WO2007096236A2 - Additive baustoffmischungen mit sterisch oder elektrostatisch abstossenden monomeren in der schale der mikropartikel - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to the use of polymeric microparticles in hydraulically setting building material mixtures to improve their Frostg. Freeze-thaw resistance.
  • the concrete has two time-dependent properties. First, it experiences a decrease in volume due to dehydration, which is called shrinkage. However, most of the water is bound as water of crystallization. Concrete does not dry, it binds, that is, the initially low-viscosity cement paste (cement and water) stiffens, solidifies and finally solidifies, depending on the timing and sequence of the chemical-mineralogical reaction of the cement with the water, the hydration. Due to the water-binding capacity of the cement, the concrete, in contrast to calcined lime, can also harden under water and remain firm. Secondly, concrete deforms under load, the so-called creep.
  • the frost-thaw cycle refers to the climatic change of temperatures around the freezing point of water.
  • the frost-thaw cycle is a damaging mechanism. These materials have a porous, capillary structure and are not waterproof. Will one, soaked in water Structure exposed to temperatures below 0 C, so the water freezes in the pores. Due to the density anomaly of the water, the ice now expands. This leads to damage to the building material. In the very fine pores due to surface effects, the freezing point is lowered. In micro pores, water only freezes below -M 0 C. Since the material itself also expands and contracts due to freeze-thaw cycles, there is an additional capillary pumping effect that further increases water absorption and thus indirectly the damage. The number of freeze-thaw cycles is therefore decisive for the damage.
  • the structure of a cement-bound concrete is traversed by capillary pores (radius: 2 ⁇ m - 2 mm) or gel pores (radius: 2 - 50 nm). Pore water contained therein differs in its state form depending on the pore diameter.
  • a prerequisite for an improved resistance of the concrete during frost and thaw changes is that the distance of each point in the cement stone from the next artificial air pore does not exceed a certain value. This distance is also referred to as the "distance factor” or “powers spacing factor” [TCPowers, The air requirement of frost-resistant concrete, "Proceedings of the Highway Research Board” 29 (1949) 184-202]. Laboratory tests have shown that exceeding the critical "Power spacing factor" of 500 ⁇ m contributes to damage to the concrete Frost and thaw cycles. Therefore, in order to achieve this with limited air pore content, the diameter of the artificially introduced air pores must be smaller than 200-300 ⁇ m [K.Snyder, K. Natesaiyer & K.Hover, The Static and Statistical Properties of Entrained Air voids in Concrete: A mathematical basis for air void system characterization) "Materials Science of Concrete” VI (2001) 129-214].
  • an artificial air pore system depends largely on the composition and grain size of the aggregates, the type and amount of cement, the concrete consistency, the mixer used, the mixing time, the temperature, but also on the type and amount of the air entraining agent. Under consideration of the appropriate manufacturing rules, their effects can indeed be mastered, however, there may be a large number of undesired impairments, which ultimately leads to the desired air content in the concrete can be exceeded or fallen below and thus adversely affected the strength or frost resistance of the concrete ,
  • Such artificial air pores can not be metered directly, but by the addition of so-called air-entraining agents, the air introduced by mixing is stabilized [L. Du & K.J. Folliard, Mechanism of air entrainment in concrete "Cement & Concrete Research” 35 (2005) 1463-71].
  • Conventional air entraining agents are mostly of a surfactant-like structure and break the air introduced by the mixing into small air bubbles with a diameter as small as possible of 300 ⁇ m and stabilize them in the moist concrete structure. One distinguishes between two types.
  • the other type e.g. Sodium lauryl sulfate (SDS) or Natriumdodecylphenylsulfonat - on the other hand forms with calcium hydroxide soluble calcium salts, but show an abnormal solution behavior. Below a certain critical temperature these surfactants show a very low solubility, above this temperature they are very soluble. By preferentially accumulating at the air-water interface, they also reduce the surface tension, thus stabilizing the microbubbles, and are preferably found on the surfaces of these air voids in the hardened concrete.
  • SDS Sodium lauryl sulfate
  • Natriumdodecylphenylsulfonat forms with calcium hydroxide soluble calcium salts, but show an abnormal solution behavior. Below a certain critical temperature these surfactants show a very low solubility, above this temperature they are very soluble.
  • the content of fine substances in the concrete also impairs air entrainment. Also, interactions with defoaming agents can occur, which thus expel air voids, but also can introduce uncontrolled.
  • microparticles to improve the frost and freeze-thaw resistance of concrete are already known according to the prior art [cf. DE 2229094 A1, US Pat. No. 4,057,526 B1, US Pat. No. 4,082,562 B1, DE 3026719 A1].
  • Have the microparticles described therein Diameter of at least 10 microns (usually much larger) and have air or gas-filled cavities. This also includes porous particles which may be greater than 100 microns and may have a plurality of smaller voids and / or pores.
  • the present invention was therefore based on the object to provide a means for improving the frost or freeze-thaw resistance for hydraulically setting building material mixtures, which unfolds its full effectiveness even at relatively low dosages. Another object was to not or not significantly affect the mechanical strength of the building material by this means.
  • the object was achieved by the use of polymeric microparticles having a cavity in hydraulically setting building material mixtures, characterized in that monomers which contribute to the electrostatic and / or steric repulsion or stabilization of the particles are used in the shell of the microparticles.
  • a reduced amount of emulsifier in turn leads to a lower air intake in the building material mixtures; and thus to a lesser Impairment of the mechanical strength of the cured building material mixture.
  • Radically polymerizable monomers having a molecular weight greater than 200 g / mol and carrying a hydrophilic radical are preferably used.
  • Particularly preferred are monomers which carry a polyethylene oxide block having two or more units of ethylene oxide.
  • the notation (meth) acrylate here means both methacrylate, such as methyl methacrylate, ethyl methacrylate, etc., as well as acrylate, such as methyl acrylate, ethyl acrylate, etc., as well as mixtures of both.
  • the microparticles according to the invention can preferably be prepared by emulsion polymerization and preferably have an average particle size of 100 to 5000 nm; particularly preferred is an average particle size of 200 to 2000 nm. Most preferred are average particle sizes of 250 to 1000 nm.
  • the mean particle size is determined, for example, by counting a statistically significant amount of particles on the basis of transmission electron micrographs.
  • the microparticles When prepared by emulsion polymerization, the microparticles are obtained in the form of an aqueous dispersion. Accordingly, the addition of the microparticles to the building material mixture preferably also takes place in this form.
  • microparticles are already known according to the prior art and are described in the publications EP 22 633 B1, EP 73 529 B1 and EP 188 325 B1.
  • these microparticles are commercially sold under the brand name ROPAQUE® by Rohm & Haas. These products have heretofore been mainly used in inks and inks to improve the opacity and opacity of paints or prints on paper, board and other materials.
  • the cavities of the microparticles are water-filled. Without limiting the invention to the effect, it is assumed that the water, the particles during curing of the Building material mixture - at least partially - loses, according to which gas or air-filled hollow spheres are present.
  • This process takes place e.g. also in the use of such microparticles in paints instead.
  • the microparticles used consist of polymer particles which have a core (A) and at least one shell (B), the core / shell polymer particles having been swollen with the aid of a base.
  • the core (A) of the particle contains one or more ethylenically unsaturated carboxylic acid (derivative) monomers which allow swelling of the core; these monomers are preferably selected from the group of acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid, maleic anhydride, fumaric acid, itaconic acid and crotonic acid and mixtures thereof. Acrylic acid and methacrylic acid are particularly preferred.
  • the shell (B) predominantly of nonionic, ethylenically unsaturated monomers.
  • Preferred such monomers are styrene, butadiene, vinyltoluene, ethylene, vinyl acetate, vinyl chloride, vinylidene chloride, acrylonitrile, acrylamide, methacrylamide, C1-C12-alkyl esters of (meth) acrylic acid or mixtures thereof.
  • the polymer shell (B) 0.5-30 wt% monomers are added according to the invention, causing an electrostatic or steric repulsion of the microparticles. Particularly preferred is the addition of 0.8-18% by weight of these monomers; even more preferred is the addition of 1-10% by weight.
  • core-shell particles which are mono- or multi-shelled, or whose shells have a gradient.
  • the polymer content of the microparticles used may vary depending on e.g. from the diameter, the core / shell ratio and the efficiency of swelling - are 2 to 98 wt .-%.
  • the water-filled, polymeric microparticles are used according to the invention preferably in the form of an aqueous dispersion
  • the microparticles are coagulated, for example by methods known to the person skilled in the art, and isolated from the aqueous dispersion by customary methods (for example filtration, centrifuging, sedimentation and decanting).
  • the material obtained can be washed to bring about a further lowering of the surfactant content and is then dried.
  • the water-filled microparticles are added to the building material mixture in a preferred amount of 0.01 to 5% by volume, in particular 0.1 to 0.5% by volume.
  • the building material mixture - for example in the form of concrete or mortar - can here the usual hydraulically setting binder such. As cement, lime, gypsum or anhydrite.
  • the air introduced into the building material mixture can be kept extremely low.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von polymeren Mikropartikeln, deren Schalen zusätzliche Monomere zur elektrostatischen oder/und sterischen Abstoßungen der Mikropartikel enthalten, in hydraulisch abbindenden Baustoffgemischen zur Verbesserung deren Frost- bzw. Frost- Tauwechsel-Beständigkeit.

Description

Additive Baustoffmischungen mit sterisch oder elektrostatisch abstoßenden Monomeren in der Schale der Mikropartikel
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von polymeren Mikropartikeln in hydraulisch abbindenden Baustoffgemischen zur Verbesserung deren Frostbzw. Frost-Tauwechsel-Beständigkeit.
Beton als wichtiger Baustoff ist nach DIN 1045 (07/1988) definiert als künstlicher Stein, der aus einem Gemisch von Zement, Betonzuschlag und Wasser, gegebenenfalls auch mit Betonzusatzmitteln und Betonzusatzstoffen, durch Erhärten entsteht. Beton ist u.a. eingeteilt in Festigkeitsgruppen (BI-BII) und Festigkeitsklassen (B5-B55). Beim Zumischen von gas- oder schaumbildenden Stoffen entsteht Porenbeton bzw. Schaumbeton (Römpp Lexikon, 10.Aufl., 1996, Georg Thieme Verlag).
Der Beton hat zwei zeitabhängige Eigenschaften. Erstens erfährt er durch die Austrocknung eine Volumenabnahme, die als Schwinden bezeichnet wird. Der größte Teil des Wassers wird jedoch als Kristallwasser gebunden. Beton trocknet nicht, er bindet ab, d.h., der zunächst dünnflüssige Zementleim (Zement und Wasser) steift an, erstarrt und wird schließlich fest, je nach Zeitpunkt und Ablauf der chemisch-mineralogischen Reaktion des Zements mit dem Wasser, der Hydratation. Durch das Wasserbindevermögen des Zements kann der Beton, im Gegensatz zum gebrannten Kalk, auch unter Wasser erhärten und fest bleiben. Zweitens verformt sich Beton unter Last, das sogenannte Kriechen.
Der Frost-Tau-Wechsel bezeichnet den klimatischen Wechsel von Temperaturen um den Gefrierpunkt von Wasser. Insbesondere bei mineralisch gebundenen Baustoffen wie Beton ist der Frost-Tau-Wechsel ein Schädigungsmechanismus. Diese Werkstoffe besitzen eine poröse, kapillare Struktur und sind nicht wasserdicht. Wird eine solche, mit Wasser getränkte Struktur Temperaturen unter O0C ausgesetzt, so gefriert das Wasser in den Poren. Durch die Dichteanomalie des Wassers dehnt sich das Eis nun aus. Dadurch kommt es zu einer Schädigung des Baustoffs. In den sehr feinen Poren kommt es aufgrund von Oberflächeneffekten zu einer Erniedrigung des Gefrierpunktes. In Mikroporen gefriert Wasser erst unter -M0C. Da sich durch Frost-Tau-Wechsel auch der Werkstoff selbst ausdehnt und zusammenzieht, kommt es zusätzlich zu einem kapillaren Pumpeffekt, der die Wasseraufnahme, und damit indirekt die Schädigung weiter steigert. Für die Schädigung ist somit die Anzahl der Frost-Tau-Wechsel entscheidend.
Für den Widerstand des Betons gegen Frost und Frost-Tauwechsel bei gleichzeitiger Einwirkung von Taumitteln sind die Dichtigkeit seines Gefüges, eine bestimmte Festigkeit der Matrix und das Vorhandensein eines bestimmten Porengefüges maßgebend. Das Gefüge eines zementgebundenen Betons wird von Kapillarporen (Radius: 2 μm - 2mm) bzw. Gelporen (Radius: 2 - 50 nm) durchzogen. Darin enthaltenes Porenwasser unterscheidet sich in seiner Zustandsform in Abhängigkeit vom Porendurchmesser. Während Wasser in den Kapillarporen seine gewöhnlichen Eigenschaften beibehält, klassifiziert man in den Gelporen nach kondensiertem Wasser (Mesoporen: 50 nm) und adsorptiv gebundenem Oberflächenwasser (Mikroporen: 2 nm), deren Gefrierpunkte beispielsweise weit unter -500C liegen kann [M.J.Setzer, Interaction of water with hardened cement paste, "Ceramic Transactions" 16 (1991 ) 415-39]. Das hat zur Folge, dass selbst bei tiefen Abkühlungen des Betons ein Teil des Porenwassers ungefroren bleibt (metastabiles Wasser). Bei gleicher Temperatur ist aber der Dampfdruck über Eis geringer als der über Wasser. Da Eis und metastabiles Wasser gleichzeitig nebeneinander vorliegen, entsteht ein Dampfdruckgefälle, das zu einer Diffusion des noch flüssigen Wassers zum Eis und zu dessen Eisbildung führt, wodurch eine Entwässerung der kleineren bzw. eine Eisansammlung in den größeren Poren stattfindet. Diese Wasserumverteilung infolge Abkühlung findet in jedem porigen System statt und ist maßgeblich von der Art der Porenverteilung abhängig.
Die künstliche Einführung von mikrofeinen Luftporen im Beton erzeugt also in erster Linie sogenannte Entspannungsräume für expandierendes Eis und Eiswasser. In diesen Poren kann gefrierendes Porenwasser expandieren bzw. internen Druck und Spannungen von Eis und Eiswasser auffangen, ohne dass es zu Mikrorissbildungen und damit zu Frostschäden am Beton kommt. Die prinzipielle Wirkungsweise solcher Luftporensysteme ist im Zusammenhang mit dem Mechanismus der Frostschädigung von Beton in einer Vielzahl von Übersichten beschrieben worden [Schulson, Erland M. (1998) Ice damage to concrete. CRREL Special Report 98-6; S.Chatterji, Freezing of air-entrained cement-based materials and specific actions of air-entraining agents, "Cement & Concrete Composites" 25 (2003) 759-65; G.W.Scherer, J.Chen & J.Valenza, Methods for protecting concrete from freeze damage, US-Patent 6,485,560 B1 (2002); M.Pigeon, B.Zuber & J. Marchand, Freeze/thaw resistance, "Advanced Concrete Technology" 2 (2003) 11/1-11/17; B. Erlin & B. Mather, A new process by which cyclic freezing can damage concrete - the Erlin/Mather effect, "Cement & Concrete Research" 35 (2005) 1407-11].
Voraussetzung für eine verbesserte Beständigkeit des Betons bei Frost- und Tauwechsel ist, dass der Abstand jedes Punktes im Zementstein von der nächsten künstlichen Luftpore einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Dieser Abstand wird auch als Abstandsfaktor oder "Powers spacing factor" bezeichnet [T.C.Powers, The air requirement of frost-resistant concrete, "Proceedings of the Highway Research Board" 29 (1949) 184-202]. Laborprüfungen haben dabei gezeigt, dass ein Überschreiten des kritischen "Power spacing factor" von 500 μm zu einer Schädigung des Betons bei Frostund Tauwechsel führt. Um dies bei beschränktem Luftporengehalt zu erreichen, muss der Durchmesser der künstlich eingeführten Luftporen daher kleiner 200 - 300 μm sein [K.Snyder, K.Natesaiyer & K.Hover, The stereological and Statistical properties of entrained air voids in concrete: A mathematical basis for air void Systems characterization) "Materials Science of Concrete" VI (2001 ) 129-214].
Die Bildung eines künstlichen Luftporensystems hängt maßgeblich von der Zusammensetzung und der Kornformität der Zuschläge, der Art und Menge des Zements, der Betonkonsistenz, dem verwendeten Mischer, der Mischzeit, der Temperatur, aber auch von der Art und Menge des Luftporenbildners ab. Unter Berücksichtigung entsprechender Herstellungsregeln lassen sich deren Einflüsse zwar beherrschen, jedoch kann es zu einer Vielzahl von ungewünschten Beeinträchtigungen kommen, was letztendlich dazu führt, dass der gewünschte Luftgehalt im Beton über- oder unterschritten werden kann und somit die Festigkeit oder den Frostwiderstand des Betons negativ beeinflusst.
Solche künstlichen Luftporen lassen sich nicht direkt dosieren, sondern durch die Zugabe von sogenannten Luftporenbildnern wird die durch das Mischen eingetragene Luft stabilisiert [L. Du & K.J.Folliard, Mechanism of air entrainment in concrete "Cement & Concrete Research" 35 (2005) 1463-71]. Herkömmliche Luftporenbildner sind zumeist tensidartiger Struktur und brechen die durch das Mischen eingeführte Luft zu kleinen Luftbläschen mit einem Durchmesser möglichst kleiner 300 μm und stabilisieren diese im feuchten Betongefüge. Man unterscheidet dabei zwischen zwei Typen.
Der eine Typ - z.B. Natriumoleat, das Natriumsalz der Abietinsäure oder Vinsolharz, einem Extrakt aus Kiefernwurzeln - reagiert mit dem Calciumhydroxid der Porenlösung im Zementleim und fällt als unlösliches Calciumsalz aus. Diese hydrophoben Salze reduzieren die Oberflächenspannung des Wassers und sammeln sich an der Grenzfläche zwischen Zementkorn, Luft und Wasser. Sie stabilisieren die Mikrobläschen und finden sich daher im aushärtenden Beton an den Oberflächen dieser Luftporen wieder.
Der andere Typ - z.B. Natrium-Iaurylsulfat (SDS) oder Natriumdodecylphenylsulfonat - bildet dagegen mit Calciumhydroxid lösliche Calciumsalze, die aber ein anormales Lösungsverhalten zeigen. Unter einer gewissen kritischen Temperatur zeigen diese Tenside eine sehr geringe Löslichkeit, oberhalb dieser Temperatur sind sie sehr gut löslich. Durch eine bevorzugtes Ansammeln an der Luft-Wasser-Grenzschicht verringern sie ebenfalls die Oberflächenspannung, stabilisieren somit die Mikrobläschen und sind bevorzugt an der Oberflächen dieser Luftporen im ausgehärteten Beton wiederzufinden.
Bei der Verwendung dieser Luftporenbildner nach dem Stand der Technik treten eine Vielzahl von Probleme auf [L. Du & K.J.Folliard, Mechanism of air entrainment in concrete "Cement & Concrete Research" 35 (2005) 1463-71. Beispielsweise können längere Mischzeiten, unterschiedliche Mischerdrehzahlen, veränderte Dosierabläufe bei den Transportbetonen dazu führen, dass die stabilisierte Luft (in den Luftporen) wieder ausgetrieben wird.
Die Beförderung von Betonen mit verlängerten Transportzeiten, schlechter Temperierung und unterschiedlichen Pump- und Fördereinrichtungen, sowie das Einbringen dieser Betone einhergehend mit veränderter Nachbearbeitung, Ruckelverhalten und Temperaturbedingungen kann einen zuvor eingestellten Luftporengehalt signifikant verändern. Das kann im schlimmsten Fall bedeuten, dass ein Beton die erforderlichen Grenzwerte einer bestimmten Expositionsklasse nicht mehr erfüllt und somit unbrauchbar geworden ist [EN 206-1 (2000), Concrete - Part 1 : Secification, Performance, production and conformity].
Der Gehalt an feinen Stoffen im Beton (z.B. Zement mit unterschiedlichem Alkaligehalt, Zusatzstoffe wie Flugasche, Silikastaub, oder Farbzusätze) beeinträchtigt die Luftporenbildung ebenfalls. Auch können Wechselwirkungen mit entschäumend wirkenden Fließmitteln auftreten, die somit Luftporen austreiben, aber auch zusätzlich unkontrolliert einführen können.
Als Nachteil des Einbringens von Luftporen ist außerdem zu sehen, daß die mechanische Festigkeit des Betons mit steigendem Luftgehalt abnimmt.
All diese die Herstellung von frostbeständigen Beton erschwerenden Einflüsse lassen sich vermeiden, wenn das erforderliche Luftporensystem nicht durch o.g. Luftporenbildner mit tensidartiger Struktur erzeugt wird, sondern der Luftgehalt durch das Zumischen bzw. feste Dosieren von polymeren Mikropartikeln (Mikrohohlkugeln) herrührt [H.Sommer, A new method of making concrete resistant to frost and de-icing salts, "Betonwerk & Fertigteiltechnik" 9 (1978) 476-84]. Da die Mikropartikel zumeist Partikelgrößen kleiner 100 μm aufweisen, lassen sie sich im Betongefüge auch feiner und gleichmäßiger als künstlich eingeführte Luftporen verteilen. Dadurch reichen bereits geringe Mengen für einen ausreichenden Widerstand des Betons gegen Frost- und Tauwechsel aus.
Die Verwendung von solchen polymeren Mikropartikeln zur Verbesserung der Frost- und Frost-Tauwechsel-Beständigkeit von Beton ist entsprechend dem Stand der Technik bereits bekannt [vgl. DE 2229094 A1 , US 4,057,526 B1 , US 4,082,562 B1 , DE 3026719 A1]. Die darin beschriebenen Mikropartikel haben Durchmesser von mindestens 10 μm (üblicherweise deutlich größer) und besitzen luft- bzw. gasgefüllte Hohlräume. Das schließt ebenfalls poröse Partikel ein, die größer 100 μm sein können und eine Vielzahl an kleineren Hohlräumen und/oder Poren besitzen können.
Bei der Verwendung von hohlen Mikropartikeln zur künstlichen Luftporenbildung im Beton erwiesen sich zwei Faktoren nachteilig für die Durchsetzung dieser Technologie auf dem Markt aus. Zum einen sind die Herstellungskosten von Mikrohohlkugeln nach dem Stand der Technik zu hoch, und zum anderen ist nur mit relativ hohen Dosierungen eine zufrieden stellende Resistenz des Betons gegenüber Frost- und Tauwechseln zu erzielen. Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zu Grunde, ein Mittel zur Verbesserung der Frost- bzw. Frost-Tauwechsel-Beständigkeit für hydraulisch abbindende Baustoffmischungen bereitzustellen, welche auch bei relativ geringen Dosierungen seine volle Wirksamkeit entfaltet. Eine weitere Aufgabe bestand darin, die mechanische Festigkeit der Baustoffmischung durch dieses Mittel nicht oder nicht wesentlich zu beeinträchtigen.
Die Aufgabe wurde gelöst durch die Verwendung von polymeren, einen Hohlraum aufweisenden Mikropartikeln in hydraulisch abbindenden Baustoffmischungen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schale der Mikropartikel Monomere verwendet werden, die zur elektrostatischen oder/und sterischen Abstoßung bzw. Stabilisierung der Partikel beitragen.
Überraschend wurde gefunden, dass die Emulgatormenge, die zu Herstellung, Transport und Lagerung der Mikropartikel nötig ist durch die Verwendung von Comonomeren, die eine elektrostatische und/oder sterische Abstoßung bewirken, stark reduziert werden kann.
Ein verringerte Emulgatormenge führt wiederum zu einem geringeren Lufteintrag in die Baustoffmischungen; und damit zu einer geringeren Beeinträchtigung der mechanischen Festigkeit der ausgehärteten Baustoffmischung.
Es wurde gefunden, dass zur elektrostatischen Abstoßung der Mikropartikel vorteilhafterweise radikalisch polymerisierbare Monomere in die Schale, gegebenenfalls in die äußere Schale, einpolymerisiert werden, die mindestens eine Säuregruppe tragen. Vorzugsweise werden ethylenisch ungesättigte Carbonsäuren, deren Derivate oder Mischungen daraus verwendet. Besonders bevorzugt sind Monomere ausgewählt aus der Gruppe Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure, Itaconsäure und Crotonsäure und deren Mischungen.
Desweiteren wurde gefunden, dass durch entsprechende Monomere in der Schale - gegebenenfalls der äußeren Schale - auch die sterische Abstoßung der Mikropartikel realisiert werden kann. Bevorzugt werden radikalisch polymerisierbare Monomere mit einer Molmasse größer als 200 g/mol, die einen hydrophilen Rest tragen, verwendet. Besonders bevorzugt sind Monomere die einen Polyethylenoxidblock mit zwei oder mehr Einheiten Ethylenoxid tragen.
Bevorzugt werden Monomere aus der Gruppe der (Meth)acrylsäureester von Methoxypolyethylenglycol CH3O(CH2CH2O)nH, (mit n > 2), (Meth)acrylsäureester eines ethoxylierten C16-C18-Fettalkoholgemisches (mit 2 oder mehr Ethylenoxideinheiten), Methacrylsaeureester von 5-tert-Octyl- phenoxypolyethoxyethanol (mit 2 oder mehr Ethylenoxideinheiten), Nonyl- phenoxypolyethoxyethanol (mit 2 oder mehr Ethylenoxideinheiten) oder Mischungen daraus verwendet.
Die Schreibweise (Meth)acrylat bedeutet hier sowohl Methacrylat, wie z.B. Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat usw., als auch Acrylat, wie z.B. Methylacrylat, Ethylacrylat usw., sowie Mischungen aus beiden. Die erfindungsgemäßen Mikropartikel können vorzugsweise durch Emulsionspolymerisation hergestellt werden und weisen vorzugsweise eine mittlere Teilchengröße von 100 bis 5000 nm auf; besonders bevorzugt ist eine mittlere Teilchengröße von 200 bis 2000 nm. Am meisten bevorzugt sind mittlere Teilchengrößen von 250 bis 1000 nm.
Die Bestimmung der mittleren Teilchengröße erfolgt zum Beispiel durch Auszählung einer statistisch signifikanten Menge an Partikeln anhand von transmissionselektronenmikroskopischen Aufnahmen.
Bei der Herstellung durch Emulsionspolymerisation werden die Mikropartikel in Form einer wäßrigen Dispersion erhalten. Entsprechend erfolgt der Zusatz der Mikropartikel zur Baustoffmischung vorzugsweise ebenfalls in dieser Form.
Derartige Mikropartikel sind entsprechend dem Stand der Technik bereits bekannt und in den Druckschriften EP 22 633 B1 , EP 73 529 B1 sowie EP 188 325 B1 beschrieben. Außerdem werden diese Mikropartikel unter dem Markennamen ROPAQUE® von der Fa. Rohm & Haas kommerziell vertrieben. Diese Produkte fanden bislang hauptsächlich ihre Verwendung in Tinten und Farben zur Verbesserung der Deckfähigkeit und Lichtundurchlässigkeit (Opazität) von Anstrichen oder Drucken auf Papier, Pappen und anderen Materialien.
Bei der Herstellung und in der Dispersion sind die Hohlräume der Mikropartikel wassergefüllt. Ohne die Erfindung dahingehend einzuschränken wird davon ausgegangen, daß das Wasser die Partikel beim Erhärten der Baustoffmischung - zumindest teilweise - verliert, wonach entsprechend gas- bzw. luftgefüllte Hohlkugeln vorliegen.
Dieser Vorgang findet z.B. auch bei der Verwendung solcher Mikropartikel in Anstrichfarben statt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die eingesetzten Mikropartikel aus Polymerteilchen, die einen Kern (A) und mindestens eine Schale (B) besitzen, wobei die Kern/Schale-Polymerteilchen mit Hilfe einer Base gequollen wurden.
Der Kern (A) des Partikels enthält eine oder mehrere ethylenisch ungesättigte Carbonsäure-(Derivat-)Monomere die eine Quellung des Kerns ermöglichen; diese Monomere sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure, Itaconsäure und Crotonsäure und deren Mischungen. Acrylsäure und Methacrlysäure sind besonders bevorzugt.
Die Schale (B) überwiegend aus nicht-ionischen, ethylenisch ungesättigten Monomeren. Als solche Monomere werden bevorzugt Styrol, Butadien, Vinyltoluol, Ethylen, Vinylacetat, Vinylchlorid, Vinylidenchlorid, Acrylnitril, Acrylamid, Methacrylamid, C1-C12-Alkylester der (Meth)acrylsäure oder Mischungen daraus eingesetzt.
Der Polymerhülle (B) werden erfindungsgemäß 0,5-30 Gew% Monomere zugegeben, die eine elektrostatische oder sterische Abstoßung der Mikropartikel verursachen. Besonders bevorzugt ist die Zugabe von 0,8- 18 Gew% dieser Monomere; noch bevorzugter ist die Zugabe von 1-10 Gew%.
Die Herstellung dieser polymeren Mikropartikel durch Emulsionspolymerisation sowie deren Quellung mit Hilfe von Basen wie z. B. Alkali- oder Alkalihydroxide sowie Ammoniak oder einem Amin werden ebenfalls in den europäischen Patentschriften EP 22 633 B1 , EP 735 29 B1 sowie EP 188 325 B1 beschrieben.
Es können Kern-Schale Teilchen dargestellt werden, die ein- oder mehrschalig aufgebaut sind, oder deren Schalen einen Gradienten aufweisen.
Der Polymergehalt der eingesetzten Mikropartikel kann - abhängig z.B. vom Durchmesser, dem Kern/Schale-Verhältnis und der Effizienz der Quellung - bei 2 bis 98 Gew.-% liegen.
Während die wassergefüllten, polymeren Mikropartikel erfindungsgemäß bevorzugt in Form einer wässrigen Dispersion eingesetzt werden, ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung ohne weiteres möglich, die wassergefüllten Mikropartikel direkt als Feststoff der Baustoffmischung zuzugeben. Dazu werden die Mikropartikel zum Beispiel - nach dem Fachmann bekannten Methoden - koaguliert und durch übliche Methoden (z. B. Filtration, Zentrifugieren, Sedimentieren und Dekantieren) aus der wässrigen Dispersion isoliert. Das erhaltene Material kann gewaschen werden, um zu einer weiteren Erniedrigung des Tensidgehaltes zu kommen und wird anschließend getrocknet.
Die wassergefüllten Mikropartikel werden der Baustoffmischung in einer bevorzugten Menge von 0,01 bis 5 Vol%, insbesondere 0,1 bis 0,5 Vol%, zugegeben. Die Baustoffmischung - zum Beispiel in Form von Beton oder Mörtel - kann hierbei die üblichen hydraulisch abbindenden Bindemittel wie z. B. Zement, Kalk, Gips oder Anhydrit enthalten. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Mikropartikel kann der Lufteintrag in die Baustoffmischung außerordentlich niedrig gehalten werden.
An Beton wurden z.B. Verbesserungen der Druckfestigkeiten von über 35 % festgestellt, verglichen mit Beton, der mit herkömmlicher Luftporenbildung erhalten wurde.
Höhere Druckfestigkeiten sind auch und vor allem in sofern von Interesse, als der für die Festigkeitsentwicklung erforderliche Gehalt an Zement im Beton verringert werden kann, wodurch der Preis pro m3 Beton signifikant gesenkt werden kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verwendung von polymeren, einen Hohlraum aufweisenden Mikropartikeln in hydraulisch abbindenden Baustoffmischungen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schale der Mikropartikel Monomere verwendet werden, die zur elektrostatischen oder/und sterischen Abstoßung der Mikropartikel beitragen.
2. Verwendung von polymeren, einen Hohlraum aufweisenden Mikropartikeln nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zur Abstoßung der Partikel beitragenden Monomere in der Schale radikalisch polymerisierbare Verbindungen sind, die mindestens eine Säuregruppe tragen.
3. Verwendung von polymeren, einen Hohlraum aufweisenden Mikropartikeln nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Abstoßung der Partikel beitragenden Monomere in der Schale ethylenisch ungesättigte Carbonsäuren, deren Derivate oder Mischungen daraus sind.
4. Verwendung von polymeren, einen Hohlraum aufweisenden Mikropartikeln nach Ansruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Abstoßung der Partikel beitragenden Monomere in der Schale ausgewählt sind aus der Gruppe Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure, Itaconsäure und Crotonsäure und deren Mischungen.
5. Verwendung von polymeren, einen Hohlraum aufweisenden Mikropartikel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass radikalisch polymerisierbare Monomere, die einen hydrophilen Rest mit einer Molmasse größer als 200 g/mol tragen, verwendet werden.
6. Verwendung von polymeren, einen Hohlraum aufweisenden Mikropartikel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass radikalisch polymerisierbare Monomere ausgewählt aus der Gruppe (Meth)acrylsäureester von Methoxypolyethylenglycol CH3O(CH2CH2O)nH, (mit n > 2), (Meth)acrylsäureester eines ethoxylierten C16-C18-Fettalkoholgemisches (mit 2 oder mehr Ethylenoxideinheiten), Methacrylsaeureester von 5-tert-Octyl- phenoxypolyethoxyethanol (mit 2 oder mehr Ethylenoxideinheiten), Nonyl- phenoxypolyethoxyethanol (mit 2 oder mehr Ethylenoxideinheiten) oder Mischungen davon verwendet werden.
7. Verwendung von polymeren, einen Hohlraum aufweisenden Mikropartikel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mikropartikel aus Polymerteilchen bestehen, die einen mit Hilfe einer wässrigen Base gequollenen Polymerkern (A) auf Basis eines ungesättigten Carbonsäure- (Derivat-)Monomers sowie eine Polymerhülle (B) auf Basis eines nichtionischen, ethylenisch ungesättigten Monomers enthalten.
8. Verwendung von polymeren, einen Hohlraum aufweisenden Mikropartikeln nach einem der Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Abstoßung der Partikel beitragenden Monomere 0,5-30 Gew% das Schalenpolymer bildende Monomere ausmachen.
9. Verwendung von polymeren, einen Hohlraum aufweisenden Mikropartikeln nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Abstoßung der Partikel beitragenden Monomere 0,8-20 Gew% der das Schalenpolymer bildenden Monomere ausmachen.
10. Verwendung von polymeren, einen Hohlraum aufweisenden Mikropartikeln nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Abstoßung der Partikel beitragenden Monomere 1-10 % der das Schalenpolymer bildenden Monomere ausmachen.
11. Verwendung von polymeren, einen Hohlraum aufweisenden Mikropartikel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mikropartikel einen Polymergehalt von 2 bis 98 Gew.-% aufweisen.
12. Verwendung von polymeren, einen Hohlraum aufweisenden Mikropartikel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mikropartikel eine mittlere Teilchengröße von 100 bis 5000 nm aufweisen.
13. Verwendung von polymeren, einen Hohlraum aufweisenden Mikropartikel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikropartikel eine mittlere Teilchengröße von 200 bis 2000 nm aufweisen.
14. Verwendung von polymeren, einen Hohlraum aufweisenden Mikropartikel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikropartikel eine mittlere Teilchengröße von 250 bis 1000 nm aufweisen.
15. Verwendung von polymeren, einen Hohlraum aufweisenden Mikropartikel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mikropartikel in einer Menge von 0.01 bis 5 Vol.-%, bezogen auf die Baustoffmischung eingesetzt werden.
16. Verwendung von polymeren, einen Hohlraum aufweisenden Mikropartikel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikropartikel in einer Menge von 0.1 bis 0.5 Vol.-%, bezogen auf die Baustoffmischung, eingesetzt werden.
17. Verwendung von polymeren, einen Hohlraum aufweisenden Mikropartikel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Baustoffmischungen aus einem Bindemittel, ausgewählt aus der Gruppe Zement, Kalk, Gips und Anhydrit, bestehen.
18. Verwendung von polymeren, einen Hohlraum aufweisenden Mikropartikel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Baustoffmischungen um Beton oder Mörtel handelt.
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