KR20060113694A - 물유리 경화 촉진제로서의 알킬렌 탄산염 - Google Patents

Abstract

본 발명은 접합성 혼합물의 경화에 유용한 촉매를 제공하는데, 여기서 촉매는 하나 이상의 알킬렌 탄산염과 글리세린 탄산염의 조합을 포함한다. 본 발명에 따른 촉매의 사용을 통해, 규산나트륨을 함유하고 있는 접합성 혼합물은 낮은 온도에서 경화 될 수 있는데, 왜냐하면 본 발명의 촉매는 녹는점이 36℃로 규산염의 경화 촉진제로서 사용이 가능하지 않은 에틸렌 탄산염을 함유하고 있을지라도 낮은 온도에서 잘 작용하기 때문이다. 도 1은 표 Ⅱ가 제시한 결과를 그래프로 설명하고 있다.

경화, 촉진제

Description

물유리 경화 촉진제로서의 알킬렌 탄산염 {Alkylene Carbonates as Water Glass Cure Accelerants}

본 발명은 접합성(cementitious) 혼합물의 경화에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 규산나트륨을 함유하고 있는 접합성계의 경화와, 이러한 계에 유용한 경화 속도 촉진제에 관한 것이다.

에틸렌 탄산염, 프로필렌 탄산염, 부틸렌 탄산염과 같은(앞으로 각각 EC, PC와 BC로 지칭함) 알킬렌 탄산염은 수용성 규산나트륨, 예를 들어 물유리(water glass)의 다양한 성형 물체의 제조에서 주조용 모래 접합제(binders)의 용도로 사용시에 경화 속도를 증진시킨다고 알려져있다. 경화 촉진의 정도는 이용되는 알킬렌 탄산염의 종류에 의존된다. 예를 들어, 전술된 알킬렌 탄산염들의 관찰된 촉진 순서는 EC > PC > BC 이다. 즉, 에틸렌 탄산염은 프로필렌 탄산염이나 부틸렌 탄산염보다 동몰 기준으로 주어진 계내에서 더 빠른 경화를 일으킨다. 치환된 알킬렌 탄산염의 반응성의 이러한 차이는 다양한 범위의 경화 촉진 정도를 나타내는 EC와 BC 또는 PC와 BC의 블렌드 제조될 수 있다는 점에서 이점으로 받아들여진다. 이러한 방법으로, 주조 산업은 쉽게 접합제의 배합(formulations)을 획득할 수 있고 특수한 공정이나 환경 조건에 특이적인 최상의 반응 시간을 제공 할 수 있다.

그러나, 주조 용도로 탄산염 블렌드의 사용에 있어 그것의 어는점에 관한 단점이 있다. PC 와 BC 의 어는점은 -40℃ 이하이지만, EC는 36℃ 이하의 온도에서 언다. 이러한 이유로, EC가 풍부한 EC 또는 EC/PC 블렌드의 사용은, 빠른 경화가 요구되는 경우에는 문제가 된다.

본 발명은 상업적으로 이용할 수 있는 알킬렌 탄산염의 신규한 혼합물을 제공하는데 이 혼합물은 물유리의 빠른 경화를 나타내나, 그 자신은 충분히 낮은 온도에서 얼어 그것의 사용을 가능케한다.

발명의 요약

글리세린 탄산염의 구조는 다음과 같다:

본 발명의 한 실시예는 알킬렌 탄산염을 포함하는 액체 촉매 혼합물을 첨가함에 의한 수용성 규산염을 포함하고 있는 수용액의 경화 방법을 포함하는데, 여기서 알킬렌 탄산염은 에틸렌 탄산염, 프로필렌 탄산염, 부틸렌 탄산염 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹에서 선택되고, 여기서 상기 액체 촉매 혼합물에 유효량의 글리세린 탄산염을 포함시켜서, 상기 액체 촉매 혼합물이 약 15℃ 이하의 어는점, 보다 바람직하게는 약 0℃ 이하의 어는점을 가지게 한다.

발명의 상세한 설명

상대적으로 높은 어는점을 갖는 EC를 포함하는 규산나트륨 경화 촉진제의 사용과 관련된 문제는 PC와 글리세린 탄산염(이후로는 "GC")으로 알려진 또 다른 알킬렌 탄산염의 혼합물이 순수한 에틸렌 탄산염이 하는 것과 같은 정도로 규산나트륨의 경화를 촉진시킨다는 발견에 의해 경감된다. 그러나, EC와는 달리, GC는 불리하게도 -40℃ 이상의 온도에서 얼지 않는다. 따라서, 본 발명은 산업상 광범위한 경화 시간을 부여하면서 선행 기술의 경화 촉진제보다 넓은 온도 범위에 걸쳐 액체 상태를 유지하는 GC와 PC의 블렌드를 제공한다.

아민과 알킬렌 탄산염의 반응성은 EC > PC > BC 순으로 알려져 있다. 따라서, 선행 기술은 아민과 탄산염의 반응성은 탄산염 고리에 붙어있는 치환체의 크기에 따라 감소하고, 당업자는 GC는 치환체의 크기와 주어진 분자 구조를 기초로 하여 대략 PC와 BC의 사이의 상대적인 반응성을 가져야 하는것으로 자연적으로 예상할 것이다. 그러나, 하기의 데이타에 따르면, GC의 반응성은 실제로 규산나트륨의 경화를 촉매하는 경우에 EC의 것과 매우 근접하다. 본 발명에 따른 GC를 함유한 경화 촉진제 블렌드는 아래에 진술된 데이타에서 EC 만큼 빠르게 규산나트륨을 경화시키는 것이 확인되었다. 이 결과는 아민 같은 다른 화학종과의 반응에서 GC의 반응 속도의 관점에서 예상하지 못했던 것이다.

도 1은 브랜드 1 ~ 4의 경화 시간을 나타내는 그래프이다.

알킬렌 탄산염의 존재 하에서 규산나트륨의 경화 속도는 규산나트륨의 첨가에 따라 혼합물의 겔화가 가시적 표시를 첫번째로 나타내는데 걸린 시간을 측정하는 것에 의해서 결정되었다. 모든 경우에 있어서, 수용성 규산나트륨 용액은 소정의 알킬렌 탄산염이나 알킬렌 탄산염 혼합물이 함유된 유리 바이알에 첨가되었다. 결과의 혼합 용액은 그 후 압설기(spatula)를 이용해서 강력하게 저어주고, 반투명 액체에서 불투명 젤로 혼합물이 변화될 때까지 걸리는 시간이 기록되었다. 아래의 각 예에서, 규산나트륨 용액과 탄산염의 중량비는 9:1로 유지되었다.(10 중량% 탄산염)

규산나트륨 혼합물들은 산화나트륨(Na₂O)에 대한 실리카(SiO₂)의 비를 상이하게 하여 시험되었다. 시험된 상이한 규산나트륨 용액의 각각의 특성은 표 Ⅰ에 나타나 있다:

표Ⅰ

*브랜드 1- PQ Corporation, N^® Clear

*브랜드 2- Fisher Scientific Products, technical grade

*브랜드 3- PQ Corporation, RU™, 물로 10% 희석

*브랜드 4- PQ Corporation, STARSO^®

아래의 표 Ⅱ는 EC, PC, BC, GC 및 이들의 혼합물의 존재하에 전술한 각각의 규산나트륨 용액의 겔화 시간(초 단위)을 나타냈다. 데이터는 X-Y 포맷으로 나타나는데, 여기서 X와 Y는 각각 겔화가 시작되는데 걸린 시간과 완전히 겔화가 된 상태까지 걸린 시간을 나타낸다. 겔화의 개시점은 보통 혼합물의 점도와 탁도의 급격한 증가를 동반하는데, 압설기의 휘젓는 작용하에 흐름이 중지되는 혼합물은 겔화된 혼합물로 간주된다. 혼합물이 충분히 경화되는데 걸린 시간은 측정되지 않았다. 모든 값은 두 번의 실험의 평균 값이다.

* 대부분의 혼합물과 달리, BC가 포함된 배합물의 겔화는 급격한 점도의 증가가 동반되지 않는다. 오히려 광범위한 시간 범위에 걸쳐 겔화가 일어난다.

** GC가 상당량 포함된 배합물은 처음엔 융화되지 않아서, 겔화 상태에 도달되는데 혼합 시간은 예상보다 더 오래 걸렸다.

*** 대부분의 혼합물과 달리, 브랜드 4의 규산나트륨을 포함한 모든 배합물의 겔화에는 약간의 발열반응이 동반된다.

표 Ⅱ로부터 알킬렌 탄산염의 첨가로 인한 경화 촉진의 일반적인 순서는 다음과 같다고 결론 지을 수 있다:

. 경화율은 SiO₂/Na₂O의 비에 강하게 의존하고, 이 비의 증가에 의존함을 결론 지을 수 있다. 신속한 경화를 원한다면 SiO₂/Na₂O의 비가 2.4 이상인 것이 요구된다. 일반적으로, GC/PC의 혼합물들은 모든 경우에서 브랜드 4를 제외한 유사한 EC/PC의 블렌드들을 능가했는데, 브랜드 4의 경우 SiO₂/Na₂O의 비가 너무 낮아서 신속한 경화를 촉진할 수 없다. 게다가, 또한 EC/GC의 블렌드는 유사한 EC/PC의 블렌드를 능가했다. 이러한 결과들은 도 1에 그래프로 설명되고 있다.

Claims (17)

1. 수용성의 규산염을 함유하는 수용액의 경화 방법으로: SiO₂/M₂O의 배합을 갖는 규산염 수용액을 액체 촉매 혼합물과 접촉시키는 것을 포함하고, 여기서 M은 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K) 및 NR₄ 로 구성된 군에서 선택되고(여기서 R은 독립적으로 수소나 C₁ ~ C₁₀인 탄화수소 기이고), 상기 액체 촉매 혼합물은 글리세린 탄산염 및 에틸렌 탄산염, 프로필렌 탄산염, 부틸렌 탄산염으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 다른 알킬렌 탄산염을 포함하는 것인 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 규산염 수용액은 상기 규산염 수용액의 총 중량을 기준으로 10% ~ 90%의 물을 함유하는 것인 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 액체 촉매 혼합물은 상기 액체 촉매 혼합물과 상기 규산염 수용액의 총합의 중량 기준으로 약 1 ~ 30%의 양으로 존재하는 것인 방법.
4. 제 3항에 있어서, SiO₂/M₂O의 비가 4:1 ~ 1:4의 범위인 것인 방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 하나 이상의 다른 알킬렌 탄산염은 에틸렌 탄산염이고, M은 나트륨이고, 상기 액체 촉매 혼합물은 어는점이 약 15℃ 미만인 것을 특징 으로 하는 방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 수용액은 규산염 용액의 총량을 기준으로 약 1 ~ 30중량%의 상당량의 액체 촉매 혼합물과 접촉되는 것인 방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 수용액에 존재하는 규소의 양은 수용액의 총 중량을 기준으로 약 20 ~ 80중량%의 양인 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 6항에 있어서, 상기 수용액에 존재하는 규소의 양은 수용액의 총 중량을 기준으로 약 40 ~ 60중량%의 양인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 6항에 있어서, 상기 액체 촉매 혼합물에 존재하는 글리세린 탄산염의 양이 상기 액체 촉매 혼합물의 총 중량을 기준으로 약 5 ~ 95중량%의 양인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 6항에 있어서, 상기 액체 촉매 혼합물에 존재하는 글리세린 탄산염의 양이 상기 액체 촉매 혼합물의 총 중량을 기준으로 약 20 ~ 40중량%의 양인 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 6항에 있어서, 상기 액체 촉매 혼합물은 글리세린 탄산염 및 에틸렌 탄산 염을 포함하고, 여기서 에틸렌 탄산염은 상기 액체 촉매 혼합물의 총 중량을 기준으로 약 5 ~ 95중량%의 양으로 상기 액체 촉매 혼합물에 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 6항에 있어서, 상기 액체 촉매 혼합물은 글리세린 탄산염 및 에틸렌 탄산염을 포함하고, 여기서 에틸렌 탄산염은 상기 액체 촉매 혼합물의 총 중량을 기준으로 약 60 ~ 80중량%의 양으로 상기 액체 촉매 혼합물에 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 6항에 있어서, 상기 액체 촉매 혼합물은 글리세린 탄산염 및 프로필렌 탄산염을 포함하고, 여기서 프로필렌 탄산염은 상기 액체 촉매 혼합물의 총 중량을 기준으로 약 5 ~ 95중량%의 양으로 상기 액체 촉매 혼합물에 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 6항에 있어서, 상기 액체 촉매 혼합물은 글리세린 탄산염 및 프로필렌 탄산염을 포함하고, 여기서 프로필렌 탄산염은 상기 액체 촉매 혼합물의 총 중량을 기준으로 약 60 ~ 90중량%의 양으로 상기 액체 촉매 혼합물에 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제 6항에 있어서, 상기 액체 촉매 혼합물은 글리세린 탄산염 및 부틸렌 탄산 염을 포함하고, 여기서 부틸렌 탄산염은 상기 액체 촉매 혼합물의 총 중량을 기준으로 약 60 ~ 90중량%의 양으로 상기 액체 촉매 혼합물에 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제 1항에 있어서, 상기 규산염은 상기 수용액 중의 규소가 리터당 약 50 ~ 500그램의 농도로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 수용성 규산염을 함유하는 수용액의 경화 방법으로, 상기 수용액에 알킬렌 탄산염을 포함하는 액체 촉매 혼합물의 첨가함에 의해 이루어지고, 여기서 상기 알킬렌 탄산염은 에틸렌 탄산염, 프로필렌 탄산염, 부틸렌 탄산염 및 그들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택되고, 여기서 상기 액체 촉매 혼합물에 유효량의 글리세린 탄산염을 포함시켜 상기 액체 촉매 혼합물이 약 15℃ 이하의 어는점을 갖도록 하는 것을 포함하는 방법.

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