PL248524B1

PL248524B1 - Sposób otrzymywania kompozytów cementowych domieszkowanych cieczami jonowymi

Info

Publication number: PL248524B1
Application number: PL444157A
Authority: PL
Inventors: Anna Chrobok; Izabela Klapiszewska; Piotr Latos; Agnieszka Ślosarczyk; Teofil Jesionowski; Łukasz Klapiszewski
Original assignee: Politechnika Poznanska; Politechnika Slaska Im Wincent
Priority date: 2023-03-20
Filing date: 2023-03-20
Publication date: 2025-12-22
Also published as: PL444157A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób otrzymywania kompozytów cementowych domieszkowanych cieczami jonowymi, który polega na tym, że do trifluorometanosulfonianu 1-alkiloimidazoliowego w ilości od 20,0 g do 30,0 g o wzorze ogólnym 1, gdzie R1 oznacza alkany liniowe lub rozgałęzione CnH2n+2; gdzie n=1 – 12 lub trifluorometanosulfonianu trialkiloimidazoliowego w ilości od 30,0 g do 40,0 g, gdzie R1, R2, R3 oznacza alkany liniowe lub rozgałęzione CnH2n+2, gdzie n=1 – 12, wprowadza się w ilościach od 5% do 20% masowych tlenek cynku, całość miesza w czasie od 3 godzin do 4 godzin, proces prowadzi się w temperaturze od 90°C do 130°C, otrzymaną ciecz jonową suszy się na linii Schlenka w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem 0,01 mbar do 1,00 mbar, korzystnie 0,1 mbar, w czasie od 12 godzin do 72 godzin, korzystnie 24 godziny, następnie dodaje się zaprawę składającą się od 450 g do 550 g cementu, od 1250 g do 1450 g kruszywa normowego, od 135 cm3 do 330 cm3 wody destylowanej oraz od 0,125% do 2,5% domieszki cieczy jonowej w odniesieniu do całości zaprawy cementowej.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania kompozytów cementowych domieszkowanych cieczami jonowymi, mających zastosowanie w budownictwie jako materiały o właściwościach antybakteryjnych, wykorzystywane szczególnie w obiektach o podwyższonych wymaganiach higienicznych.

Ciecze jonowe (ILs, z ang. ionic liquids), jako związki złożone wyłącznie z jonów, topiące się w temperaturze poniżej 100°C, są znane, szeroko patentowane i publikowane. Jednakże ze względu na specyficzne właściwości takie jak: niska lotność, niska korozyjność, niepalność, wysoka zdolność akumulacji ciepła właściwego, wysoka stabilność chemiczna lub termiczna, zdolność rozpuszczania związków organicznych, jak i nieorganicznych o różnych właściwościach fizykochemicznych, antybakteryjnych czy samoczyszczących, nie znalazły przełożenia w rozwoju zrównoważonych domieszek i/lub dodatków w kompozytach cementowych. Również rozpuszczalniki głęboko eutektyczne (DES, z ang. deep eutectic solvent), jako alternatywna klasa mieszanin charakteryzujących się znacznym obniżeniem temperatury topnienia, w porównaniu z poszczególnymi składnikami, a które mogą wykazywać właściwości podobne do właściwości cieczy jonowych, nie znalazły przełożenia w opracowaniu niedrogich, funkcjonalnych domieszek i/lub dodatków w kompozytach cementowych. Obie grupy wyżej przywołanych materiałów choć uważane za rozpuszczalniki „projektowalne” ze względu na możliwość precyzyjnego dostosowania ich właściwości fizykochemicznych poprzez odpowiedni dobór kationu i/lub anionu, nie stanowiły przedmiotu Większych rozważań naukowych i opracowań patentowych w zakresie szeroko rozumianego budownictwa.

Z literatury niepatentowej znane jest zastosowanie cieczy jonowych w kompozytach cementowych jako domieszek hamujących korozję materiału zbrojenia [Sliem M.H., Radwan A.B., Mohamed F.S., Alnuaimi N.A., Abdullah A.M., Sci. Rep., 2020,10,14565; Guo H., Sun W., Zhang Q., Wu Y., Wu D., Liu Y., Yu B., Yu Q., Cai M., J. Mol. Liq., 2021, 334, 116484; Wang J., Liu Ch., Qian B., RSC Adv., 2022,12,1947; Mobin M., Aslam R., Salim R., Kaya S., J. Colloid Interface Sci., 2022, 620, 293-312]. Wskazuje to, że odpowiednie zaprojektowanie związków jonowych o zadanych właściwościach, w tym antybakteryjnych, a następnie ich zastosowanie jako domieszek i/lub dodatków w kompozytach cementowych jest podejściem całkowicie nowatorskim i innowacyjnym.

Dotychczas nie zostało opisane w literaturze wykorzystanie funkcjonalnych związków jonowych o projektowanych i zadanych właściwościach, głównie antybakteryjnych i samoczyszczących, jako funkcjonalnych domieszek w kompozytach cementowych.

Zarówno w literaturze niepatentowej jak i patentowej brak doniesień dotyczących syntezy cieczy jonowych na bazie cynku połączonego z dwoma atomami azotu o strukturze 4-rzędowej przeznaczonych do zastosowania w budownictwie.

Z. Liu, S.Z. El Abedin, F. Endres, Electrochemistry Communications (2015, 58, 46-50) opisuje sposób syntezy cieczy jonowej na drodze bezpośredniej reakcji pomiędzy tlenkiem cynku a trifluorometanosulfonianem 1-metyloimidazolu [Hmim][OTf]. Otrzymany związek został wykorzystany jedynie w procesie elektroosadzania cynku. Synteza cieczy jonowej przebiega w temperaturze 120°C przy 3-krotnym nadmiarze [Hmim][OTf] w stosunku do tlenku cynku.

W literaturze można znaleźć informacje dotyczące innych soli cynkowych, tj. oleinian cynku, palmitynian cynku, stearynian cynku, glukonian cynku, L-aspartam cynku, pikolinian cynku, rycynolan cynku, które są stosowane głównie w przemyśle spożywczym oraz kosmetycznym. Otrzymane sole posiadają wyższe temperatury topnienia niż 100°C, nie posiadają struktury jonowej poprzez co nie są zakwalifikowane jako ciecze jonowe.

Zagadnieniem technicznym wymagającym rozwiązania jest sposób otrzymywania antybakteryjnego kompozytu cementowego z wykorzystaniem cieczy jonowych na bazie cynku.

Stwierdzono nieoczekiwanie podczas prowadzonych prac badawczych, że zastosowanie cieczy jonowych na bazie cynku połączonego z dwoma atomami azotu o st rukturze 4-rzędowej, pozwala na osiągnięcie wysokiej zdolności antybakteryjnej domieszkowanych kompozytów cementowych w porównaniu do klasycznych spoiw cementowych domieszkowanych innymi związkami chemicznymi. Ponadto, zaobserwowano polepszenie właściwości mechanicznych oraz plastycznych otrzymanych kompozytów.

Sposób otrzymywania kompozytów cementowych domieszkowanych cieczami jonowymi według wynalazku polega na tym, że trifluorometanosulfonian 1 -alkiloimidazoliowy w ilości od 20,0 g do 30,0 g, o wzorze ogólnym 1, gdzie podstawnik R¹ oznacza alkany liniowe lub rozgałęzione CnH2n+2, gdzie n =1-12 lub trifluorometanosulfonian trialkiloimidazoliowy w ilości od 30,0 g do 40,0 g, gdzie podstawniki

R1,R², R³ oznaczają alkany liniowe lub rozgałęzione CnH2n+2, gdzie n = 1-12, miesza się z tlenkiem cynku w Ilości od 5% do 20% wagowo, w czasie od 3 h do 4 h, w temperaturze od 90°C do 130°C, powstałą ciecz jonową suszy się na linii Schlenka w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem 0,01 mbar do 1,00 mbar, korzystnie 0,1 mbara, w czasie 12 h do 72 h, korzystnie 24 h, po czym w ilości od 0,125% do 2,5% wagowo, w stosunku do całkowitej masy zaprawy cementowej, miesza się ją z wodą destylowaną w ilości od 135 cm³ do 330 cm³, dodaje się cement w ilości od 450 g do 550 g oraz kruszywo normowe w ilości od 1250 g do 1450 g, całość miesza się, a otrzymaną mieszankę formuje się i poddaje dojrzewaniu w wodzie o temperaturze 20,0 ± 1,0°C.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest możliwość otrzymania antybakteryjnego kompozytu cementowego, dodatkowo o bardzo dobrych właściwościach mechanicznych i plastyc znych oraz jednorodnym rozmieszczeniu domieszki w strukturze kompozytu, co stanowi relatywnie tanie i proekologiczne podejście w otrzymywaniu funkcjonalnych materiałów dla zrównoważonego budownictwa.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w poniższych przykładach wykonania.

Przykład 1

Metoda syntezy cieczy jonowej ZnO/trifluorometanosulfonianu 1-metyloimidazoliowego oraz jej wykorzystanie do otrzymania kompozytu cementowego

Do kolby okrągłodennej o pojemności 50 cm³ wprowadza się 20,0 g trifluorometanosulfonianu 1-metyloimidazoliowego oraz 5% mas. ZnO. Kolbę umieszcza się na mieszadle magnetycznym i miesza się 180 minut w temperaturze 130°C, po czym otrzymaną ciecz jonową suszy się na linii Schlenka w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem 0,1 mbara przez 24 godziny, otrzymując 24,12 g cieczy jonowej. Kolejno przygotowano zaprawę cementową składającą się z 450 g cementu, 1350 g kruszywa normowego, 225 cm³ wody destylowanej oraz 0,56 g domieszki uprzednio wytworzonej cieczy jonowej (co stanowi 0,125% domieszki cieczy jonowej w odniesieniu do całości zaprawy cementowej). W celu jak najlepszego rozprowadzenia cieczy jonowej w zaprawie, została ona uprzednio wymieszana z 75 cm³ wody za pomocą mieszadła magnetycznego pracującego na wysokich obrotach przez 1 minutę. Następnie tak przygotowany roztwór łączono z pozostałymi 150 cm³ wody i mieszano z cementem. Po 30 sekundach mieszania na niskich obrotach kruszywo było równomiernie dodawane za pomocą automatycznego mieszalnika (stopniowo w ciągu 30 sekund). Po tym czasie włączono mikser na wysokie obroty i mieszanie kontynuowano przez kolejne 30 sekund.

Po tym czasie mieszalnik wyłączano na 90 sekund. W ciągu pierwszych 30 sekund gumową skrobaczką zbierano zaprawę, która przywarła do ścian i dna misy (zawartość przenoszono na środek misy). Ostatecznie mieszanie układu kontynuowano przez 60 sekund, utrzymując mieszalnik na wysokich obrotach. Finalnie wytworzona mieszanka została przeniesioną do normowych form i pozostawiona do stwardnienia. Potem próbki przeniesiono do pojemnika wypełnionego wodą o temperaturze 20,0 ± 1,0°C do ostatecznego dojrzewania. Kompozyty cementowe przygotowano zgodnie z obowiązującą normą EN 196-1.

Przykład 2

Do kolby okrągłodennej o pojemności 50 cm³ wprowadza się 30,0 g trifluorometanosulfonianu 1-metyloimidazoliowego oraz 5% mas. ZnO. Kolbę umieszcza się na mieszadle magnetycznym i miesza się 180 minut w temperaturze 130°C, po czym otrzymaną ciecz jonową suszy się na linii Schlenka w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem 0,1 mbara przez 24 godziny, otrzymując 24,12 g cieczy jonowej. Kolejno przygotowano zaprawę cementową składającą się z 500 g cementu, 1250 g kruszywa normowego, 150 cm³ wody destylowanej oraz 12,5 g domieszki uprzednio wytworzonej cieczy jonowej (co stanowi 2,5% domieszki cieczy jonowej w odniesieniu do całości zaprawy cementowej). W celu jak najlepszego rozprowadzenia cieczy jonowej w zaprawie , została ona uprzednio wymieszana z 75 cm³ wody za pomocą mieszadła magnetycznego pracującego na wysokich obrotach przez 1 minutę. Następnie tak przygotowany roztwór łączono z pozostałymi 150 cm³ wody i mieszano z cementem. Po 30 sekundach mieszania na niskich obrotach kruszywo było równomiernie dodawane za pomocą automatycznego mieszalnika (stopniowo w ciągu 30 sekund). Po tym czasie włączono mikser na wysokie obroty i mieszanie kontynuowano przez kolejne 30 sekund. Po tym czasie mieszalnik wyłączano na 90 sekund. W ciągu pierwszych 30 sekund gumową skrobaczką zbierano zaprawę, która przywarła do ścian i dna misy (zawartość przenoszono na środek misy). Ostatecznie mieszanie układu kontynuowano przez 60 sekund, utrzymując mieszalnik na wysokich obrotach. Finalnie wytworzona mieszanka została przeniesiona do normowych form i pozostawiona do stwardnienia. Potem próbki przeniesiono do pojemnika wypełnionego wodą o temperaturze 20,0 ± 1,0°C do ostatecznego dojrzewania. Kompozyty cementowe przygotowano zgodnie z obowiązującą normą EN 196-1.

Przykład 3

Metoda syntezy cieczy jonowej ZnO/trifluorometanosulfonianu tributyloalkilowego oraz jej wykorzystanie do otrzymania kompozytu cementowego

Do kolby okrągłodennej o pojemności 100 cm³ wprowadza się 30,0 g trifluorometanosulfoniami tributyloalkilowego oraz 10% mas. ZnO. Kolbę umieszcza się na mieszadle magnetycznym i miesza się 240 minut w temperaturze 90°C, po czym otrzymaną ciecz jonową suszy się na linii Schlenka w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem 0,01 mbara przez 24 godziny, otrzymując 34,45 g cieczy jonowej. Przygotowano zaprawę cementową składającą się z 550 g cementu, 1400 g kruszywa normowego, 275 cm³ wody destylowanej oraz 8,25 g domieszki uprzednio wytworzonej cieczy jonowej (co stanowi 1,5% domieszki cieczy jonowej w odniesieniu do całości zaprawy cementowej). W celu jak najlepszego rozprowadzenia cieczy jonowej w zaprawie, została ona uprzednio wymieszana z 75 cm³ wody za pomocą mieszadła magnetycznego pracującego na wysokich obrotach przez 1 minutę. Następnie tak przygotowany roztwór łączono z pozostałymi 150 cm3 wody i mieszano z cementem. Po 30 sekundach mieszania na niskich obrotach kruszywo było równomiernie dodawane za pomocą automatycznego mieszalnika (stopniowo w ciągu 30 sekund). Po tym czasie włączono mikser na wysokie obroty i mieszanie kontynuowano przez kolejne 30 sekund. Po tym czasie mieszalnik wyłączano na 90 sekund. W ciągu pierwszych 30 sekund gumową skrobaczką zbierano zaprawę, która przywarła do ścian i dna misy (zawartość przenoszono na środek misy). Ostatecznie mieszanie układu kontynuowano przez 60 sekund, utrzymując mieszalnik na wysokich obrotach. Finalnie wytworzona mieszanka została przeniesiona do normowych form i pozostawiona do stwardnienia. Potem próbki przeniesiono do pojemnika wypełnionego wodą o temperaturze 20,0 ± 1,0°C do ostatecznego dojrzewania. Kompozyty cementowe przygotowano zgodnie z obowiązującą normą EN 196-1.

Przykład 4

Do kolby okrągłodennej o pojemności 100 cm³ wprowadza się 40,0 g trifluorometanosulfonianu tributyloalkilowego oraz 20% mas. ZnO. Kolbę umieszcza się na mieszadle magnetycznym i miesza się 240 minut w temperaturze 110°C, po czym otrzymaną ciecz jonową suszy się na linii Schlenka w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem 1,0 mbara przez 24 godziny, otrzymując 34,45 g cieczy jonowej. Kolejno przygotowano zaprawę cementową składającą się z 450 g cementu, 1350 g kruszywa normowego, 225 cm³wody destylowanej oraz 2,25 g domieszki uprzednio wytworzonej cieczy jonowej (co stanowi 0,5 % domieszki cieczy jonowej w odniesieniu do całości zaprawy cementowej). W celu jak najlepszego rozprowadzenia cieczy jonowej w zaprawie, została ona uprzednio wymieszana z 75 cm³ wody za pomocą mieszadła magnetycznego pracującego na wysokich obrotach przez 1 minutę. Następnie tak przygotowany roztwór łączono z pozostałymi 150 cm³ wody i mieszano z cementem. Po 30 sekundach mieszania na niskich obrotach kruszywo było równomiernie dodawane za pomocą automatycznego mieszalnika (stopniowo w ciągu 30 sekund). Po tym czasie włączono mikser na wysokie obroty i mieszanie kontynuowano przez kolejne 30 sekund. Po tym czasie mieszalnik wyłączano na 90 sekund. W ciągu pierwszych 30 sekund gumową skrobaczką zbierano zaprawę, która przywarła do ścian i dna misy (zawartość przenoszono na środek misy). Ostatecznie mieszanie układu kontynuowano przez 60 sekund, utrzymując mieszalnik na wysokich obrotach. Finalnie wytworzona mieszanka została przeniesiona do normowych form i pozostawiona do stwardnienia. Potem próbki przeniesiono do pojemnika wypełnionego wodą o temperaturze 20,0 ± 1,0°C do ostatecznego dojrzewania. Kompozyty cementowe przygotowano zgodnie z obowiązującą normą EN 196-1.

Claims

1. Sposób otrzymywania kompozytów cementowych domieszkowanych cieczami jonowymi, znamienny tym, że trifluorometanosulfonian 1-alkiloimidazoliowy w ilości od 20,0 g do 30,0 g, o wzorze ogólnym 1, gdzie podstawnik R¹ oznacza alkany liniowe lub rozgałęzione CnH2n+2, gdzie n =1-12 lub trifluorometanosulfonian trialkiloimidazoliowy w ilości od 30,0 g do 40,0 g, gdzie podstawniki R¹, R², R³ oznaczają alkany liniowe lub rozgałęzione CnH2n+2,

PL 248524 Β1 gdzie η = 1-12, miesza się z tlenkiem cynku w ilości od 5% do 20% wagowo, w czasie od 3 h do 4 h, w temperaturze od 90°C do 130°C, powstałą ciecz jonową suszy się na linii Schlenka w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem 0,01 mbar do 1,00 mbar, korzystnie 0,1 mbara, w czasie 12 h do 72 h, korzystnie 24 h, po czym w ilości od 0,125% do 2,5% wagowo, w stosunku do całkowitej masy zaprawy cementowej, miesza się ją z wodą destylowaną w ilości od 135 cm³ do 330 cm³, dodaje się cement w ilości od 450 g do 550 g oraz kruszywo normowe w ilości od 1250 g do 1450 g, całość miesza się, a otrzymaną mieszankę formuje się i poddaje dojrzewaniu w wodzie o temperaturze 20,0 ± 1,0°C.