Epoxidové disperze ve stavebnictví - Ústav stavebního zkušebnictví

Vysoké učení technické v Brně
Fakulta stavební
Ústav stavebního zkušebnictví
EPOXIDOVÉ DISPERZE VE
STAVEBNICTVÍ
MODERNÍ STAVEBNÍ MATERIÁLY
CI57
doc. Ing. Michal Stehlík, Ph.D.
2013
Úvod do problematiky výroby a vlastností polymerních disperzí I.
 Polymerní disperze:
vodou ředitelné nátěrové hmoty
 Rozvoj výrobních technologií: 1970-2000
 Důvody uvedení na trh:
1. Snížení obsahu rozpouštědel v systému,
nejnověji nařízení Evropské komise č.1999/13/EC a přílohy
2004/442/EC limituje množství VOC v prvním kroku do 2007,
koncově VOC = 0 do 2010
2. Nízká hořlavost systému, ekonomické důvody,
jednoduchá údržba zařízení, hygiena práce
Výroba disperzí : emulzní polymerace, dispergace polymerů
Úvod do problematiky výroby a vlastností polymerních disperzí II.
Složení moderní epoxidové disperze E1-M:
tavenina pryskyřice E1
reaktivní rozpouštědlo
destilovaná voda
látka pro tvorbu mikrogelu
odpěňovač
Proces dispergace:
Předmíchání pryskyřice –
dissolver, ozubený disk,
teplota 120-130 °C
Přídavek reaktivního
ředidla
Ochlazení na 80-90 °C
Intenzivní míchání + kapky
H2O
Změna viskozity, W/O na
O/W
Zjemnění disperze: perlový
mlýn, válcové stroje,
ultrazvuk
Přídavek odpěňovače
Úvod do problematiky výroby a vlastností polymerních disperzí III.
Disperze
Epox. disperze -
acetátové, akrylátové
alkydové
polyuretanové
epoxidové
I. typu (1980) obsahují
II. typu
rozpouštědla!
III. typu (2010) – 0% VOC
(eco-friendly compositions)
Epoxy 160V55
Tvrdidla pro epoxidové disperzní systémy
- vodorozpustné aminy
Telalit 1261 event. 1040
Úvod do problematiky výroby a vlastností polymerních disperzí IV.
Epoxidové pryskyřice (prepolymery) lze rozdělit na tři skupiny:
1. Glycidované pryskyřice - kondenzační reakce bisfenolu A (dianu) + epichlorhydrinu
= bisfenol A diglycidylether + 2NaCl + 2H20
2. Epoxidizované oleje
3. Cykloalifatické epoxidy
Princip zesíťování prepolymeru epoxidové pryskyřice:
porušení epoxidových (ethylenoxidových) skupin
aktivním vodíkem:
aminy, kyseliny, fenoly, alkoholy - AB
Zdroj pryskyřic a dispezí
může být i naturální
Stárnutí epoxidové disperze, změna vlastností I.
Studium změny stability, mechanických a chemických vlastností ep. disperze
E 160V55 (III. typ, s emulgátorem) v průběhu víceletého skladování.
Porovnání kumulativní (histogram) a diferenciální (křivka)
distribuce částic epoxidových disperzí typu E 160V55
(velikost částic je stanovena z Fraunhoferova difrakčního
obrazce – laboratoře SYNPO a.s. Pardubice)
Fotografický záznam filmu
E 160V55 op. 1/2010 a 5/2008
(50x zvětšeno, SYNPO a.s.)
Stárnutí epoxidové disperze, změna vlastností II.
Zaschlý film nové disperze
E 160 operace 1/2010 je sice
tvrdší, na druhé straně však
pružnější a lépe přilnutý ve
srovnání s disperzí operace
5/2008.
Stupeň zasychání 1-5 je
charakterizován typem
závaží z hmotnostní škály
1 až 5, které již nevytvoří
vtisk do nátěru.
Stárnutí epoxidové disperze, změna vlastností III.
Hodnocení : bubliny (0 - bez bublin, B2 - ojedinělé bubliny, B3 - bubliny po celé ploše)
Změna vzhledu filmu disperze operace 5/2008 a 1/2010 po 60 zmrazovacích cyklech s
3% roztokem NaCl dle ČSN 73 1326 změna Z1 "Stanovení odolnosti povrchu
cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek“
Stárnutí epoxidové disperze, změna vlastností IV.
Změna mikro a makrostrukturních vlastností
disperzí stárnutím:
• aglomerace jemných částic do útvarů až 50x
rozměrnějších
• změna rozměrů kapilár – nedokonalá
koalescence a přechod v kompozit III. typu
• nedostatečný průnik tvrdidla do velkých
micel
• snížení tvrdosti filmu
• zvětšení nasákavosti filmu
přesto relativně účinná ochrana bet. konstrukcí i
po dvou letech skladování !
Epoxidová disperze dávkovaná do čerstvé betonové záměsi – mech. vlastnosti
Porovnání vlivu rozdílné adice tří typů epoxidových disperzí (rozpouštědlový II. typ a
bezrozp. III.) na mechanické vlastnosti testovaných polymercementových malt receptury I (
předpokládaná pevnost v tlaku 16,0 MPa) a II (pevnost v tlaku 25,0 MPa).
Kombinace moderní disperze a tvrdidla (E1-M+T180/D400) vykazuje při 3% adici do
záměsové vody připravované cementové malty výrazný nárůst pevností v tlaku a tahu za
ohybu testované polymercementové malty, pozor na pokles pevností při 6% adici!
Epoxidová disperze dávkovaná do čerstvé betonové záměsi – trvanlivostní vlastnosti I.
a) Vylepšení fyz.-mech. vlastností betonového recyklátu penetrací jeho povrchu
epoxidovou disperzí CHS Epoxy 160V55 (III. typ) + tvrdidlo Telalit 1261
b) Navržení optimální adice epoxidové disperze a silikátových příměsí do betonů z
betonového recyklátu pro vylepšení jejich trvanlivostních vlastností
Křivka zrnitosti surového recyklátu fy.
Dufonev frakce 0-16mm
Křivka zrnitosti disperzí penetrovaného
recyklátu fy. Dufonev původní frakce 0-16mm,
nyní po aglomeraci 4-31,5 mm
Neupravený surový
recyklát frakce 0-16 mm
(vlevo); disperzí
penetrovaný a vzájemně
aglomerovaný recyklát
frakce 4-31,5 mm (vpravo)
Epoxidová disperze dávkovaná do čerstvé betonové záměsi – trvanlivostní vlastnosti II.
Metody stanovení propustnosti
TORRENT
GWT
Receptura R1
Receptura R2
Referenční receptura, použito přírodní 100% hrubého kameniva 8-16 mm
hrubé kamenivo Olbramovice frakce 8-16 nahrazeno surovým recyklátem 0-16 mm,
mm
CEM I 42,5 R
0-4 Bratčice
4-8 Tovačov
8-16 Olbramovice
voda
300 kg/m3
760 kg/m3
228 kg/m3
912 kg/m3
136 kg/m3
CEM I 42,5 R
0-4 Bratčice
4-8 Tovačov
0-16 surový recyklát
voda
300 kg/m3
760 kg/m3
228 kg/m3
690 kg/m3
159 kg/m3
ISAT
Epoxidová disperze dávkovaná do čerstvé betonové záměsi – trvanlivostní vlastnosti III.
Epoxidová disperze dávkovaná do čerstvé betonové záměsi – trvanlivostní vlastnosti IV.
a): Penetrace povrchu betonového recyklátu
sníží nasákavost z 11 % na 5 %, vliv na pevnost
betonu z betonového recyklátuje
zanedbatelný.
b): Adice epoxidové disperze 160V55 silně
zvyšuje vzduchovou propustnost povrchové
vrstvy betonu s přírodním kamenivem nebo s
betonovým recyklátem, převážně však u
betonu bez spolupůsobení jemných
silikátových příměsí.
Tok vody vrstvou nebo plochou betonu s pórovitým betonovým recyklátem
výrazně sníží adice disperzní přísady do záměsové vody, a to především u betonu
s jemnými silikátovými příměsemi. Dojde k utěsnění betonu.
Adice silikátových příměsí v kombinaci s epoxidovou disperzí mírně vylepší
tlakové pevnosti betonů s betonovým recyklátem, perspektivně se jeví
kombinace 30 % strusky nebo 10 % mikrosiliky s 12 % epoxidové disperze.
Film epoxidové disperze chránící povrch betonů I.
Hodnocení kvality a odhad životnosti povrchových filmů ze čtyř typů vodou ředitelných ep.
disperzí k ochraně betonu a cementových malt před účinky karbonatace.
Označení, počet vrstev a složení ochranných disperzních filmů:
Nátěr (film)
Počet vrstev
Typ disperze
Typ tvrdidla
Typ přídatné látky
A
2
CHS Epoxy
200V55
Telalit 180
-
B
2
DOW XZ 92533
XZ 92441.01
-
C
1
CHS Epoxy
200V55
Telalit 180
-
+1
CHS Epoxy
160V55
Epostyl 216V
DI-ISO
(pentandiol diisobutyrát)
2
CHS Epoxy
160V55
Epostyl 216V
DI-ISO
(pentandiol diisobutyrát)
D
Film epoxidové disperze chránící povrch betonů II.
12. měsíc uložení vzorků v 98% CO2: Fenolftaleinová indikace
poškození cem. malt difuzí CO2, vzorky bez ochranného filmu, s
filmem typu A, B, C a D, naneseným na trámečcích rec. 1, 2 a 3.
a) Nejvyšší míru ochrany cementové malty vykazuje rozpouštědlová epoxidová disperze typu
A a kombinace rozpouštědlové + bezrozpouštědlové typu C
b) Plnou ochranu kvalitních cementových malt zajišťují shodně všechny testované
vodouředitelné epoxidové disperze typu A, B, C a D
A
B
C
D
(roky)
(roky)
(roky)
(roky)
8
8
8
3
5
8
8
8
8
3
3
8
atmosféře s 0,03% CO 2
Receptura/typ
nátěru-interval
obnovy
Rec. 1
Rec. 2
Rec. 3
Urychlení zkoušky v 98%
CO2 oproti reálné
Urychlení zkoušky na hloubku
karbonatace v 98% CO2
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
y = 0,555x - 0,4107
R2 = 0,9826
0
10
20
30
40
Hloubka karbonatace při urychlené zkoušce v
98% CO2 (mm)
Lepidla na bázi epoxidové disperze ke spojování silikátových povrchů I.
Prověření použitelnosti a otestování vlastností moderních vodou ředitelných
bezrozpouštědlových disperzních lepidel určených k lepení silikátových staviv.
Přehled adheziv a penetrací, jejich účel při testu přídržnosti
Označení
adheziva a
penetrace
v textu - typ
Výrobní
označení
adheziva a
penetrace
Výrobní
označení
tvrdidla
Poměr mísení
adhezivo:tvrdidlo
/
/ : (event. voda)
Účel při testu
přídržnosti
I.
Lepidlo L1 –
lepidlo pro
stavební
aplikace –
složka A
Lepidlo L1 –
složka B
100 : 7
testované
disperzní
adhezivo
II.
Lepidlo
Flexkleber
elastické lepidlo
-
5 / : 1,4
referenční
silikátové
adhezivo
III.
Penetrace CHS
Epoxy 160V55epoxidová
disperze
Telalit 1040
100 : 9 / : 109
penetrace
povrchu cihel a
betonu před
nanesením
adheziva
Lepidlo pro
lepení terčů
složka A –
pryskyřice
Lepidlo pro
lepení terčů
složka B –
tvrdidlo
IV.
2:1
DYNA Z 15 – odtrhová zkouška
Testované adhezivo typ I.
lepidlo pro
stanovení
přídržnosti
k podkladu
Referenční adhezivo typ II.
Lepidla na bázi epoxidové disperze ke spojování silikátových povrchů II.
Porušení obou adherendů v tahu při
testu přídržnosti adheziva typu I.
Pórobeton nebezpečí
rychlého
odvodnění
adheziva během
koalescence
Porušení adheziva typu II. v tahu
(selhání koheze)
Domácí dvousložkové ep. disperzní lepidlo L1 lze doporučit pro provádění kontaktních spojů
nasákavých materiálů, resp. nasákavého – nenasákavého při teplotě nad bodem mrazu.
Disperzní lepidlo L1 najde uplatnění např. při progresivní metodě suchého zdění přesných
cihelných bloků nebo při sanačních úpravách všech druhů konstrukcí, a to i vlhkých.
Lepidla na bázi epoxidové disperze ke spojování silikátových povrchů III. doplňková aplikace referenčního adheziva č. 2 (epoxidová pryskyřice E520)
Předpokládaný vývoj v oblasti vodou ředitelných disperzních hmot na bázi epoxidů
Změna objemu výroby nátěrových hmot danými technologiemi mezi léty 1994-2004:
Zpracování NH v roce 1994
PPramen
Zpracování NH v roce 2004
65% RNH
53%RNH
2% IRNH
3% IRNH
13% WBNH
22% WBNH
13% HSNH
12% HSNH
7% PNH
10% PNH
RNH
- rozpouštědlové nátěrové hmoty
- pokles výroby z 65 % na 53 %
IR
- radiačně vytvrzované nátěrové hmoty
WBNH - vodou ředitelné nátěrové hmoty (water born) – výrazný růst z 13 % na 22 %
HSNH - vysokosušinové nátěrové hmoty (high solids) – mírný pokles z 13 % na 12 %
PNH
- práškové nátěrové hmoty
Vývoj do roku 2010:
a) Omezení koncentrace pomocných rozpouštědel (tzv. VOC), dosaženo u disperzí III. typu
b) Vývoj epoxidových disperzí s nízkou hodnotou epoxidového indexu (nejsou zařazovány
do látek zdraví škodlivých – např. CHS EPOXY 160V55)
Současný výzkum:
a) Nové typy dispergovatelných pojiv založených na epoxidových novolacích,
epoxyesterech, hybrydních reaktoplastech, silikonepoxidových pryskyřicích
b) Uplatnění nanočástic v základní pryskyřici (snížení hořlavosti pojiva, zvýšení
houževnatosti) . Nové typy disperzí budou dražší, použití pro speciální účely.
Závěr a poděkování
Současné užití epoxidových disperzí a jejich pozitiva
Vodný dispergens umožňuje:
 modifikaci betonů přímým vmícháním epoxidové disperze do záměsové vody,
 tvorbu ochranných filmů z disperze na suché i vlhké anorganické povrchy,
 spojování nasákavých anorganických adherendů lepením,
 penetraci nasákavého kameniva s cílem zlepšení jeho fyzikálně – mechanických
vlastností,
 vhodné chování ekologické i zajištění bezpečnosti práce.
Vodný dispergens představuje riziko při:
 překročení doby skladovatelnosti,
 teplotách pod bodem mrazu.
Děkuji za pozornost.
Poděkování:
Ing. Jiří Novák, CSc., SYNPO a.s. Pardubice
Ohama, Y. 1998. Cement and Concrete Composites, 20, 2-3, s. 186
cs.wikipedia.org, google.cz, ČSU, MPO