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
