JP6841820B2 - アルカリにより活性化された結合剤のための分散剤としての勾配構造を有するコポリマー - Google Patents

アルカリにより活性化された結合剤のための分散剤としての勾配構造を有するコポリマー Download PDF

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Description

本発明は、アルカリ性活性化剤を含むバインダ組成物中における分散剤としてのコポリマーの使用に関する。本発明はさらに、バインダ組成物、及び、その製造プロセスに関する。本発明のさらなる態様は、バインダ組成物から入手可能である造形品に関する。
セメントの製造では多大な量のCOが生成され、これは気候に対して関連性を有するものである。COの排出を低減させるために、バインダ組成物中のセメントは、例えばフライアッシュ、スラグ又はシリカダストといった潜在水硬性及び/又はポゾランセメント混和物によって部分的に置き換えることが可能である。この種の混和物は種々の産業プロセスの副生成物であり、従って、COバランスの関係においては有利である。しかしながら、この種のセメント混和物の硬化は、追加の対策が伴わなければ、水硬性セメントの場合と比べてかなり長くかかる。これは、とりわけバインダ組成物の高い初期強度に関して不利である。しかしながら、潜在水硬性及びポゾラン混和物を、例えば、アルカリ性又は塩基性活性化剤によって活性化させることが可能である。
水/バインダ比が最小であるセメント状バインダ組成物の作業性を向上するために、通例、可塑剤として分散剤と呼ばれるものが追加的に用いられる。これにより、液体バインダ組成物の良好な作業性と硬化後の高い機械的強度との両方が達成される。既知である特に効果的な分散剤は、例えば、ポリカルボキシレートに基づくくし形ポリマーである。この種のくし形ポリマーはポリマー主鎖とこれに結合する側鎖とを有する。対応するポリマーが、例えば欧州特許出願公開第1 138 697 A1号明細書(Sika AG)に記載されている。
同様に、例えば欧州特許出願公開第1 110 981 A2号明細書(花王株式会社)に記載されているコポリマー混合物がコンクリート添加剤として知られている。コポリマー混合物は、ラジカル重合反応においてエチレン性不飽和モノマーを転換することにより調製され、ここで、2種のモノマーのモル比は重合プロセスの最中に少なくとも1回変更される。
見出されているとおり、ポリカルボキシレート系くし形ポリマーは一般に、しかしながら、高塩基性条件に対してきわめて感受性である。この種の分散剤がバインダ組成物中においてアルカリ性活性化剤と一緒に用いられる場合、これらは、短時間の後に効果を完全に失ってしまう。
従って、アルカリにより活性化されたバインダ組成物中においても使用可能である効果的な分散剤に対する要求が未だ存在する。
従って、本発明は、前述の欠点が克服された分散剤を提供することを目的とする。この分散剤は、とりわけ、アルカリにより活性化されたバインダ組成物において使用可能であると共に、可能な限り長期にわたって効果が維持されるものである。
意外なことに、本発明の目的は、下記の態様1において請求されているコポリマーの使用により達成されることが見出された。
本コポリマーは、ポリマー主鎖とこれに結合する側鎖とを有し、並びに、少なくとも1種のイオン性モノマーユニットM1及び少なくとも1種の側鎖保有モノマーユニットM2を含み、このコポリマーは、ポリマー主鎖に沿った方向における少なくとも1つの区画Aにおいて、イオン性モノマーユニットM1に関して、及び/又は、側鎖保有モノマーユニットM2に関して勾配構造を有する。
見出されているとおり、本発明に従って用いられるコポリマーは意外にも、例えば、モノマーユニットの純粋に統計学的(=ランダム)な分布又はブロック状の分布を有する従来のくし形ポリマーとの比較により、例えば、潜在水硬性及び/又はポゾランバインダを含むアルカリにより活性化されたバインダ組成物中といった存在しているアルカリ条件に対して非感受性である。
これは、とりわけ、アルカリ性活性化剤を伴って形成されたくし形ポリマー含有バインダ組成物とアルカリ性活性化剤を伴わずに形成されたくし形ポリマー含有バインダ組成物とにおける流動性の差が比較的小さいことによっても示されている。
それ故、勾配構造を有する本発明のコポリマーでは、分散剤又は可塑剤として、アルカリにより活性化されたバインダ組成物中においても、長期間にわたって効果が維持されると共に、低水/セメント比でも良好な作業性が実現される。
それ故、本発明のコポリマーは、特定的には、可塑化、必要とされる水の低減、及び/又は、アルカリ性活性化剤を含む無機バインダ組成物の作業性の向上に有利に用いられることが可能である。
本発明のさらなる態様は、さらなる独立的態様の主題である。本発明の特に好ましい実施形態は、従属的態様の主題である。
本発明の態様として、以下の態様を挙げることができる:
《態様1》
アルカリ性活性化剤を含むバインダ組成物中における分散剤としてのコポリマーの使用であって、前記活性化剤は、特に潜在水硬性及び/又はポゾランバインダの活性化に好適であり、かつ、前記コポリマーは、ポリマー主鎖とこれに結合する側鎖とを有しかつ少なくとも1種のイオン性モノマーユニットM1及び少なくとも1種の側鎖保有モノマーユニットM2を含み、前記コポリマーが、ポリマー主鎖に沿った方向における少なくとも1つの区画Aにおいて、前記イオン性モノマーユニットM1に関してかつ/又は前記側鎖保有モノマーユニットM2に関して勾配構造を有することを特徴とする使用。
《態様2》
前記バインダ組成物が、潜在水硬性及び/又はポゾランバインダを含むか、あるいは潜在水硬性及び/又はポゾランバインダから構成されることを特徴とする、態様1に記載の使用。
《態様3》
前記バインダ組成物が、5〜95重量%、とりわけ15〜50重量%、より好ましくは20〜40重量%の潜在水硬性バインダ及び/又はポゾランバインダ、並びに5〜95重量%、好ましくは60〜80重量%の水硬性バインダ、とりわけセメントを含むことを特徴とする、態様1又は2に記載の使用。
《態様4》
前記コポリマーの前記少なくとも1つの区画Aにおいて、前記少なくとも1種のイオン性モノマーユニットM1の局所的濃度が、前記ポリマー主鎖に沿って連続的に増加し、一方で、前記少なくとも1種の側鎖保有モノマーユニットM2の局所的濃度が、前記ポリマー主鎖に沿って連続的に低減するか、又はその反対であることを特徴とする、態様1〜3のいずれか一項に記載の使用。
《態様5》
前記コポリマーの多分散性が1.5未満であり、特に、1.0〜1.4、とりわけ1.1〜1.3の範囲内であることを特徴とする、態様1〜4のいずれか一項に記載の使用。
《態様6》
前記勾配構造を有する前記少なくとも1つの区画Aが、前記ポリマー主鎖中のモノマーユニットの総数に基づいて、少なくとも30%、とりわけ少なくとも50%、好ましくは少なくとも75%又は90%のモノマーユニットの割合を有することを特徴とする、態様1〜5のいずれか一項に記載の使用。
《態様7》
前記コポリマーが、前記少なくとも1つの区画Aに追加して、モノマーの本質的に一定の局所的濃度及び/又はモノマーのランダム分布を有するさらなる区画Bを有し、ここで、前記さらなる区画Bは、イオン性モノマーユニットM1及び/又は側鎖保有モノマーユニットM2を含むことを特徴とする、態様1〜6のいずれか一項に記載の使用。
《態様8》
前記本質的に一定の局所的濃度を有する前記さらなる区画Bが、その中に存在するすべての前記モノマーユニットに基づいて、少なくとも30mol%、とりわけ少なくとも50mol%、好ましくは少なくとも75mol%、特に少なくとも90mol%又は少なくとも95mol%の側鎖保有モノマーユニットM2を含み、及び、前記さらなる区画中のすべての前記モノマーユニットM2に基づいて、前記さらなる区画中に存在するイオン性モノマーユニットM1のいずれかの割合が、25mol%未満、とりわけ10mol%以下又は5mol%未満であることを特徴とする、態様7に記載の使用。
《態様9》
前記イオン性モノマーユニットM1が、式Iの構造を有し:
Figure 0006841820
かつ前記側鎖保有モノマーユニットM2が、式IIの構造を含むことを特徴とする、態様1〜8のいずれか一項に記載の使用:
Figure 0006841820
(式中、
は、それぞれの場合で独立して、−COOM、−SO −OM、−O−PO(OM) 及び/又はPO(OM) であり、
、R 、R 及びR は、それぞれの場合で独立して、H又は1〜5個の炭素原子を有するアルキル基であり、
及びR は、それぞれの場合で独立して、H、−COOM又は1〜5個の炭素原子を有するアルキル基であり、
又は、式中、R は、R と一緒に環を形成して−CO−O−CO−をもたらし、
Mは、互いに独立して、H 、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、二価若しくは三価金属イオン、アンモニウムイオン又は有機アンモニウム基を表し;
m=0、1又は2であり、
p=0又は1であり、
Xは、それぞれの場合で独立して、−O−又はNH−であり、
は式−[AO] −R の基であり、ここで、A=C −〜C −アルキレンであり、R はH、C −〜C 20 −アルキル基、−シクロアルキル基又はアルキルアリール基であり、
かつ、n=2〜250、とりわけ10〜200である)。
《態様10》
前記モノマーユニットM2に対する前記モノマーユニットM1のモル比が、0.5〜6、とりわけ0.7〜4、好ましくは0.9〜3.8、さらに好ましくは1.0〜3.7又は2〜3.5の範囲内であることを特徴とする、態様1〜9のいずれか一項に記載の使用。
《態様11》
=COOMであり;R 及びR が、互いに独立して、H、−CH 又はこれらの組合せであり;R 及びR が、互いに独立して、H又はCH であり、好ましくはHであり;R 及びR が、互いに独立して、H又はCOOMであり、好ましくはHであり;かつ、すべてのモノマーユニットM2の少なくとも75mol%、特に少なくとも90mol%、とりわけ少なくとも99mol%のXが−O−であることを特徴とする、態様1〜10のいずれか一項に記載の使用。
《態様12》
前記コポリマーが、イオン性モノマーm1及び側鎖保有モノマーm2が一緒に重合されて濃度勾配及び/又は勾配構造が形成される方法により得ることができ、かつ前記重合が、制御ラジカル重合及び/又はリビングラジカル重合、とりわけ可逆的付加−開裂連鎖移動重合(RAFT)によって行われることを特徴とする、態様1〜11のいずれか一項に記載の使用。
《態様13》
無機バインダと、アルカリ性活性化剤と、態様1〜12のいずれかに記載のコポリマーとを含むバインダ組成物であって、とりわけ潜在水硬性及び/又はポゾランバインダが追加的に存在していることを特徴とするバインダ組成物。
《態様14》
態様13に記載のバインダ組成物を製造するための方法であって、無機バインダを、とりわけ潜在水硬性及び/又はポゾランバインダを含む無機バインダを、態様1〜12のいずれかに記載のコポリマー及びアルカリ性活性化剤と混合することを特徴とする方法。
《態様15》
水を添加した後に態様14に記載されているバインダ組成を硬化させることにより製造される成形品。
実施例を明らかとするために用いた図は以下を示すものである。
図1は、本発明のコポリマー(P1)の調製における、モノマー転換率対時間のプロットである。 図2は、図1に係る転換から誘導可能であるコポリマーの可能な構造の概略図である。
本発明の第1の態様は、アルカリ性活性化剤を含むバインダ組成物中における分散剤としてのコポリマーの使用に関し、ここで、活性化剤は、潜在水硬性及び/又はポゾランバインダの活性化にとりわけ好適であり、ここで、コポリマーは、ポリマー主鎖とこれに結合する側鎖とを有し、及び、少なくとも1種のイオン性モノマーユニットM1及び少なくとも1種の側鎖保有モノマーユニットM2を含み、並びに、コポリマーは、ポリマー主鎖に沿った方向における少なくとも1つの区画Aにおいて、イオン性モノマーユニットM1に関して、及び/又は、側鎖保有モノマーユニットM2に関して勾配構造を有する。
換言すると、本発明のコポリマーにおいては、ポリマー主鎖に沿った方向における少なくとも1つの区画Aにおいて、イオン性モノマーユニットM1及び/又は側鎖保有モノマーユニットM2に関して濃度勾配が存在する。
本事例において、「勾配構造」又は「濃度勾配」という用語は、とりわけ、コポリマー主鎖に沿った方向における、少なくとも1つの区画中におけるモノマーユニットの局所的濃度の連続的な変化である。「濃度勾配」に係る他の用語は、「濃度スロープ」である。
濃度勾配は、例えば、実質的には一定であり得る。これは、コポリマー主鎖の方向における、少なくとも1つの区画A中におけるそれぞれのモノマーユニットの局所的濃度の直線的な増減に相当する。しかしながら、コポリマー主鎖の方向において濃度勾配が変化することも可能である。この場合、それぞれのモノマーユニットの局所的濃度において、非直線的な増減が存在する。濃度勾配は、とりわけ少なくとも10、とりわけ少なくとも14、好ましくは少なくとも20又は少なくとも40のコポリマーのモノマーユニットにわたって延在する。
対照的に、例えばブロックコポリマーの場合に生じるモノマーの濃度の急激又は鋭い変化は、濃度勾配とは言わない。
本文脈における「局所的濃度」という表記は、ポリマー主鎖中における所与の点における特定のモノマーの濃度を指す。実際には、例えば、コポリマーの調製の最中におけるモノマー転換率を測定することにより、局所的濃度又は局所的濃度の算術平均を確かめることが可能である。この場合、特定の期間内に転換されるモノマーを確かめることが可能である。平均局所的濃度は、とりわけ、当該期間内に転換されるモノマーの総モル量に対する当該期間内に転換される特定のモノマーのモル分率の比に相当する。
モノマーの転換率は、例えば、液体クロマトグラフィー、とりわけ高速液体クロマトグラフィー(HPLC)といったそれ自体公知の方法により、及び、使用したモノマーの量を考慮することで決定することが可能である。
特に、核スピン共鳴分光法(NMRスペクトロスコピー)によりコポリマーの構造を分析及び決定することも可能である。特にH及び13C NMRスペクトロスコピーにより、コポリマー中における隣接基効果に基づくと共に統計学的評価を用いることで、コポリマー中におけるモノマーユニットの配列をそれ自体公知の方法で決定することが可能である。
コポリマーはまた、勾配構造を有する区画Aを2つ以上、とりわけ2つ、3つ、4又はそれ以上の区画Aを有し得、これらは例えば連続して配置される。存在する場合、異なる勾配構造又は濃度スロープがそれぞれ、別々の区画A中に存在し得る。
「イオン性モノマー」及び「イオン性モノマーユニット」という用語は、とりわけ、pH>10、とりわけpH>12でアニオン性であるか、又は、負電荷形態であるモノマー又は重合されたモノマーを意味する。これらはとりわけ、H供与基又は酸基である。イオン性基は、より好ましくは酸基、例えばカルボン酸、スルホン酸、リン酸及び/又はホスホン酸基である。カルボン酸基が好ましい。酸基はまた、脱プロトン化形態のアニオン形態、又は、対イオン若しくはカチオンを伴う塩の形態であり得る。
本文脈における「バインダ組成物」は、とりわけ少なくとも1種の有機及び/又は無機バインダを含む組成物を意味すると理解される。バインダは無機バインダであることが好ましい。
「アルカリ性活性化剤」はとりわけ、塩基性又はアルカリ性の物質である。これはとりわけ、水溶液に添加されると、そのpHを高めることが可能である物質を意味すると理解される。アルカリ性活性化剤は特定的に、潜在水硬性及び/又はポゾランバインダの硬化又は硬質化の活性化に好適な物質を意味すると理解される。
バインダ組成物はとりわけ、バインダと共に、アルカリ性活性化剤を追加的に含む活性化されたバインダ組成物又はアルカリにより活性化されたバインダ組成物である。より具体的には、バインダ組成物は、潜在水硬性及び/又はポゾランバインダの活性化のための活性化剤を含む。アルカリにより活性化されたバインダ組成物はとりわけ、活性化されていないか、又は、アルカリ性活性化剤をまったく含有しない同様のバインダ組成物よりも高いpHを有する。アルカリ性活性化剤は、例えば塩形態といった遊離形態若しくは溶解形態であり得、及び/又は、少なくとも部分的にバインダと反応していてもよい。
「潜在水硬性及び/又はポゾランバインダ」という表記はとりわけ、添加剤又は活性化剤の効果を介してのみ水硬的に硬化又は硬質化するバインダを意味すると本文脈においては理解される。より具体的には、これらは特に、EN1045−2規格に準拠したタイプIIの反応性混和物といった反応性混和物である。
好ましくは、バインダ組成物は潜在水硬性及び/又はポゾランバインダを含むか、あるいは、潜在水硬性及び/又はポゾランバインダから構成される。
可能な潜在水硬性及び/又はポゾランバインダは、とりわけ、スラグ、ポゾラン、フライアッシュ、シリカダスト、火山灰、メタカオリン、籾殻、バーントシェール及び/又はか焼クレイである。好ましい潜在水硬性及び/又はポゾランバインダとしては、スラグ、ポゾラン、フライアッシュ及び/又はシリカダストが挙げられ、本文脈においては、フライアッシュが特に好ましい。スラグも同様に有利である。
バインダ組成物は、とりわけセメント状又はセメント含有バインダ組成物である。バインダ組成物中のセメントの割合は、とりわけ少なくとも5重量%、特に5〜95重量%、好ましくは60〜80重量%である。セメントの好適な例はポルトランドセメントである。しかしながら、アルミン酸カルシウムセメント、ポルトランド石灰石セメント及び/又は富ベライトスルホアルミン酸セメントを用いることも可能である。
有利な実施形態において、バインダ組成物はとりわけ、5〜95重量%、とりわけ15〜50重量%、より好ましくは20〜40重量%の潜在水硬性及び/又はポゾランバインダを含み、並びに、5〜95重量%、好ましくは60〜80重量%の水硬性バインダを含む。この水硬性バインダは、有利には、セメント、とりわけポルトランドセメントである。
バインダ組成物は、前述のコンポーネントに追加して、又は、その代わりに、例えば、例えば水硬性石灰といった他の水硬性バインダをも含み得る。バインダ組成物は同様に、例えば石膏、硬石膏及び/又は漆喰といった非水硬性バインダをも含み得る。
しかも、バインダ組成物は、例えば顔料、石灰石又は粉砕した石灰石といった不活性物質を含んでいてもよい。とりわけ、潜在水硬性及び/又はポゾランバインダと組み合わされ得る。このように、潜在水硬性及び/又はポゾランバインダの一部を、例えば石灰石といった不活性物質により置き換えることが可能である。不活性物質の割合は、とりわけ0.1〜30重量%、好ましくは0.1〜20重量%、さらに好ましくは0.1〜15重量%である。
活性化剤は、有利にはアルカリ金属塩及び/又はアルカリ土類金属塩を含む。これはとりわけ、アルカリ金属水酸化物、アルカリ金属炭酸塩及び/又はアルカリ金属硫酸塩である。NaOH、KOH、NaCO及び/又はNaSOが好ましい。アルカリ金属水酸化物及び/又はアルカリ金属炭酸塩が特に好ましい。より具体的には、活性化剤は、NaOH及び/又はNaCOであり、好ましくはNaOHである。
この種の活性化剤は潜在水硬性及びポゾランバインダの特に顕著な活性化をもたらし、追加的に、本発明のコポリマーに適合性のものである。それ故、高初期強度を、バインダ組成物の良好な作業性と同時に達成可能である。原理上は、しかしながら、他の活性化剤もまた使用可能である。
活性化剤の濃度は、それぞれバインダの重量に基づいて、有利には0.001〜5重量%、好ましくは0.1〜1.5重量%、さらに好ましくは0.5〜1.5重量%である。これらの濃度はとりわけ、潜在水硬性及び/又はポゾランバインダの重量に基づいている。
好ましくは、少なくとも1つの区画Aにおいて、少なくとも1種のイオン性モノマーユニットM1の局所的濃度はポリマー主鎖に沿って連続的に増加し、一方で、少なくとも1種の側鎖保有モノマーユニットM2の局所的濃度はポリマー主鎖に沿って連続的に低減するか、又は、その反対である。
少なくとも1つの区画Aの第1の終端におけるイオン性モノマーユニットM1の局所的濃度は、とりわけ、区画Aの第2の終端におけるものより低く、一方で、区画Aの第1の終端における側鎖保有モノマーユニットM2の局所的濃度は区画Aの第2の終端におけるものよりも高いか、又は、その反対である。
より具体的には、少なくとも1つの区画Aを等しい長さを有する10の小区画に分けた場合、それぞれの小区画における少なくとも1種のイオン性モノマーユニットM1の平均局所的濃度は、ポリマー主鎖に沿って少なくとも3つ、とりわけ少なくとも5つ又は8つの連続する小区画において増加し、一方で、それぞれの小区画における少なくとも1種の側鎖保有モノマーユニットM2の平均局所的濃度は、ポリマー主鎖に沿って、少なくとも3つ、とりわけ少なくとも5つ又は8つの連続する小区画において低減するか、又は、その反対である。
特定的には、連続する小区画における少なくとも1種のイオン性モノマーユニットM1の平均局所的濃度の増加又は低減は実質的には一定であり、一方で、有利には、連続する小区画における少なくとも1種の側鎖保有モノマーユニットM2の平均局所的濃度の低減又は増加は実質的に同様に一定である。
コポリマー全体の重量平均分子量Mは、とりわけ、10,000〜150,000g/mol、有利には12,000〜80,000g/mol、とりわけ12,000〜50,000g/molの範囲内である。本文脈において、重量平均分子量M又は数平均分子量Mなどの分子量は、標準としてポリエチレングリコール(PEG)を用いるゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定される。この技術はそれ自体当業者に公知のものである。
好ましい実施形態において、コポリマーの多分散性(=重量平均分子量M/数平均分子量M)は<1.5である。特に、多分散性は1.0〜1.4、とりわけ1.1〜1.3の範囲内である。
有利な実施形態において、勾配構造を有する少なくとも1つの区画Aは、ポリマー主鎖の全長に基づいて、少なくとも30%、とりわけ少なくとも50%、好ましくは少なくとも75%又は90%の長さを有する。
有利には、少なくとも1つの区画Aは、ポリマー主鎖中のモノマーユニットの総数に基づいて、少なくとも30%、とりわけ少なくとも50%、好ましくは少なくとも75%又は90%のモノマーユニットの割合を有する。
特に、少なくとも1つの区画Aは、コポリマー全体の重量平均分子量に基づいて、重量基準で、少なくとも30%、とりわけ少なくとも50%、好ましくは少なくとも75%又は90%の割合を有する。
それ故、濃度勾配又は勾配構造中の区画Aは特に重要である。
濃度勾配中の少なくとも1つの区画Aは、有利には、5〜70、とりわけ7〜40、好ましくは10〜25のモノマーユニットM1、及び、5〜70、とりわけ7〜40、好ましくは10〜25のモノマーユニットM2を含む。
より具体的には、コポリマーは、少なくとも50mol%、特に少なくとも75mol%、とりわけ少なくとも90mol%又は95mol%程度のイオン性モノマーユニットM1及び側鎖保有モノマーユニットM2から構成される。
少なくとも30mol%、とりわけ少なくとも50mol%、好ましくは少なくとも75mol%、特に少なくとも90mol%又は少なくとも95mol%のイオン性モノマーユニットM1が勾配構造を有する少なくとも1つの区画A中に存在することが有利である。
同様に、有利には、少なくとも30mol%、とりわけ少なくとも50mol%、好ましくは少なくとも75mol%、特に少なくとも90mol%又は少なくとも95mol%の鎖保有モノマーユニットM2が、勾配構造を有する少なくとも1つの区画中にある。
とりわけ、前述の条件の後者が2つ同時に適用されることが好ましい。
他の有利な実施形態において、コポリマーは、勾配構造を有する少なくとも1つの区画Aに追加して、さらなる区画Bを有しており、ここでは、区画B全体にわたって、モノマーの局所的濃度は実質的に一定であり、及び/又はモノマーの分布は統計学的若しくはランダムである。区画Bは、例えば、単一種のモノマーから構成されていてもよく、又は、統計学的な分布においては複数種の異なるモノマーからなっていてもよい。しかしながら、区画Bにおいてはとりわけ、ポリマー主鎖に沿って、勾配構造は存在しておらず、及び、濃度勾配は存在していない。
コポリマーはまた、さらなる区画Bを2つ以上、例えば2つ、3つ、4つ又はそれ以上の区画Bを有し得、これらは、化学的及び/又は構造的な観点から互いに異なり得る。
好ましくは、少なくとも1つの区画Aは、さらなる区画Bに直接隣接している。
意外なことに、この種のコポリマーは、いくつかの状況下においては、可塑化効果及びその経時的な維持管理に関してさらにより有利であることが見出された。
より具体的には、さらなる区画Bは、イオン性モノマーユニットM1及び/又は側鎖保有モノマーユニットM2を含む。
本発明の一実施形態において、その中に存在するすべてのモノマーユニットに基づいて、さらなる区画Bは例えば、有利には少なくとも30mol%、とりわけ少なくとも50mol%、好ましくは少なくとも75mol%、特に少なくとも90mol%又は少なくとも95mol%のイオン性モノマーユニットM1を含む。さらなる区画B中に存在する側鎖保有モノマーユニットM2のいずれかの割合は、さらなる区画中のすべてのモノマーユニットM1に基づいて、特に25mol%未満、とりわけ10mol%未満又は5mol%未満である。より具体的には、さらなる区画B中に側鎖保有モノマーユニットM2は存在しない。
本発明のさらに、及び、特に有利な実施において、さらなる区画Bは、その中に存在するすべてのモノマーユニットに基づいて、少なくとも30mol%、とりわけ少なくとも50mol%、好ましくは少なくとも75mol%、特に少なくとも90mol%又は少なくとも95mol%の側鎖保有モノマーユニットM2を含む。この場合、さらなる区画B中に存在するイオン性モノマーユニットM1のいずれかの割合は、さらなる区画B中のすべてのモノマーユニットM2に基づいて、特に25mol%未満、とりわけ10mol%未満又は5mol%未満である。より具体的には、さらなる区画B中にイオン性モノマーユニットM1は存在しない。
さらなる区画Bが合計で5〜70、とりわけ7〜40、好ましくは10〜25のモノマーユニットを含む場合が適切であることが見出された。これらはとりわけ、モノマーユニットM1及び/又はM2である。
実質的に一定の局所的濃度を有する少なくとも1つのさらなる区画B中のモノマーユニットの数に対する勾配構造を有する少なくとも1つの区画A中のモノマーユニットの数の比は、有利には、99:1〜1:99、とりわけ10:90〜90:10、好ましくは80:20〜20:80、とりわけ70:30〜30:70の範囲内である。
側鎖保有モノマーユニットM2はとりわけ、ポリアルキレンオキシド側鎖、とりわけポリエチレンオキシド及び/又はポリプロピレンオキシド側鎖を含む。
イオン性モノマーユニットM1は、酸基、とりわけカルボン酸、スルホン酸、リン酸及び/又はホスホン酸基を含むことが好ましい。
とりわけ好ましいコポリマーは、イオン性モノマーユニットM1が式Iの構造
Figure 0006841820
を有するものである。
側鎖保有モノマーユニットM2は、特に、式IIの構造
Figure 0006841820
(式中、
は、各事例において独立して、−COOM、−SO−OM、−O−PO(OM)及び/又はPO(OM)であり、
、R、R及びRは、各事例において独立して、H又は1〜5個の炭素原子を有するアルキル基であり、
及びRは、各事例において独立して、H、−COOM又は1〜5個の炭素原子を有するアルキル基であり、
又は、式中、Rは、Rと一緒に環を形成して−CO−O−CO−をもたらし、
Mは、互いに独立して、H、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、二価若しくは三価金属イオン、アンモニウムイオン又は有機アンモニウム基を表し;
m=0、1又は2であり、
p=0又は1であり、
Xは、各事例において独立して、−O−又はNH−であり、
は式−[AO]−Rの基であり
式中、A=C−〜C−アルキレンであり、RはH、C−〜C20−アルキル基、−シクロアルキル基又はアルキルアリール基であり、
及び、n=2〜250、とりわけ10〜200である)
を含む。
有利には、側鎖保有モノマーユニットM2に対するイオン性モノマーユニットM1のモル比は、0.5〜6、とりわけ0.7〜4、好ましくは0.9〜3.8、さらに好ましくは1.0〜3.7又は2〜3.5の範囲内である。これにより、無機バインダ組成物中において最適な分散効果が達成される。
特に、R=COOM、R=H又はCH、R=R=Hである。それ故、経済的な観点から注目されているアクリル酸又はメタクリル酸モノマーをベースとしてコポリマーを調製することが可能である。しかも、本文脈におけるこの種のコポリマーは特に良好な分散効果をもたらす。
=COOM、R=H、R=H及びR=COOMであるコポリマーも同様に有利であり得る。このようなコポリマーは、マレイン酸モノマーをベースとして調製可能である。
イオン性モノマーユニットM2中のX基であって、すべてのモノマーユニットM2の有利には少なくとも75mol%、特に少なくとも90mol%、とりわけ少なくとも95mol%又は少なくとも99mol%中のX基は−O−(=酸素原子)である。
有利には、R=H又はCH、R=R=H及びX=−O−である。それ故、この種のコポリマーを、例えば、(メタ)アクリル酸エステル、ビニルエーテル、(メタ)アリルエーテル又はイソプレノールエーテルからの処理で調製可能である。
特に有利な実施形態において、R及びRは各々、40〜60mol%のH及び40〜60mol%の−CHの混合物である。
さらなる有利な実施形態において、R=COOM、R=H、R=−CH及びR=R=R=R=Hである。
他の有利な実施形態において、R=COOM、R=R=H又はCH及びR=R=R=R=Hである。
とりわけ有利なコポリマーは:R=COOM;R及びRが各々独立して、H、−CHであるか、又は、これらの混合物であり;R及びRが各々独立して、H又はCH、好ましくはHであり;R及びRが各々独立して、H又はCOOM、好ましくはHであるものである。
側鎖保有モノマーユニットM2中のRラジカルは、コポリマー中のすべてのRラジカルに基づいて、とりわけ少なくとも50mol%、とりわけ少なくとも75mol%、好ましくは少なくとも95mol%又は少なくとも99mol%程度のポリエチレンオキシドから構成される。コポリマー中のすべてのアルキレンオキシドユニットに基づくエチレンオキシドユニットの割合は、とりわけ75mol%超、とりわけ90mol%超、好ましくは95mol%超、及び、特定的には100mol%である。
より具体的には、Rは、実質的に疎水性基を有しておらず、とりわけ3個以上の炭素原子を有するアルキレンオキシドを有していない。これはとりわけ、すべてのアルキレンオキシドに基づく3個以上の炭素原子を有するアルキレンオキシドの割合が、5mol%未満、とりわけ2mol%未満、好ましくは1mol%未満又は0.1mol%未満であることを意味する。特に、3個以上の炭素原子を有するアルキレンオキシドは存在していないか、又は、その割合は0mol%である。
は、有利にはH及び/又はメチル基である。特に有利には、A=C−アルキレンであり、及び、RはH又はメチル基である。
より具体的には、パラメータn=10〜150、とりわけn=15〜100、好ましくはn=17〜70、特定的にはn=19〜45又はn=20〜25である。特定的には、これにより、特定されている好ましい範囲内で優れた分散効果が達成される。
コポリマーが、とりわけモノマーユニットM1及びM2とは化学的に異なる少なくとも1種のさらなるモノマーユニットMSを含んでいる場合がさらに有利であり得る。特に、複数の異なるさらなるモノマーユニットMSが存在し得る。このように、コポリマーの特性をさらに変性し、例えば特定の用途に関して調節することが可能である。
特に有利には、少なくとも1種のさらなるモノマーユニットMSは、式IIIのモノマーユニット:
Figure 0006841820
(式中、
5’、R6’、R7’、m’及びp’は、R、R、R、m及びpについて定義されているとおりであり;
Yは、各事例において独立して、化学結合又はO−であり;
Zは、各事例において独立して、化学結合、−O−又はNH−であり;
は、各事例において独立して、各々1〜20個の炭素原子を有する、アルキル基、シクロアルキル基、アルキルアリール基、アリール基、ヒドロキシアルキル基又はアセトキシアルキル基である)
である。
さらなるモノマーユニットMSの有利な例は、m’=0、p’=0、Z及びYが化学結合を表し、並びに、Rが6〜10個の炭素原子を有するアルキルアリール基であるものである。
とりわけ、m’=0、p’=1、Yが−O−であり、Zが化学結合を表し、及び、Rが1〜4個の炭素原子を有するアルキル基であるさらなるモノマーユニットMSもまた好適である。
m’=0、p’=1、Yが化学結合であり、Zが−O−であり、並びに、Rが、1〜6個の炭素原子を有するアルキル基及び/又はヒドロキシアルキル基であるさらなるモノマーユニットMSがさらに好適である。
特に有利には、少なくとも1種のさらなるモノマーユニットMSは、重合された酢酸ビニル、スチレン及び/又はヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート、とりわけヒドロキシエチルアクリレートから構成される。
少なくとも1種のさらなるモノマーユニットMSは、少なくとも1つの区画A及び/又はさらなる区画Bの一部であり得る。少なくとも1種のさらなるモノマーユニットMSが、コポリマーの追加の区画の一部であることも可能である。より具体的には、異なるモノマーユニットMSが異なる区画に存在していてもよい。
少なくとも1つの区画Aの中に存在する場合、少なくとも1種のさらなるモノマーユニットMSは、有利には、少なくとも1つの区画A中のすべてのモノマーユニットに基づいて、第1の区画A中において、0.001〜80mol%、好ましくは20〜75mol%、とりわけ30〜70mol%の割合を有する。
さらなる区画Bの中に存在する場合、少なくとも1種のさらなるモノマーユニットMSは、とりわけ、さらなる区画B中のすべてのモノマーユニットに基づいて、さらなる区画B中において、0.001〜80mol%、好ましくは20〜75mol%、とりわけ30〜70mol%又は50〜70mol%の割合を有する。
有利な実施形態において、少なくとも1種のさらなるモノマーユニットMSは、それぞれの区画中のすべてのモノマーユニットに基づいて、少なくとも1つの区画A中、及び/又は、さらなる区画B中に20〜75mol%、とりわけ30〜70mol%の割合で存在する。
有利な実施形態において、コポリマーは、少なくとも1つの区画Aから構成される。他の有利な実施形態において、コポリマーは、少なくとも1つの区画A及びさらなる区画Bから構成される。特に、後者の事例では、きわめて良好で持続的な可塑化効果がもたらされる。
しかしながら、例えば、コポリマーが、少なくとも2つの異なる区画A及び/又は少なくとも2つの異なるさらなる区画Bを含有していることも可能である。
特に有利なコポリマーは、以下の特徴を少なくとも1つ又は2つ以上有する。
i)コポリマーは、少なくとも75mol%、とりわけ少なくとも90mol%又は95mol%程度のイオン性モノマーユニットM1及び側鎖保有モノマーユニットM2から構成される。
ii)コポリマーは、少なくとも1つの区画A及びさらなる区画Bを含むか、あるいは、少なくとも1つの区画A及びさらなる区画Bから構成される。
iii)さらなる区画Bは、側鎖保有モノマーユニットM2を、区画B中に存在するすべてのモノマーユニットに基づいて、とりわけ少なくとも50mol%、好ましくは少なくとも75mol%、特に少なくとも90mol%又は少なくとも95mol%含む。さらなる区画B中に存在するイオン性モノマーユニットM1のいずれかの割合は、さらなる区画B中のすべてのモノマーユニットM2に基づいて、25mol%未満、とりわけ10mol%未満又は5mol%未満である。
iv)コポリマー中のモノマーユニットM2に対するモノマーユニットM1のモル比は、0.5〜6、好ましくは0.8〜3.5の範囲内である。
(v)RはCOOMである。
(vi)R及びRは、H又はCHであり、好ましくはCHである。
(vii)R=R=R=R=Hである。
(viii)m=0及びp=1である。
(ix)X=−O−である。
(x)A=C−アルキレン及びn=10〜150、好ましくは15〜50である。
(xi)R=H又はCHであり、好ましくはCHである。
とりわけ好ましいコポリマーは、少なくともすべての特徴(i)〜(iv)を有する区画A及びBから構成されるものである。すべての特徴(i)〜(xi)を有するコポリマーがさらに好ましい。各事例における好ましい実施においてすべての特徴(i)〜(xi)を満足するコポリマーがさらに好ましい。
コポリマーは特に、実質的に直鎖構造を有するポリマーである。これは特に、コポリマーのすべてのモノマーユニットが、単一のポリマー鎖及び/又は枝分かれしていないポリマー鎖に配列されていることを意味する。特定的には、コポリマーは星型構造を有さず、及び/又は、コポリマーは分岐ポリマーの一部ではない。より具体的には、コポリマーは、複数、とりわけ異なる方向に延びる3つ以上のポリマー鎖が中央分子に結合しているポリマーの一部ではない。
コポリマーは液体又は固体形態であり得る。より好ましくは、コポリマーは溶液又は分散体の構成成分として存在し、ここで、コポリマーの割合は、とりわけ10〜90重量%、好ましくは25〜65重量%である。これは、コポリマーは、例えば、バインダ組成物にきわめて効率的に添加可能であることを意味する。コポリマーが溶液中、とりわけ水溶液中で調製される場合、さらなる処理を省略することも可能である。
他の有利な実施形態によれば、コポリマーは、固体状態であり、とりわけ粉末形態、ペレット形態、及び/又は、シート形態である。これにより、とりわけ、コポリマーの輸送が簡素化される。コポリマーの溶液又は分散体は、例えば噴霧乾燥により、固体状態に転換可能である。本発明に従って用いられるポリマーは、とりわけ、以下のプロセスによって入手される。
さらなる本発明の態様は従って、コポリマーであって、とりわけ上記のコポリマーの調製プロセスに関し、ここでは、イオン性モノマーm1及び側鎖保有モノマーm2が一緒に重合されて、濃度勾配及び/又は勾配構造が形成される。重合が完了すると、イオン性モノマーm1は、コポリマーの上記のイオン性モノマーユニットM1に相当する。重合が完了すると、側鎖保有モノマーm2は同様に、上記の側鎖保有モノマーユニットM2に相当する。
より具体的には、重合の最中に、遊離側鎖保有モノマーm2に対する遊離イオン性モノマーm1のモル比が、少なくとも一時的に変更される。特定的には、モル比の変更は連続的な変更を含む。それ故、効率的で制御可能な方法で、濃度勾配又は勾配構造を形成することが可能である。
任意選択により、加えて、遊離側鎖保有モノマーm2に対する遊離イオン性モノマーm1のモル比の段階的な変化が存在する。これは、とりわけ、連続的に変更を行う前に該当する。このように、例えば、さらなる区画Bを有するコポリマーが入手可能である。
好ましい実施形態においては、第1のステップa)において、側鎖保有モノマーm2の実質的な不在下で、イオン性モノマーm1の一部が転換又は重合され、及び、所定の転換率が達成された後に、第2のステップb)において、未だ転換されていないイオン性モノマーm1が側鎖保有モノマーm2と一緒に重合される。このように、単純で安価な方法で、重合されたイオン性モノマーm1から実質的に構成されるさらなる区画Bを有するコポリマーが調製可能である。
同様に、有利には、第1のステップa)においては、イオン性モノマーm1の実質的な不在下で、鎖保有モノマーm2の一部が転換又は重合され、及び、所定の転換率が達成された後に、第2のステップb)において、未だ転換されていない側鎖保有モノマーm2がイオン性モノマーm1と一緒に重合される。このように、単純で安価な方法で、重合された側鎖保有モノマーm2から実質的に構成されるさらなる区画Bを有するコポリマーが入手可能である。
ここでは、ステップa)及びb)をすぐに連続して実施することが有利である。このように、ステップa)及びb)における重合反応を可能な限り最良の程度に維持することが可能である。
ステップa)における重合はとりわけ、0.1〜85mol%、とりわけ1〜74mol%、好ましくは10〜70mol%、特に25〜70mol%、とりわけ28〜50mol%又は30〜50mol%のイオン性モノマーm1又は側鎖保有モノマーm2が転換又は重合されるまで実施される。40〜45mol%の転換率が特に有利である。
モノマーm1及びm2の転換率、又は、重合の進行度は、例えば、液体クロマトグラフィー、とりわけ高速液体クロマトグラフィー(HPLC)によるものといった、それ自体は公知であるもので監視することが可能である。
より具体的には、イオン性モノマーm1は、式IVの構造:
Figure 0006841820
を有し、及び、側鎖保有モノマーm2は、式Vの構造:
Figure 0006841820
(式中、R、R、R、R、R、R、R、R、m、p及びXは上記のとおり定義される)
を有する。
特徴付けられるさらなる有利な実施形態において、重合中又はステップa)中及び/若しくはステップb)中に、少なくとも1種のさらなる重合性モノマーmsが存在し、これは、とりわけ、式VIのモノマー:
Figure 0006841820
(式中、R5’、R6’、R7’、Rm’、p’、Y及びZは上記に定義されているとおりである)
である。
重合が完了すると、さらなるモノマーmsは、上記のさらなるモノマーユニットMSに相当する。
特に有利には、少なくとも1種のさらなるモノマーmsは、酢酸ビニル、スチレン、N−ビニルピロリドン及び/又はヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート、とりわけヒドロキシエチルアクリレートから選択される。
プロセスは、例えば、ステップa)において、最初にモノマーm2を例えば水といった溶剤中に仕込み、次いで、これらを重合してさらなる区画Bを得ることにより実施可能である。モノマーm2の所望の転換率(例えば30〜45mol%;上記を参照のこと)が達成されたら、時間をおくこと無く直ぐに、ステップb)において、モノマーm1を添加し、重合を継続する。ここではモノマーm1と未転換のモノマーm2とがすでに形成されている区画Bに結合し、これにより勾配構造を有する少なくとも1つの区画Aが形成される。有利には、モノマーm1の所望の転換率(例えば75〜95mol%、とりわけ80〜92mol%;上記を参照のこと)が達成されるまで重合が再度継続される。これにより、例えば、さらなる区画Bに結合した少なくとも1つの区画Aを含むコポリマーが得られる。
さらなる有利な実施形態においては、ステップa)及び/又はステップb)において、上記の少なくとも1種のさらなる重合性モノマーmsが存在している。少なくとも1種のさらなる重合性モノマーmsはこの場合、とりわけ、モノマーm1及び/又はモノマーm2と重合される。
あるいは、ステップa)及びステップb)に追加して、少なくとも1種のさらなる重合性モノマーmsを重合するためのさらなるステップc)を得ることが可能である。このように、追加の区画Cを有するコポリマーを調製可能である。より具体的には、ステップc)は、ステップa)とステップb)との間の時間に実施可能である。それ故、追加の区画Cは区画AとBとの間のスペースに配置される。
あるいは、ステップc)をステップa)及びb)の前又は後に実施することが可能である。それ故、追加の区画Cは、区画Aの後又は区画Bの前に配置され得る。
有利には、重合は制御ラジカル重合及び/又はリビングラジカル重合により行われる。可逆的付加−開裂連鎖移動重合(RAFT)が特に好ましい。
ラジカル重合は基本的に、開始、成長及び停止の3つのステップに分割することが可能である。
「リビングラジカル重合」は「制御ラジカル重合」とも呼ばれ、それ自体は他の文脈における当業者に公知である。この用語は、連鎖停止反応(移動及び停止)が実質的に生じない連鎖成長プロセスを包含する。リビングラジカル重合はそれ故、不可逆的な移動又は停止反応を実質的に伴うことなく進行する。これらの判断基準は、例えば、重合開始剤が重合中のきわめて早期の段階で既に使い果たされた場合であって、少なくともそれ自体の連鎖延伸と同じぐらい速く進行する異なる反応性の種間の交換が生じている場合に充足されることが可能である。とりわけ、活性な連鎖末端の数は、重合の最中、実質的に一定のままである。これにより、重合プロセス全体にわたって継続する鎖の実質的に同時の成長が可能となる。これに対応して、狭い分子量分布又は多分散性がもたらされる。
換言すると、制御ラジカル重合又はリビングラジカル重合は特に、可逆的であるか、又は、停止若しくは移動反応を伴わない点が注目すべきである。開始の後、活性部位は従って、反応全体にわたって保存される。すべてのポリマー鎖は同時に形成(開始)され、及び、時間全体にわたって連続的に成長する。理想的には、活性部位のラジカル官能基は、重合されるモノマーの転換が完了した後でも保存される。制御重合のこの特別な特性により、勾配又はブロックコポリマーなどの良好に画定された構造の調製が、異なるモノマーの逐次的な付加を介して可能となる。
対照的に、上記の従来のラジカル重合においては(例えば、欧州特許出願公開第1 110 981 A2号明細書(花王株式会社))、すべての3つのステップ(開始、成長及び停止)は平行して進行する。活性な成長する連鎖の各々が有効である時間はきわめて短く、鎖の連鎖成長中のモノマー濃度は実質的に一定のままである。それ故、形成されるポリマー鎖は、さらなるモノマーの付加に好適ないずれかの活性部位は有さない。それ故、このメカニズムでは、ポリマーの構造に係る制御がまったく許容されない。従って、従来のラジカル重合による勾配又はブロック構造の調製は、典型的には不可能である(例えば、“Polymere:Synthese,Synthese und Eigenschaften”[Polymers:Synthesis,Synthesis and Properties];著者:Koltzenburg,Maskos,Nuyken;発行元:Springer Spektrum;ISBN:97−3−642−34772−6及び“Fundamentals of Controlled/living Radical Polymerization”;発行元:Royal Society of Chemistry;編集者:Tsarevsky,Sumerlin;ISBN:978−1−84973−425−7を参照のこと)。
それ故、「リビングラジカル重合」と、非リビング又は非制御的に実施される従来の「ラジカル重合」又はフリー重合との間には明らかな差異が存在する。
可逆的付加−開裂連鎖移動重合(RAFT)において、重合に係る制御は、可逆的な連鎖移動反応によって達成される。特定的には、成長するラジカル鎖がRAFT剤と呼ばれるものに付加され、これにより、中間体フリーラジカルの形成がもたらされる。次いで、RAFT剤が断片化して、他のRAFT剤及びフリーラジカルが伝播に利用可能とされる。このように、すべての鎖全体に伝播確率が均一に分布することとなる。形成されるポリマーの平均鎖長は、RAFT剤濃度及び反応転換率に比例する。用いられるRAFT剤は、とりわけ有機硫黄化合物である。ジチオエステル、ジチオカルバメート、トリチオカルボネート及び/又はキサンテートが特に好適である。重合は、開始剤又は熱自己開始による従来の方法で開始されることが可能である。
好ましくは、重合又はステップa)及び/若しくはb)は、水溶液中で行われる。より具体的には、ステップa)及びb)の両方での重合は、水溶液中で行われる。同様に、これはまた、実施される場合にはステップc)についても当てはまる。見出されているとおり、コポリマーの分散作用に好ましい効果を有する。
あるいは、例えばエタノールといった他の溶剤を提供することが可能である。
重合に用いられる開始剤は、とりわけラジカル開始剤、好ましくはアゾ化合物及び/又は過酸化物である。好適な過酸化物は、例えば、過酸化ジベンゾイル(DBPO)、ジ−t−ブチルパーオキシド及びジアセチルペルオキシドからなる群から選択される。
特に有利な開始剤は、アゾ化合物、例えばアゾビスイソブチロニトリル(AIBN)、α,α’−アゾジイソブチルアミジン二塩化水素化物(AAPH)又はアゾビスイソブチルアミジン(AIBA)である。いくつかの状況下においては、例えば過硫酸ナトリウム又は次亜硝酸ジ−t−ブチルといった他のラジカル開始剤を代わりに用いることが可能である。
重合が水溶液又は水中で行われる場合、α,α’−アゾジイソブチルアミジン二塩化水素化物(AAPH)が、開始剤として有利に用いられる。
好ましくは、重合の最中、又は、ステップa)及び/若しくはb)の最中に、ジチオエステル、ジチオカルバメート、トリチオカルボネート及びキサンテートからなる群の1つ又は複数の代表が存在する。これらが「RAFT剤」と呼ばれ、重合プロセスに係る制御が可能とされる。同様に、これはまた、実施される場合にはステップc)についても当てはまる。
より具体的には、重合、又は、ステップa)、ステップb)及び/若しくはステップc)は、50〜95℃、とりわけ70〜90℃の範囲内の温度で行われる。
例えば窒素雰囲気といった不活性ガス雰囲気下で作業することが有利である。
対応して、本発明はまた、さらなる態様において、アルカリ性活性化剤を含むバインダ組成物中における上記のプロセスによって入手可能であるコポリマーの分散剤としての使用に関し、活性化剤は、とりわけ、潜在水硬性及び/又はポゾランバインダの活性化に好適である。バインダ組成物及び活性化剤は、上記において定義されているとおりである。
本発明のさらなる態様は、無機バインダ及びアルカリ性活性化剤を含むバインダ組成物に関し、並びに、上記に定義されているコポリマーに関する。
加えて、とりわけ、バインダ組成物中に存在している潜在水硬性及び/又はポゾランバインダが存在している。活性化剤は、有利には、特に潜在水硬性及び/又はポゾランバインダのための上記において定義されている活性化剤である。この種のバインダ組成物は、モルタル及び/又はコンクリートの製造のために、例えば砂、砂利及び/又は岩粒などの骨材と一緒に用いられることが可能である。
見出されているとおり、このようなバインダ組成物の水性スラリーは、潜在性及び/又はポゾランバインダの割合が高いにも関わらず良好な作業性を有する。加えて、バインダ組成物の硬化後においても、適切な初期強度及び高濃度が達成される。
無機バインダ組成物は、とりわけ、作業が容易な無機バインダ組成物であり、及び/又は、水で形成されるものである。
無機バインダ組成物におけるバインダに対する水の重量比は、0.25〜0.7、特に0.26〜0.65、好ましくは0.27〜0.60、とりわけ0.28〜0.55の範囲内であることが好ましい。
コポリマーは、有利には、バインダ含有量に基づいて、0.01〜10重量%、とりわけ0.1〜7重量%又は0.2〜5重量%の割合で用いられる。コポリマーの割合はコポリマー自体が基準となる。溶液形態のコポリマーの場合には、同様に重要であるのは固形分含有量である。
無機バインダ組成物は、モルタル又はコンクリート組成物であることが好ましい。
対応して、水を添加した後にこのようなバインダ組成物を硬化させることで、造形品が得られる。これらは原理上は任意の所望される形状のものであり得、及び、例えば、例えば建築物又は橋梁といった建築構造物の一部であり得る。
追加の本発明の態様は、バインダ組成物を製造するためのプロセスに関する。これは、とりわけ潜在水硬性及び/又はポゾランバインダを含む無機バインダと、上述されているコポリマーと、同様に上述されているアルカリ性又は塩基性活性化剤とを混合するステップを含む。
好ましいプロセスにおいては、バインダ組成物に係るメークアップウォータが活性化剤と予め混合され、次いで、コポリマーがこれに混合される。その後のステップにおいて、くし形ポリマーと任意選択により活性化剤とを含むメークアップウォータが、次いで、バインダと混合される。これは、バインダ組成物中のコポリマーの最大効率に関して有利であることが見出された。
しかしながら、原理上は、先ず、活性化剤と無機バインダとを、例えば一定量のメークアップウォータと共に混合し、その後、コポリマーを、例えばさらなる分量のメークアップウォータと共に混合することも可能である。
しかも、一定量のコポリマー、とりわけ、すべてのコポリマーを、例えば水硬性、潜在水硬性及び/又はポゾランバインダといった無機バインダの粉砕プロセスの前及び/又はその最中に混合することが有利であり得る。
これとは個別に、少なくとも一定量の活性化剤、とりわけすべての活性化剤を、無機バインダの粉砕プロセスの前及び/又はその最中に混合することが好ましい場合もある。任意選択により、くし形ポリマー及び活性化剤の両方の少なくともいくらかを、粉砕プロセスの前及び/又はその最中に添加することが可能である。
これらの添加形態により、とりわけ、バインダ組成物の形成における取り扱いを簡略化することが可能であり、及び、粉砕プロセスに好ましい効果を有し得る。
本発明のさらなる有利な実施形態は以下の実施例から明らかとなるであろう。
1.ポリマーの調製例
1.1 参照用ポリマーR1(比較例、統計学的コポリマー)
比較用ポリマーを調製するために、最初に、反応容器に1.4gの次亜リン酸ナトリウム及び36gの脱イオン水を仕込む。反応溶液を80℃に加熱する。この溶液に、120分以内に、108.3gの50%メトキシポリエチレングリコール−1000メタクリレート、8.6gのメタクリル酸及び20gの水の溶液を滴下する。同時に、130分以内に、0.89gの過硫酸ナトリウム及び20gの水の溶液を滴下する。これが終了した後、溶液を冷却する。薄い黄色味がかった、わずかに粘性のポリマーが残される。
このようにして得られるコポリマーを参照用ポリマーR1と呼び、モノマーユニット(メタクリル酸ユニット及びポリエチレングリコールメタクリレートユニット)の純粋に統計学的又はランダムな分布を有する。
1.2 コポリマーP1
RAFT重合により勾配ポリマーを調製するために、最初に、還流凝縮器、攪拌機系、温度計及びガス吸入管を備える丸底フラスコに、57.4gの50%メトキシポリエチレングリコール1000メタクリレート(0.03mol)及び22gの脱イオン水を仕込む。反応混合物を激しく攪拌しながら80℃に加熱する。この加熱中及び残りの反応時間のすべてにわたって、穏やかなN2不活性ガス流を溶液に通過させる。次いで、378mgの4−シアノ−4−(チオベンゾイル)ペンタン酸(1.35mmol)を混合物に添加する。物質が完全に溶解したら、67mgのAIBN(0.41mmol)を添加する。それ以降、HPLCによって定期的に転換率を判定する。
メトキシポリエチレングリコールメタクリレートに基づいて、転換率が65mol%になったら、20gのHO中に溶解した4.66gのメタクリル酸(0.05mol)を20分以内に滴下する。これが終了した後、混合物を放置してさらに4時間反応させ、次いで、冷却する。清透で薄い赤味がかった、約35%の固形分含有量を有する水溶液が残される。このようにして得られる勾配構造を有するコポリマーを、コポリマーP1と称する。
図1は、コポリマーP1の調製におけるモノマー転換率対時間のプロットを示す。モノマー転換率は、コポリマーの調製中における図1に示されている時間で、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)により、それ自体公知の方法で測定した。時間t=0分の原点から始まる上方の点線の曲線は、メトキシポリエチレングリコールメタクリレートモノマー(=側鎖保有モノマーm2)の転換率(右軸のスケール)を表す。時間t=25分で始まる下方の点線の曲線は、メタクリル酸モノマー(=イオン性モノマーm1)の転換率(右軸のスケール)を表す。菱形の点が付された中実線は、直前の計測点から重合された側鎖保有モノマーm2の数(=n(M2);左軸のスケール)を示す。対応して、三角形の点が付された中実線は、直前の計測点から重合されたイオン性モノマーm1の数(=n(M1);左軸のスケール)を示す。
図1中の0〜55分の期間の特定の時間のデータを用いて、比n(M2)/[n(M1)+n(M2)]及びn(M1)/[n(M1)+n(M2)]を算出して、以下の値が見出される。
Figure 0006841820
表1から、コポリマーP1の調製においては、最初の25分間の最中に、100%側鎖保有モノマーユニットM2から構成される区画が形成され、続いて、側鎖保有モノマーユニットM2の割合が連続的に低減し、一方で、イオン性モノマーユニットM1の割合が連続的に増加する区画が形成されることが明らかである。
図2は追加的に、コポリマーP1の可能な構造を概略的に示す。これは、図1に示されている転換率から直接的に推測可能である。側鎖保有モノマーユニットM2(=重合化メトキシポリエチレングリコールメタクリレートモノマー)は、よじれた枝が付された丸として表されている。イオン性モノマーユニットM1は、ダンベル型の符号として表されている。
図2から、コポリマーP1は、勾配構造を有する第1の区画Aと実質的に側鎖保有モノマーユニットから構成されるさらなる区画Bとを含むことが明らかである。
1.3 コポリマーP2
RAFT重合により勾配ポリマーを調製するために、最初に、還流凝縮器、攪拌機系、温度計及びガス吸入管を備える丸底フラスコに、57.4gの50%メトキシポリエチレングリコール1000メタクリレート(0.03mol)及び22gの脱イオン水を仕込む。反応混合物を激しく攪拌しながら80℃に加熱する。この加熱中及び残りの反応時間のすべてにわたって、穏やかなN2不活性ガス流を溶液に通過させる。次いで、378mgの4−シアノ−4−(チオベンゾイル)ペンタン酸(1.35mmol)を混合物に添加する。物質が完全に溶解したら、67mgのAIBN(0.41mmol)を添加する。それ以降、HPLCによって定期的に転換率を判定する。
メトキシポリエチレングリコールメタクリレートに基づいて、転換率が65mol%になったら、20gのHO中に溶解した4.66gのメタクリル酸(0.05mol)を10分以内に滴下する。これが終了した後、混合物を放置してさらに4時間反応させ、次いで、冷却する。清透で薄い赤味がかった、約35%の固形分含有量を有する水溶液が残される。このようにして得られる勾配構造を有するコポリマーを、コポリマーP1と称する。
1.3 コポリマーP3
RAFT重合により勾配ポリマーを調製するために、最初に、還流凝縮器、攪拌機系、温度計及びガス吸入管を備える丸底フラスコに、57.4gの50%メトキシポリエチレングリコール1000メタクリレート(0.03mol)及び22gの脱イオン水を仕込む。反応混合物を激しく攪拌しながら80℃に加熱する。この加熱中及び残りの反応時間のすべてにわたって、穏やかなN2不活性ガス流を溶液に通過させる。次いで、378mgの4−シアノ−4−(チオベンゾイル)ペンタン酸(1.35mmol)を混合物に添加する。物質が完全に溶解したら、67mgのAIBN(0.41mmol)を添加する。それ以降、HPLCによって定期的に転換率を判定する。
メトキシポリエチレングリコールメタクリレートに基づいて、転換率が45mol%になったら、20gのHO中に溶解した4.66gのメタクリル酸(0.05mol)を20分以内に滴下する。これが終了した後、混合物を放置してさらに4時間反応させ、次いで、冷却する。清透で薄い赤味がかった、約35%の固形分含有量を有する水溶液が残される。このようにして得られる勾配構造を有するコポリマーを、コポリマーP3と称する。
1.4 コポリマーP4
RAFT重合により勾配ポリマーを調製するために、最初に、還流凝縮器、攪拌機系、温度計及びガス吸入管を備える丸底フラスコに、57.4gの50%メトキシポリエチレングリコール1000メタクリレート(0.03mol)及び22gの脱イオン水を仕込む。反応混合物を激しく攪拌しながら80℃に加熱する。この加熱中及び残りの反応時間のすべてにわたって、穏やかなN2不活性ガス流を溶液に通過させる。次いで、378mgの4−シアノ−4−(チオベンゾイル)ペンタン酸(1.35mmol)を混合物に添加する。物質が完全に溶解したら、67mgのAIBN(0.41mmol)を添加する。それ以降、HPLCによって定期的に転換率を判定する。
メトキシポリエチレングリコールメタクリレートに基づいて、転換率が30mol%になったら、20gのHO中に溶解した4.66gのメタクリル酸(0.05mol)を20分以内に滴下する。これが終了した後、混合物を放置してさらに4時間反応させ、次いで、冷却する。清透で薄い赤味がかった、約35%の固形分含有量を有する水溶液が残される。このようにして得られる勾配構造を有するコポリマーを、コポリマーP4と称する。
2.モルタル混合物
2.1 製造
テストの目的で用いたモルタル混合物は表2に記載の乾燥組成を有する。
Figure 0006841820
モルタル混合物を形成するために、砂、石灰石充填材及びセメントをHobartミキサで1分間乾燥混合した。30秒間以内に、予め混合しておいたメークアップウォータ(水対セメント比w/c=0.49)を添加し、混合物をさらに2.5分間混合した。合計湿潤混合時間は各事例において3分間であった。
モルタル混合物を添加する前に、それぞれのポリマー(割合:0.24重量%;ポリマーの固形分含有量基準及びセメント含有量基準)、及び、任意選択により、塩基性活性化剤(NaOH;セメント含有量基準で0.17重量%)をメークアップウォータに混合した。コポリマー及び塩基性活性化剤の両方を混合する場合、塩基性活性化剤は、コポリマーを添加する前にメークアップウォータに混合される。
2.2 モルタルテスト
ポリマーの分散度を判定するために、形成した一連のモルタル混合物のスランプ(ABM)を異なる時間で計測した。モルタルのスランプ(ABM)はEN1015−3に準拠して測定した。
2.3モルタルテストの結果
表3に、実施したモルタルテストの概要と、得られた結果を示す。実験V1はポリマーを添加しない比較のために実施したブランク実験である。
Figure 0006841820
実験は、勾配構造を有するコポリマーP1〜P3を用いた事例(実験V4〜V9を参照のこと)においては、NaOHを添加したことによるスランプにおける割合変化は、参照用ポリマーR1を用いた事例(実験V2及びV3を参照のこと)よりも明らかに小さいことを明確に示している。
それ故、提示されている結果より、本発明のコポリマーは、種々の観点において公知のポリマーよりも有利であるという結論を導くことが可能である。より具体的には、本発明のポリマーでは、高い分散度及び可塑化を達成することが可能であり、並びに、これらはまた、比較的長期にわたって、実際上関心のもたれるレベルで維持されることが可能である。しかも、本発明のポリマーは、従来のポリマーよりもアルカリ性活性化剤に対する感受性が明らかに低いものである。
しかしながら、上記の実施形態は、単なる例示的な例としてみなされるべきであり、本発明の範囲内において所望に応じて変更可能である。

Claims (14)

  1. アルカリ性活性化剤を含むバインダ組成物中における分散剤としてのコポリマーの使用であって、前記コポリマーは、ポリマー主鎖とこれに結合する側鎖とを有しかつ少なくとも1種のイオン性モノマーユニットM1及び少なくとも1種の側鎖保有モノマーユニットM2を含み、
    前記コポリマーが、ポリマー主鎖に沿った方向における少なくとも1つの区画Aにおいて、前記イオン性モノマーユニットM1に関してかつ/又は前記側鎖保有モノマーユニットM2に関して勾配構造を有すること、並びに
    前記イオン性モノマーユニットM1が、式Iの構造を有し:
    Figure 0006841820
    かつ前記側鎖保有モノマーユニットM2が、式IIの構造を含むこと:
    Figure 0006841820
    (式中、
    は、それぞれの場合で独立して、−COOM、−SO −OM、−O−PO(OM) 、及び/又はPO(OM) であり、
    、R 、R 及びR は、それぞれの場合で独立して、H、又は1〜5個の炭素原子を有するアルキル基であり、
    及びR は、それぞれの場合で独立して、H、−COOM、又は1〜5個の炭素原子を有するアルキル基であり、
    又は
    式中、R は、R と一緒に環を形成して−CO−O−CO−をもたらし、
    Mは、互いに独立して、H 、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、二価若しくは三価金属イオン、アンモニウムイオン、又は有機アンモニウム基を表し;
    m=0、1又は2であり、
    p=0又は1であり、
    Xは、それぞれの場合で独立して、−O−又はNH−であり、
    は式−[AO] −R の基であり、ここで、A=C −〜C −アルキレンであり、R はH、C −〜C 20 −アルキル基、−シクロアルキル基又はアルキルアリール基であり、かつ
    n=2〜250)、
    を特徴とする使用。
  2. 前記バインダ組成物が、潜在水硬性及び/又はポゾランバインダを含むか、あるいは潜在水硬性及び/又はポゾランバインダから構成されることを特徴とする、請求項1に記載の使用。
  3. 前記バインダ組成物が、5〜95重量%の潜在水硬性バインダ及び/又はポゾランバインダ、並びに5〜95重量%の水硬性バインダを含むことを特徴とする、請求項1又は2に記載の使用。
  4. 前記コポリマーの前記少なくとも1つの区画Aにおいて、前記少なくとも1種のイオン性モノマーユニットM1の局所的濃度が、前記ポリマー主鎖に沿って連続的に増加し、一方で、前記少なくとも1種の側鎖保有モノマーユニットM2の局所的濃度が、前記ポリマー主鎖に沿って連続的に低減するか、又はその反対であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の使用。
  5. 前記コポリマーの多分散性が1.5未満であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の使用。
  6. 前記勾配構造を有する前記少なくとも1つの区画Aが、前記ポリマー主鎖中のモノマーユニットの総数に基づいて、少なくとも30%のモノマーユニットの割合を有することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の使用。
  7. 前記コポリマーが、前記少なくとも1つの区画Aに追加して、モノマーの本質的に一定の局所的濃度及び/又はモノマーのランダム分布を有するさらなる区画Bを有し、ここで、前記さらなる区画Bは、イオン性モノマーユニットM1及び/又は側鎖保有モノマーユニットM2を含むことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の使用。
  8. 前記本質的に一定の局所的濃度を有する前記さらなる区画Bが、その中に存在するすべての前記モノマーユニットに基づいて、少なくとも30mol%の側鎖保有モノマーユニットM2を含み、及び、前記さらなる区画中のすべての前記モノマーユニットM2に基づいて、前記さらなる区画中に存在するイオン性モノマーユニットM1のいずれかの割合が、25mol%未満であることを特徴とする、請求項7に記載の使用。
  9. 前記モノマーユニットM2に対する前記モノマーユニットM1のモル比が、0.5〜6の範囲内であることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の使用。
  10. =COOMであり;R及びRが、互いに独立して、H、−CH又はこれらの組合せであり;R及びRが、互いに独立して、H又はCHであり;R及びRが、互いに独立して、H又はCOOMであり;かつ、すべてのモノマーユニットM2の少なくとも75mol%のXが−O−であることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一項に記載の使用。
  11. 前記コポリマーが、イオン性モノマーm1及び側鎖保有モノマーm2が一緒に重合されて濃度勾配及び/又は勾配構造が形成される方法により得ることができ、かつ前記重合が、制御ラジカル重合及び/又はリビングラジカル重合によって行われ、ここで、前記イオン性モノマーm1は、重合が完了したときに、前記イオン性モノマーユニットM1を形成し、かつ前記側鎖保有モノマーm2は、重合が完了したときに、前記側鎖保有モノマーユニットM2を形成するものであることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一項に記載の使用。
  12. 無機バインダと、アルカリ性活性化剤と、請求項1〜11のいずれか一項に記載のコポリマーとを含むバインダ組成物。
  13. 請求項12に記載のバインダ組成物を製造するための方法であって、無機バインダを、前記コポリマー及びアルカリ性活性化剤と混合することを特徴とする方法。
  14. 水を添加した後に請求項13に記載されているバインダ組成を硬化させることにより製造される成形品。
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