシウム二水和物は、それらにおける再結晶化の水の一部を放出し、そして硫酸カルシウム半水塩に変換される。半水塩を水と混合する場合に、二水和物が、材料を硬化しながら短時間で改質される。
硫酸カルシウム半水塩は、モルタル、スクリード、鋳込型及び特に石こうボードの製造のための重要な建築材料である。技術要求によって、かなり変化する特性は、硫酸カルシウムバインダーを要求する。特に加工時間及び硬化が生じる時間に関して、バインダーは、数分から数時間にわたって可変的に調整可能である必要がある。これらの要求を満たすために、硬化調整剤の使用が必要である。
石こうスラブ、特に石こうボードの製造における硬化の促進が重要である。現在、1年あたり8億m2以上の石こうボードが世界的に製造されている。石こうボードの製造は、長く知られている。例えば、米国特許4,009,062号において記載されている。硫酸カルシウム半水塩と使用される水とから構成される硬化可能な石こうスラリーを、典型的に、高速でフローミキサー中で製造し、連続して厚紙シートに適用し、そして第二の1枚の厚紙で覆う。2つの厚紙シートを、前板及び後板と言う。そして、板のラインを、硬化ベルトに沿って動かし、硬化可能な硫酸カルシウム相の硫酸カルシウム二水和物へのほぼ完全な変換が、硬化ベルトの最終地点で実施される必要がある。この硬化後に、シートを、板に個別化し、そして板中でまだ存在している水を、加熱多工程乾燥器中で除去する。
かかる石こうボードを、内装屋根及び壁のために大規模に使用する。
挙げた要求を満たすため及び製造費用を最小限にするために、絶えず製造方法の改良のために努力している。石こうスラブの製造のための現代のプラントは、1分あたり180メートルまでの製造速度に達している。プラント容量の最も可能な開発は、高効率促進剤の使用によってのみ可能である。硫酸カルシウム半水塩の効果時間は、ここで、石こうボードが切断できるまでの時間、従ってコンベヤベルトの長さ及び速度、並びに製造速度を決定する。さらに、水和は、板を乾燥器中で高温に曝す前に完了すべきである。そうでなければ、バインダーの強度の潜在性は、不適切に利用され、かつ体積膨張の危険性が、湿分の侵入に対する後水和の結果として増加する。
従って、硬化操作を促進することにおける重要な経済的関心がある。
石こうボードの工業生産において今日使用される硬化促進剤は、研磨硫酸カルシウム水和物であり、大部分の使用した粒子は、1μmの範囲である。石こうボードの製造の連続操作のために、研磨硫酸カルシウムに水和物の硬化作用の著しい安定性が重要である。長期間にわたって等しい効力である硬化促進剤の製造が、従って、大きな技術問題としてまだ存在する。研磨硫酸カルシウム二水和物の効率は、空気湿度の存在で、短時間で減少する。さらに、研磨硫酸カルシウム二水和物を、粉末形でのみ使用でき、それというのも、水中への導入が、硬化促進に重要である最も細かい粒子の溶解をすぐに導くからである。Mullerによる論文(“Die Abbindebeschleunigung von Stuckgips durch Calciumsulfatdihydrat”[The acceleration of the setting of plaster of paris by calcium sulphate dihydrate]、ISBN 978−3−899−58−328−1)は、沈降硫酸カルシウム二水和物が、硬化促進剤として不適切であり、かつナノメートル範囲での超微粉粒子の量及び研磨で生じた結晶格子損傷の双方が効率に重要である場合に、硬化の良好な促進が、硫酸カルシウム二水和物を研磨することによってのみ達せられる。
研磨硫酸カルシウム二水和物に加えて使用される他の促進剤は硫酸カリウムである。しかしながら、これは、製造した製品の最終の圧縮強度における明確な減少を導く欠点を有する。
石こうボードの製造において、粉末状研磨硫酸カルシウムを、フローミキサー中に導入し、この時点でのみ、硬化促進剤と確立された硫酸カルシウム半水塩とを均質に混合する。これは、しかしながら、硬化促進剤が、ミキサー中及びスラリーを厚紙シートに導入するパイプライン中での皮殻を導く欠点を有する。皮殻は、一定の時間間隔で、非常に面倒な方法で、製造中に操業停止して、取り除かなければならない。
WO 2005/021632号は、溶液から無機固体の沈降によって微細な無機固体を製造するための方法を開示している。微細な無機固体の表面を、ここで、少なくとも1つの分散剤で被覆する。開示された無機固体は、多くの他の化合物の中で沈降硫酸カルシウムを含む一方で、使用した分散剤は、アクリレート又はメタクリレートコポリマー、並びにそれらの塩、ポリホスフェート及び改質脂肪酸誘導体である。
従って、本発明の目的は、非常に良好な硬化促進と同時に、著しい貯蔵安定性を有し、かつ従って、石こうボード製造における安定した方法体制も可能にする、硫酸カルシウム半水塩及び無水物のための硬化促進剤を提供することであった。
この目的は、水溶性カルシウム化合物と水溶性硫酸塩化合物とを、水及び酸基含有ポリマーの存在で、反応することによって硫酸カルシウム二水和物を製造するための方法により達成され、その際酸基含有ポリマーは、構造単位(I)
Figure 0006218826
[式中、
*は、酸基含有ポリマーへの結合部位を示し、
Uは、化学結合又は炭素原子1〜8個を有するアルキレン基を示し、
Xは、酸素又はNR1基であり、
kは、0又は1であり
nは、酸基含有ポリマーに対して、3〜300個の範囲での平均の整数であり、
Alkは、C2〜C4−アルキレンであり、ここで、Alkは、(Alk−O)n基と同一又は異なってよく、
Wは、水素、C1〜C6−アルキル基又はアリール基であり、又はY−F基であり、ここで
Yは、炭素原子2〜8個を有し、フェニル環を有してよい直鎖又は分岐鎖のアルキレン基であり、
Fは、環員として、窒素原子及び炭素原子と同様に、酸素、窒素及び硫黄から選択される1個、2個又は3個の追加のヘテロ原子を有してよい、窒素結合した5〜10員環の窒素複素環であり、ここで、窒素環員はR2基を有してよく、かつ1個又は2個の炭素環員はカルボニル基の形であってよく、
1は、水素、C1〜C4−アルキル又はベンジルであり、かつ
2は、水素、C1〜C4−アルキル又はベンジルである]
のポリエーテル基を含む。
ここで、驚くべきことに、本発明による方法により製造した硫酸カルシウム二水和物が、硫酸カルシウム半水塩及び無水物のための硬化促進剤として優れた効率を有することが見出されている。特に驚くべきことは、本記載内容において、有利には懸濁液の形である、得られた水溶性生成物の非常に良好な貯蔵安定性であった。数ヶ月にわたる生成物の貯蔵も、硬化促進におけるあらゆる変化を導かない。さらに驚くべきことに、本発明により得られた硫酸カルシウム二水和物懸濁液を乾燥すること、及び硬化促進剤として得られた粉末を使用することも可能であり、粉末の場合に、硫酸カルシウム二水和物の量に基づいて、本発明の懸濁液と比較可能な硬化促進及び同様に良好な貯蔵安定性を有する。
本発明のポリマーが酸基を含むことが、本発明に必須である。本発明における“酸基”の用語は、遊離酸及びそれらの塩の双方を意味すると解する。酸は、有利には、カルボキシル基、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及びホスホノオキシ基からなる群の少なくとも1つであってよい。カルボキシル基及びホスホノオキシ基が特に好ましい。
有用な水溶性カルシウム化合物及び水溶性硫酸塩化合物は、双方の場合に、主に、比較的わずかにだけ水溶性の化合物でもあるが、しかし、それぞれの場合に、良好な水溶性を有し、かつ完全に又は実質的に完全に水に溶解する化合物が好ましい。しかしながら、反応に十分な反応性は、適した反応物、すなわち水溶性カルシウム化合物及び水溶性硫酸塩化合物との水性環境にあることが確実である。有利には、水溶性カルシウム化合物は、水中で、0.01〜8mol/l、有利には0.1〜5mol/l、特に0.5〜3mol/lの溶解性を有し、かつ水溶性硫酸化合物は、水中で、0.01〜8mol/l、有利には0.1〜5mol/l、特に0.5〜3mol/lの溶解性を有する。
好ましい一実施態様において、第一の工程において、水溶性硫酸塩化合物を、水と酸基含有ポリマーと混合して、有利には溶液の形で混合物を得て、続いて第二の工程において、水溶性カルシウム化合物を、有利には溶液として添加する。より特に、水溶性カルシウム化合物及び水溶性硫酸塩化合物を、次の濃度で水溶液として使用できる:
i) 0.1〜6mol/l、有利には0.5〜2mol/l、特に0.6〜1mol/lの硫酸塩化合物、
ii) 0.1〜10mol/l、有利には3〜8mol/l、特に4〜6mol/lのカルシウム化合物。
水性混合物は、水と同様、1つ以上の他の溶剤を含んでよい。水溶性カルシウム化合物と水溶性硫酸化合物との反応を、有利には、水及び酸基を含むポリマーの存在で5〜25℃の温度で実施する。高温は、硬化促進剤の乏しい効率を導く。
水溶性カルシウム化合物は、特に、塩化カルシウム、硝酸カルシウム、ギ酸カルシウム、酢酸カルシウム、重炭酸カルシウム、臭化カルシウム、炭酸カルシウム、クエン酸カルシウム、塩素酸カルシウム、フッ化カルシウム、グルコン酸カルシウム、水酸化カルシウム、次亜塩素酸カルシウム、ヨウ素酸カルシウム、ヨウ化カルシウム、乳酸カルシウム、亜硝酸カルシウム、シュウ酸カルシウム、リン酸カルシウム、プロピオン酸カルシウム、硫化カルシウム、酒石酸カルシウム、チオシアン酸カルシウム及びアルミン酸カルシウムの群からの少なくとも1つである。
水溶性カルシウム化合物は、有利には、塩化カルシウム、硝酸カルシウム、チオシアン酸カルシウム、酢酸カルシウム及びギ酸カルシウムの群からの少なくとも1つである。
水溶性硫酸塩化合物は、特に、硫酸アンモニウム、硫酸マグネシウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸リチウム、硫酸ルビジウム、硫酸セシウム、硫酸水素ナトリウム、硫酸水素カリウム、硫酸水素リチウム、硫酸水素ルビジウム、硫酸水素セシウム及び硫酸の群からの少なくとも1つである。
水溶性硫酸塩化合物は、有利には、硫酸アンモニウム、硫酸マグネシウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸リチウム、硫酸ルビジウム及び硫酸セシウムの群からの少なくとも1つである。
特に好ましい一実施態様において、酸基含有ポリマーは、
(II)芳香族系又はヘテロ芳香族系及び式(I)のポリエーテル基を有する構造単位、並びに
(III)芳香族系又はヘテロ芳香族系を有するリン酸化構造単位
を含有する重縮合生成物である。
構造単位(II)及び(III)は、有利には、次の一般式
Figure 0006218826
[式中、
Aは、同一又は異なり、かつ芳香族系において炭素原子5〜10個を有する、置換又は非置換の芳香族化合物又はヘテロ芳香族化合物によって示され、ここで、他の基は、構造単位(I)について定義したものである]
Figure 0006218826
[式中、
Dは、同一又は異なり、かつ芳香族系において炭素原子5〜10個を有する、置換又は非置換の芳香族化合物又はヘテロ芳香族化合物によって示される]
によって示される。
さらに、Eは、同一又は異なり、N、NH又はOによって示され、E=Nの場合にm=2であり、かつE=NH又はOの場合にm=1である。
3及びR4は、同一又は異なり、かつ互いに独立して、分岐又は非分岐C1〜C10−アルキル基、C5〜C8−シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、Hによって示され、有利には、H、メチル、エチル又はフェニルによって示され、より有利には、H又はメチルによって示され、特に有利にはHによって示される。さらに、bは、同一又は異なってよく、かつ0〜300の整数によって示される。b=0の場合にE=Oである。
重縮合生成物は、有利には、以下の式
Figure 0006218826
[式中、
Yは、同一又は異なり、独立して、(II)、(III)、又は他の重縮合生成物の構成物によって示される]
によって示される他の構造単位(IV)を含む。
5及びR6は、有利には、同一又は異なり、かつH、CH3、COOH又は炭素原子5〜10個を有す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によって示される。本記載内容において、構造単位(IV)におけるR5及びR6は、有利には、互いに独立して、H、COOH及び/又はメチルによって示される。
特に好ましい一実施態様において、R5及びR6は、互いに独立してHによって示される。
本発明のリン酸化重縮合生成物の構造単位(II)、(III)及び(IV)のモル比は、広範囲で変動してよい。構造単位[(II)+(III)]:(IV)のモル比が1:0.8〜3、有利には1:0.9〜2及びより有利には1:0.95〜1であることが適していることが見いだされている。
構造単位(II):(III)のモル比は、通常、1:10〜10:1、有利には1:7〜5:1及びより有利には1:5〜3:1.2である。
重縮合生成物の構造単位(II)及び(III)におけるA基及びD基は、通常、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、有利にはフェニルによって示され、その際、A及びDは互いに独立して選択されてよく、かつそれぞれ挙げた化合物の混合物からなってもよい。X基及びE基は、有利には、互いに独立してOによって示される。
有利には、構造単位(I)におけるnは、5〜280、特に10〜160、及びより有利には12〜120の整数によって示され、構造単位(III)におけるbは、0〜10、有利には1〜7、及びより有利には1〜5によって示される。それぞれの基のn及びbによって定義される長さは、ここで、均一な成分の群からなってよいが、しかし、異なる成分の群の混合物であることが適切であってもよい。さらに、構造単位(II)及び(III)の基は、互いに独立して、n及びbがそれぞれ数によって示される場合に同一の鎖長を有してよい。しかしながら、一般に、異なる鎖長との混合物がそれぞれの場合に含まれることが適しており、その結果重縮合生成物における構造単位の基は、nについて、及び独立してbについて、異なる数値を有する。
特定の一実施態様において、本発明はさらに、リン酸化重縮合生成物のナトリウム、カリウム、アンモニウム及び/又はカルシウムの塩、並びに有利には、ナトリウム及びカルシウムの塩を含むことが予想される。
しばしば、本発明のリン酸化重縮合物は、4000g/mol〜150000g/mol、有利には10000〜100000g/mol及びより有利には20000〜75000g/molの質量平均分子量を有する。
本発明による選択で使用するためのリン酸化重縮合生成物及びそれらの製造に関しては、特許明細書WO 2006/042709号及びWO 2010/040612号を参照してよく、参照をもって本明細書に組み込まれたものとする。
他の好ましい一実施態様において、酸基含有ポリマーは、
(V)カルボン酸、カルボン酸塩、カルボン酸エステル、カルボキサミド、カルボン酸無水物及びカルボキシミドの群からの少なくなくとも1つの基を含むエチレン性不飽和モノマーの少なくとも1つ
並びに
(VI)構造単位(I)のポリエーテル基を有するエチレン性不飽和モノマーの少なくとも1つ
を含有するモノマーの混合物を重合することによって得られる少なくとも1つのコポリマーである。
本発明によるコポリマーは、少なくとも2つのモノマー構造を含む。しかしながら、2つ以上のモノマー単位を有するコポリマーを使用することも有利であってよい。
好ましい一実施態様において、エチレン性不飽和モノマー(V)は、基(Va)、(Vb)及び(Vc)からの以下の一般式:
Figure 0006218826
の少なくとも1つによって示される。
環状形でのモノカルボン酸又はジカルボン酸(Va)及びモノマー(Vb)において、Z=O(酸無水物)又はNR7(酸イミド)の場合に、R7及びR8は、互いに独立して、水素、又は炭素原子1〜20個を有する脂肪族ヒドロカルビル基である。B=H、−COOMa、−CO−O(Cq2qO)r−R9、−CO−NH−(Cq2qO)r−R9である。
Mは、水素、1価又は2価の金属カチオン、有利にはナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオンもしくはマグネシウムイオン、又はアンモニウムもしくは有機アミン基であり、Mが1価又は2価のカチオンである場合にa=1/2又は1である。使用した有機アミン基は、有利には、第一級、第二級又は第三級の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及びC6-14−アリールアミンに由来する置換したアンモニウム基である。対応するアミンの例は、プロトン化(アンモニウム)形でのメチルアミン、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。
9は、水素、炭素原子1〜20個を有する脂肪族ヒドロカルビル基、炭素原子5〜8個を有する脂環式ヒドロカルビル基、炭素原子6〜14個(場合により置換されてもよい)を有するアリール基であり、q=2、3又は4であり、かつr=0〜200、有利には1〜150である。脂肪族炭化水素は、ここで、直鎖又は分岐鎖及び飽和又は不飽和であってよい。好ましいシクロアルキル基は、シクロペンチル基又はシクロヘキシル基であると考えられ、かつ好ましいアリール基は、フェニル基又はナフチル基であると考えられ、特に、ヒドロキシル基、カルボキシル基又はスルホ基で置換されていてもよい。
次の式は、モノマー(Vc)
Figure 0006218826
[式中、R10及びR11は、ここで、互いに独立して、水素、又は炭素原子1〜20個を有する脂肪族ヒドロカルビル基、炭素原子5〜8個を有する脂環式ヒドロカルビル基、場合により置換された炭素原子6〜14個を有するアリール基である]
を示す。Qは、同一又は異なってよく、かつNH、NR9又はOによって示され、ここでR9は前記で定義したものである。
さらに、R12は同一又は異なり、かつ(Cn2n)−SO3H[式中n=0、1、2、3又は4である]、(Cn2n)−OH[式中n=0、1、2、3又は4である];(Cn2n)−PO32[式中n=0、1、2、3又は4である]、(Cn2n)−OPO32[式中n=0、1、2、3又は4である]、(C64)−SO3H、(C64)−PO32、(C64)−OPO32及び(Cn2n)−NR14 2[式中n=0、1、2、3又は4である]によって示される。
13は、H、−COOMa、−CO−O(Cq2qO)r−R9、−CO−NH−(Cq2qO)r−R9であり、ここでMa、R9、q及びrは、それぞれ前記したものである。
14は、水素、炭素原子1〜10個を有する脂肪族ヒドロカルビル基、炭素原子5〜8個を有する脂環式ヒドロカルビル基、場合により置換された炭素原子6〜14個を有するアリール基である。
特に好ましい一実施態様において、エチレン性不飽和モノマー(VI)は、次の一般式
Figure 0006218826
によって示され、それぞれの基は前記で定義したものである。
本発明の方法に関して、硫酸カルシウム二水和物に対して、有利には0.005〜100質量%、特に0.01〜50質量%、特に有利には0.02〜30質量%、より有利には0.03〜15質量%及び最も有利には0.05〜10質量%の酸基含有ポリマーを使用する。
本発明は、さらに、本発明による方法によって製造可能な硫酸カルシウム二水和物を提供する。
本発明は、水溶性カルシウム化合物と水溶性硫酸塩化合物との、水及び酸基含有ポリマーの存在での反応によって製造された、石こうボードの製造のための硫酸カルシウム二水和物の使用も提供する。
特に有利には、酸基含有ポリマーは、構造単位(I)のポリエーテル基を有し、本発明による方法において使用されるポリマーであってよい。しかしながら、さらに、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリビニルホスホン酸、並びにアクリル酸、メタクリル酸、ビニルホスホン酸、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸及びビニルホスホン酸を含有するコポリマーの群からの酸基含有ポリマーの少なくなくとも1つを使用することも可能である。ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸及びポリビニルホスホン酸が特に好ましい。
より特に、石こうボードの製造において使用される硫酸カルシウム半水塩に対して、0.0001〜1質量%、有利には0.001〜0.5質量%、及び特に有利には0.005〜0.2質量%の硫酸カルシウム二水和物を使用する。
特定の好ましい一実施態様において、水溶性カルシウム化合物と水溶性硫酸塩化合物との水及び酸基含有ポリマーの存在での反応によって得られた硫酸カルシウム二水和物を、水性懸濁液の形で、特に本発明による方法から直接得られる形で、石こうボードの製造のために使用する。本発明の硫酸カルシウム二水和物懸濁液は、有利には0.1〜3.0mol/l、特に0.3〜1.5mol/l及びより有利には0.6〜1.0mol/lの硫酸カルシウム二水和物を含む。石こうボードの製造のために使用した石こうスラリーを、厚紙シートへの適用後まで本発明の硫酸カルシウム二水和物と接触できないことが特に有利であり、その際、硫酸カルシウム二水和物を水性懸濁液の形で使用する。硫酸カルシウム二水和物懸濁液の使用は、容易な適用性及び石こうスラリーにおける非常に良好な均質分布を達成する。本記載内容において、厚紙シートに石こうスラリーを導入するフローミキサー及びパイプの皮殻を実質的に避けられることが特に有利である。連続プラントの洗浄間隔は、結果として劇的に延びる。
石こうボードの圧縮強度は、本発明による硫酸カルシウム二水和物の使用に影響せず、又はさらに改良される。
石こうボードの製造のために、水溶性カルシウム化合物と水溶性硫酸塩化合物との、水及び酸基含有ポリマーの存在での反応によって得られた硫酸カルシウム二水和物を、製造方法の異なる工程で添加してよい。有利には、本発明による硫酸カルシウム二水和物を、少なくとも厚紙シートの表面の1つ上で、特に水性懸濁液の形で適用し、続いて石こうスラリーを適用する。他の一実施態様において、厚紙シートの製造方法において本発明による硫酸カルシウム二水和物を適用することも可能である。
石こうボードの製造のために、本発明による硫酸カルシウム二水和物を、フローミキサーに、フローミキサーの直後にバッチ水に、フォームに及び/又はフローミキサーへの添加前に漆喰配合物に添加してもよい。
好ましい一実施態様において、本発明による硫酸カルシウム二水和物を、硫酸カルシウム二水和物粉末との組合せで、有利には細かく研磨した形で、石こうボードの製造のために使用する。
本発明は、さらに、石こうボードを製造するための方法を提供し、その際、石こうボードの製造において使用した硫酸カルシウム半水塩に対して、本発明による方法から直接得られた0.0001〜1質量%の硫酸カルシウム二水和物を使用する。有利には、石こうボードの製造のために使用した石こうスラリーを、厚紙シートへの適用後まで硫酸カルシウム二水和物と接触させず、その際、硫酸カルシウム二水和物を水性懸濁液の形で使用する。
促進剤を使用していない遅延ブランク系(実線)の、及び促進した系(実施例1、破線)の典型的な熱流曲線を示す図。 それぞれ硫酸カルシウム半水塩に対して0.5%の有効物質を投与した実施例1〜4(2a)及び実施例5及び6(2b)の熱流曲線を示す図。 促進剤を使用していないブランク値(実線)の、及び硫酸カルシウム半水塩に対して0.5%の有効物質を投与した2つの標準促進剤(試料1及び試料2)の熱流曲線を示す図。 標準促進剤(標準促進剤=試料1;実線)の及び本発明に従って製造した促進剤(実施例1、破線)の投与系列を示す図。 実施例1から本発明に従って製造した硫酸カルシウム二水和物についての時間に対する、粒径分布パラメータd(0.1)、d(0.5)及びd(0.9)の評価を示す図。
以下の実施例は、本発明の利点を例証する。
実施例
ポリマー合成
リン酸エステルを含有する櫛形ポリマーの合成:
撹拌器、温度計、pH電極及びいくつかの供給装置を備えたガラス反応器を、最初に、脱イオン水180gで装填し、そして80℃の重合開始温度まで加熱する。別の供給容器中で、4669gの25.7%精製したメチルポリエチレングリコール(5000)メタクリレート(MPEG5000メタクリレート)水溶液を、297.6gのヒドロキシエチルメタクリレートホスフェート(HEMAホスフェート)及び190.2gの20% NaOH溶液(溶液Aに対応する)と混合する。さらに別の供給容器中で、13.71gのナトリウムペルオキソジスルフェートを、182.1gの水(溶液B)と混合する。第三の供給において、13.2gの2−メルカプトエタノール及び39.6gの脱引水を使用して、25%の溶液(溶液C)を製造する。
溶液A、B及びCの製造後に、全ての3つの溶液の撹拌開始装填への添加を同時に開始する。
添加を終えた後に、温度をさらに30分間80℃で放置し、そして溶液を、冷却させ、pH7.3への中和を、50%水酸化ナトリウム溶液で実施する。得られたコポリマーを、27.8%の固形分を有する透明な溶液として得る。コポリマーの平均分子量は、Mw 39000g/mol、Mp 34000g/molであり、多分散性は1.55である。
リン酸化重縮合生成物の合成:
撹拌器を備えた加熱可能な反応器を、17.8部のポリリン酸で装填し、そして90℃まで加熱する。15分以内に、30.7部のフェノキシエタノールを撹拌しながら計量供給する。60分後に、445部のポリ(エチレンオキシド)モノフェニルエーテル(平均分子量5000g/mol)、34.8部の濃縮メタンスルホン酸、14.16部のパラホルムアルデヒド及び23.2部の水を添加する。反応混合物を、さらに6時間撹拌しながら105℃まで加熱する。そして、冷却させ、pH7まで50%水酸化ナトリウム溶液で中和する。縮合生成物は、約22000g/molの平均分子量Mw(GPCにより測定)を有する。
使用した他のポリマーの記載:
櫛形ポリマーMelflux 2650 Lは、BASF Construction Polymers GmbH社から市販されているポリカルボキシレートエーテルである。ポリマーは、モノマーのマレイン酸、アクリル酸、ビニルオキシブチルポリエチレングリコール−5800に基づく。Mw=36000g/mol、GPCにより測定;溶液の固形分は33%である。
硫酸カルシウム二水和物の製造
本発明の実施例:
使用した化学物質:塩化カルシウム(無水物):Sigma−Aldrich >97%;硫酸マグネシウム七水和物:Merck >99%。
実施例1
44.4gの塩化カルシウム(無水物、0.4mol)の75gの水中での溶液を、52.9gの硫酸アンモニウム(0.4mol)及び0.93gの前記リン酸化重縮合生成物(ポリマーの有効含有率に対して)の282gの水中での溶液に添加する。得られた懸濁液を、800毎分回転数で1時間、軸撹拌器で撹拌する。
実施例2
44.4gの塩化カルシウム(無水物、0.4mol)の75gの水中での溶液を、98.6gの硫酸マグネシウム七水和物(0.4mol)及び0.46g(ポリマーの有効含有率に対して)の前記リン酸エステルを含有する櫛形ポリマーの282gの水中での溶液に添加する。得られた懸濁液を、800毎分回転数で1時間、軸撹拌器で撹拌する。
実施例3
44.4gの塩化カルシウム(無水物、0.4mol)の75gの水中での溶液を、57.6gの硫酸アンモニウム(0.42mol)及び0.93gの前記リン酸化重縮合生成物(ポリマーの有効含有率に対して)の282gの水中での溶液に添加する。得られた懸濁液を、800毎分回転数で1時間、軸撹拌器で撹拌する。
実施例4
44.4gの塩化カルシウム(無水物、0.4mol)の75gの水中での溶液を、52.9gの硫酸アンモニウム(0.4mol)及び4.63gのMVA 2650 L(ポリマーの有効含有率に対して)の282gの水中での溶液に添加する。得られた懸濁液を、800毎分回転数で1時間、軸撹拌器で撹拌する。
実施例5
44.4gの塩化カルシウム(無水物、0.4mol)の75gの水中での溶液を、98.6gの硫酸マグネシウム七水和物(0.4mol)及び0.93gのポリアクリル酸(Mw=2500g/mol)の282gの水中での溶液に添加する。得られた懸濁液を、800毎分回転数で1時間、軸撹拌器で撹拌する。
比較例
実施例6
44.4gの塩化カルシウム(無水物、0.4mol)の75gの水中での溶液を、98.6gの硫酸マグネシウム七水和物(0.4mol)の282gの水中での溶液に添加する。得られた懸濁液を、800毎分回転数で1時間、軸撹拌器で撹拌する。
比較例としての使用したものは、石こうボードの製造において通常使用される研磨硫酸カルシウム二水和物の2つの試料であった。これらを試料1及び試料2と以下でいう。
使用した試料の物性
使用した研磨硫酸カルシウム二水和物(試料1及び試料2)に対する硬化剤は、比較的大きい粒子を有する一方で、本発明によって製造した懸濁液の粒径は非常に小さい(表1を参照)。ポリマーの性質(実施例1〜4及び実施例5)及びポリマーの存在(実施例1〜5と比較して実施例6)は、粒径及び性能特性について非常に大きな役割を果たす(表1及び表3を参照)。
表1. 試料1及び2(研磨硫酸カルシウム二水和物)及び実施例1〜6に記載した試料の粒径分布
Figure 0006218826
本発明の硫酸カルシウム二水和物は長期間にわたって非常に安定した粒径分布を示す。図5は、本発明によって製造した硫酸カルシウム二水和物の粒径分布(Malvern Mastersizer 2000での静的光散乱により測定)についての特徴的なデータを示す。粒径は、実質的に、少なくとも160日の期間にわたって変化しないことが見いだせる。この挙動は、使用試験においても反映され、性能は、試験した期間にわたって一定のままである。
使用試験
研磨硫酸カルシウムの試料1及び2の、及び本発明によって製造した硫酸カルシウム二水和物に対する促進剤の性能を、種々の方法で試験した。
熱流熱量測定による
純粋な硫酸カルシウム半水塩は、熱流熱量測定によって研究される高すぎる反応性を有し、反応は最初に遅れる。分析のために、40gの硫酸カルシウム半水塩(Sigma−Aldrich、>97%)を、15gの水と25gのN−ポリオキシメチレンアミノ酸のカルシウム塩の0.056%溶液(Sika AGからのRetardan P)との混合物と混合する。得られた混合物を、750毎分回転数で60秒間、軸撹拌器で撹拌する。30秒間続いて休止し、促進剤を添加し、そして混合物を、もう一度、750毎分回転数で30秒間、軸撹拌器で撹拌する。熱流を、TAM空気熱量計(TA Instruments)で記録する。
促進剤の性能を、2つの方法(熱流極性を図1において示す)で評価する:
(i)最大熱流の時間tにおけるシフト。実施例において、熱流の最大は、促進剤なし(=ik)で164分から、22分(実施例1=T試料)までシフトし、促進要因atを以下
Figure 0006218826
として算出する。従って、挙げた実施例については
Figure 0006218826
である。
(ii)最大熱流ピークの傾斜(急勾配)における変化。挙げた実施例において、画像値の傾斜は2.42であり、実施例1 0.0374からの促進剤と混合した系である。促進要因asを、
Figure 0006218826
から算出する。例えば
Figure 0006218826
が挙げられる。
使用試験において
300gのβ−半水塩(REA)を、最初に0.05gのRetardan Pで前均質化し、198gの水中にまき、そして15秒間放置する。その後、Hobartミキサーで撹拌を、レベルII(1分あたり285回転)でさらに15秒間開始する。この時間中に促進剤を急速に添加する。60秒後にシリンダー(h=10cm、d=5cm)を満たした後にスランプを測定する。硬化時間を、いわゆるナイフカット法(DIN EN 13279−2)により測定する。標準促進剤(試料1)について及び本発明に従って製造した促進剤(実施例1)についての結果の比較を表2において実施する。
促進剤を混合の終わりまでに添加しない場合に、同様の硬化時間を、早期の添加の場合として本発明に従って製造した促進剤について観測する。標準促進剤は、後の点か野場合に非常に乏しい促進を呈する。
表2. 標準促進剤(試料1)について及び本発明に従って製造した促進剤(実施例1)についての性能のデータの比較
Figure 0006218826
結果
実施例1〜6からに硫酸カルシウム二水和物の及び試料1及び2の性能データを、表3においてまとめ、実施例1〜6について図2a及び2bにおいて図示する。比較のために、図3は、標準促進剤(試料1及び2)の熱流曲線を示す。それぞれの熱量測定について、硫酸カルシウム半水塩に対して0.5%の有効物質を使用し、硬化時間の測定のためのそれぞれの使用試験について0.067%であった。
表3. 研磨硫酸カルシウム二水和物に基づく2つの標準促進剤(試料1及び試料2)についての、及び実施例1〜6からの懸濁液についての性能データのまとめ。硬化時間について、2つの標準促進剤についての時間の平均に関する時間及び促進をそれぞれの場合に報告する。
Figure 0006218826
本発明に従って製造した石こう懸濁液と同様の投与量の場合に、非常に良好な結果を得られることが表から明確である。特定の硬化時間を得るために必要な投与量を考慮して、標準促進剤、例えば試料1又は試料2と比較して、約15%の硫酸カルシウム二水和物の投与量のみが本発明の懸濁液の使用の場合に必要である。
研磨硫酸カルシウム二水和物(試料1)に基づく標準促進剤の投与曲線を図4において示す。特定の促進を超えることができないことが明らかであり、それというのも、特定の量の促進剤を超えたあらゆる他の投与は、わずかにあらゆる他の効果を示し、又は全くないからである。
比較のために、本発明に従って製造した懸濁液(実施例1)の投与曲線を示す。非常に高い投与効率及び著しく高い最大性能が明白である。

Claims (15)

  1. 水及び酸基含有ポリマーの存在で、水溶性カルシウム化合物と水溶性硫酸塩化合物とを反応させることによって硫酸カルシウム二水和物を製造するための方法であって、酸基含有ポリマーが、構造単位(I)
    Figure 0006218826
    [式中、
    *は、酸基含有ポリマーへの結合部位を示し、
    Uは、化学結合又は炭素原子1〜8個を有するアルキレン基を示し、
    Xは、酸素又はNR1基であり、
    kは、0又は1であり
    nは、酸基含有ポリマーに対して、3〜300個の範囲での平均の整数であり、
    Alkは、C2〜C4−アルキレンであり、ここで、Alkは、(Alk−O)n内で同一又は異なってよく、
    Wは、水素、C1〜C6−アルキル基又はアリール基であり、又はY−F基であり、ここで
    Yは、炭素原子2〜8個を有し、フェニル環を有してよい直鎖又は分岐鎖のアルキレン基であり、
    Fは、環員として、窒素原子及び炭素原子と同様に、酸素、窒素及び硫黄から選択される1個、2個又は3個の追加のヘテロ原子を有してよい、窒素が結合した5〜10員環の窒素複素環であり、ここで、窒素環員はR2基を有してよく、かつ1個又は2個の炭素環員はカルボニル基の形であってよく、
    1は、水素、C1〜C4−アルキル又はベンジルであり、かつ
    2は、水素、C1〜C4−アルキル又はベンジルである]
    のポリエーテル基を含むことを特徴とする、前記方法。
  2. 前記ポリマーの酸基が、カルボキシル基、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及びホスホノオキシ基の群からの少なくとも1つであることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記酸基含有ポリマーが、
    (II) 芳香族又はヘテロ芳香族系及び式(I)のポリエーテル基を有する構造単位、並びに
    (III) 芳香族又はヘテロ芳香族系を有するリン酸化構造単位
    を含む重縮合生成物であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  4. 前記構造単位(II)及び(III)が、次の一般式
    Figure 0006218826
    [式中、
    Aは、芳香族系において炭素原子5〜10個を有する、置換又は非置換の芳香族化合物又はヘテロ芳香族化合物によって示され、ここで、他の基は、構造単位(I)について定義したものである]
    Figure 0006218826
    [式中、
    Dは、芳香族系において炭素原子5〜10個を有する、置換又は非置換の芳香族化合物又はヘテロ芳香族化合物によって示され、
    Eは、N、NH又はOによって示され、
    E=Nの場合にm=2であり、E=NH又はOの場合にm=1であり、
    3及びR4は、bが2以上の場合に同一又は異なり、かつ互いに独立して、分岐又は非分岐C1〜C10−アルキル基、C5〜C8−シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、又はHによって示され、
    bは、mが2以上の場合に同一又は異なり、かつ0〜300の整数によって示される]
    によって示されることを特徴とする、請求項3に記載の方法。
  5. 前記重縮合生成物が、以下の式
    Figure 0006218826
    [式中、
    Yは、同一又は異なり、かつ独立して、(II)、(III)、又は他の重縮合生成物の構成物によって示され、R 及びR は、同一又は異なり、かつH、CH 、COOH又は炭素原子5〜10個を有す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によって示される
    によって示される他の構造単位(IV)を含むことを特徴とする、請求項3又は4に記載の方法。
  6. 前記酸基含有ポリマーが、
    (V)カルボン酸、カルボン酸塩、カルボン酸エステル、カルボキサミド、カルボン酸無水物及びカルボキシミドの群からの少なくとも1つの基を含むエチレン性不飽和モノマーの少なくとも1つ
    並びに
    (VI)構造単位(I)のポリエーテル基を有するエチレン性不飽和モノマーの少なくとも1つ
    を含有するモノマーの混合物を重合することによって得られる少なくとも1つのコポリマーであることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  7. 前記エチレン性不飽和モノマー(V)が、基(Va)、(Vb)及び(Vc)からの以下の一般式:
    Figure 0006218826
    [式中、
    7及びR8は、互いに独立して、水素、又は炭素原子1〜20個を有する脂肪族ヒドロカルビル基であり、
    Bは、H、−COOMa、−CO−O(Cq2qO)r−R9、−CO−NH−(Cq2qO)r−R9であり、
    Mは、水素、1価又は2価の金属カチオン、アンモニウムイオン又は有機アミン基であり、
    aは、1/2又は1であり、
    9は、水素、炭素原子1〜20個を有する脂肪族ヒドロカルビル基、炭素原子5〜8個を有する脂環式ヒドロカルビル基、置換されていてもよい炭素原子6〜14個を有するアリール基であり、
    それぞれ(Cq2qO)単位についてのqは、rが2以上の場合に同一又は異なり、かつ独立して2、3又は4であり、
    rは、0〜200であり、
    Zは、O、N 7 である]
    Figure 0006218826
    [式中、
    10及びR11は、互いに独立して、水素、又は炭素原子1〜20個を有する脂肪族ヒドロカルビル基、炭素原子5〜8個を有する脂環式ヒドロカルビル基、置換されていてもよい炭素原子6〜14個を有するアリール基であり、
    12、(n2n)−SO3H[式中n=0、1、2、3又は4である]、(Cn2n)−OH[式中n=0、1、2、3又は4である];(Cn2n)−PO32[式中n=0、1、2、3又は4である]、(Cn2n)−OPO32[式中n=0、1、2、3又は4である]、(C64)−SO3H、(C64)−PO32、(C64)−OPO32及び(Cn2n)−NR14 b[式中n=0、1、2、3又は4であり、b=2又は3である]によって示され、
    13は、H、−COOMa、−CO−O(Cq2qO)r−R9、−CO−NH−(Cq2qO)r−R9であり、Ma、R9、q及びrはそれぞれ前記で定義したものであり、
    14は、水素、炭素原子1〜10個を有する脂肪族ヒドロカルビル基、炭素原子5〜8個を有する脂環式ヒドロカルビル基、置換されていてもよい炭素原子6〜14個を有するアリール基であり、
    Qは、NH、NR15又はOによって示され、ここでR15は、炭素原子1〜10個を有する脂肪族ヒドロカルビル基、炭素原子5〜8個を有する脂環式ヒドロカルビル基、又は置換されていてもよい炭素原子6〜14個を有するアリール基である]
    の少なくとも1つによって示されることを特徴とする、請求項6に記載の方法。
  8. 前記エチレン性不飽和モノマー(VI)が、次の一般式
    Figure 0006218826
    によって示され
    Uは、化学結合又は炭素原子1〜8個を有するアルキレン基を示し、
    Xは、酸素又はNR 1 基であり、
    kは、0又は1であり
    nは、酸基含有ポリマーに対して、3〜300個の範囲での平均の整数であり、
    Alkは、C 2 〜C 4 −アルキレンであり、ここで、Alkは、(Alk−O) n 基内で同一又は異なってよく、
    Wは、水素、C 1 〜C 6 −アルキル基又はアリール基であり、又はY−F基であり、ここで
    Yは、炭素原子2〜8個を有し、フェニル環を有してよい直鎖又は分岐鎖のアルキレン基であり、
    Fは、環員として、窒素原子及び炭素原子と同様に、酸素、窒素及び硫黄から選択される1個、2個又は3個の追加のヘテロ原子を有してよい、窒素が結合した5〜10員環の窒素複素環であり、ここで、窒素環員はR 2 基を有してよく、かつ1個又は2個の炭素環員はカルボニル基の形であってよく、
    1 は、水素、C 1 〜C 4 −アルキル又はベンジルであり、かつ
    2 は、水素、C 1 〜C 4 −アルキル又はベンジルであり、
    7 及びR 8 は、互いに独立して、水素、又は炭素原子1〜20個を有する脂肪族ヒドロカルビル基であることを特徴とする、請求項6又は7に記載の方法。
  9. 硫酸カルシウム二水和物に対して、0.005〜100質量%の酸基含有ポリマーを使用することを特徴とする、請求項1から8までのいずれか1項に記載の方法。
  10. 第一の工程において、水溶性硫酸塩化合物を、水と酸基含有ポリマーと混合して、続いて第二の工程において、水溶性カルシウム化合物を添加することを特徴とする、請求項1から9までのいずれか1項に記載の方法。
  11. 前記水溶性カルシウム化合物及び水溶性硫酸塩化合物を、次の濃度:
    i) 0.1〜6mol/lの硫酸塩化合物、
    ii) 0.1〜10mol/lのカルシウム化合物
    で水溶液として使用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項に記載の方法。
  12. 請求項1から11までのいずれか1項に記載の方法により製造可能な硫酸カルシウム二水和物。
  13. 請求項1から11までのいずれか1項に記載の製造方法を用いて、水及び酸基含有ポリマーの存在で、水溶性カルシウム化合物と水溶性硫酸塩化合物との反応によって製造した硫酸カルシウム二水和物の、石こうボードを製造するための使用。
  14. 石こうボードの製造において使用した硫酸カルシウム半水塩に対して、請求項1から11までのいずれか1項に記載の硫酸カルシウム二水和物の0.0001〜1質量%を使用することを特徴とする、石こうボードの製造方法。
  15. 石こうボードの製造のために使用した石こうスラリーを、厚紙シートへの適用後まで硫酸カルシウム二水和物と接触させず、その際硫酸カルシウム二水和物を水性懸濁液の形で使用することを特徴とする、請求項14に記載の方法。
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