DE4223598A1

DE4223598A1 - Verfahren zum Einfärben von Baustoffen

Info

Publication number: DE4223598A1
Application number: DE4223598A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Van Dipl Chem Bonn; Bernd Dipl Chem Dr Kroeckert; Guenter Dipl Chem Dr Linde
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1992-07-17
Filing date: 1992-07-17
Publication date: 1994-01-20
Also published as: EP0582094B1; JPH06157090A; JP3314986B2; EP0582094A1; DE59305374D1; US5322563A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einfärben von Baustoffen mit anorganischen Pigmenten in Form von Granulaten.

Zement- und kalkgebundene Baustoffe wie Putze, Kalksand steine, Faserzementteile oder Betonwerksteine, insbe sondere Dach- und Pflastersteine sowie Gehwegplatten, werden in der Regel, wenn sie farbig gestaltet werden sollen, mit anorganischen Pigmenten eingefärbt. So ist es allgemein in der Baustoffindustrie üblich, Eisenoxide oder Eisenoxidhydroxide als Rot-, Schwarz-, Braun- oder Gelbpigmente, Manganoxide als Braunschwarzpigmente, Chromoxide als Grünpigmente und Titandioxide als Weiß pigmente einzusetzen. Als weitere Beispiele können Ruße als Schwarzpigmente, Nickel- oder Chromrutile als Gelb pigmente oder kobalthaltige Spinelle als Blau- und Grün pigmente, kupferhaltige Spinelle als Schwarzpigmente sowie die Mischkristalle aus Bariumsulfat und Barium manganat als Blaupigmente genannt werden.

Zur Einfärbung von Betonwaren werden normalerweise die Pigmente im pulverförmigen Zustand eingesetzt. Sie haben in gemahlener Form den Vorteil der guten Dispergierbar keit. Die vollständig homogene Verteilung solcher Pigmentpulver erfolgt in Betonmischungen in einer kurzen Zeit - bis zu wenigen Minuten. Der Nachteil dieser feinen Pulver besteht darin, daß sie kein gutes Fließ verhalten aufweisen und sich beim Lagern häufig zu sammenballen und verklumpen. Die genaue Dosierung wird hierdurch erschwert. Ein weiterer Nachteil einiger Pulver besteht darin, daß sie zum Stauben neigen.

Es ist bekannt, daß diese Nachteile bei der Pigmentie rung von Betonteilen vermieden werden können, indem man anstelle trockener Pigmentpulver wäßrige Pigmentsuspen sionen einsetzt. Die Verwendung derartiger 30 bis 70 Gew.-% Pigment enthaltenden Pasten oder Slurries hat sich nur zögernd durchsetzen können. Denn durch den zusätzlichen Wassergehalt können je nach Entfernung von Herstell- und Einsatzort erheblich höhere Transport kosten auftreten. Auch kann die mitgelieferte große Wassermenge nicht in jeder Betonzubereitung verarbeitet werden. Störend wirken kann ebenfalls der Gehalt an or ganischen Chemikalien.

Die Baustoffindustrie ist deshalb größtenteils bei dem Einsatz trockener Pigmentpulver geblieben. Der Verwen dung von Pigmenten in Form von Mikrogranulaten stand bisher die Meinung entgegen, Granulate seien in Beton zubereitungen weniger gut dispergierbar. Schwer disper gierbare Pigmentagglomerate erfordern wesentlich längere Mischzeiten. Bei den normalen, in der Baustoffindustrie üblichen kurzen Mischzeit treten infolge schlechter Pig mentverteilung an der Betonoberfläche Strippen, Streifen oder Farbnester auf. Die im Pigment enthaltende Farb stärke kann sich nicht entfalten, so daß bei gleicher Farbintensität des Betonwerkstückes größere Pigment mengen aufgewendet werden müssen.

In der DE-C 36 19 363 werden für die Einfärbung von Betonwaren Pigmentgranulate beschrieben, die im wesent lichen aus Pigment und einem oder mehreren die Disper gierung des Pigmentes im Beton fördernden Bindemittel(n) bestehen. Als Bindemittel, die in Beton als Dispergier hilfsmittel arbeiten, werden genannt: Alkylbenzol sulfonat, Alkylnaphthalinsulfonat, Ligninsulfonat, sulfatierte Polyglykolether, Melaminformaldehydkonden sate, Naphthalinformaldehydkondensate, Gluconsäure, Salze von niedrigmolekularen teilveresterten Styrol- Maleinsäureanhydrid-Copolymerisaten und Copolymere aus Vinylacetat und Crotonsäure. Der Anteil im Pigment soll bevorzugt 2 bis 6 Gew.-% betragen.

Die genannten Dispergierhilfsmittel wirken in Beton mischungen als Verflüssiger. Sie beeinflussen das Wasser-Zement-Verhältnis und wirken sich auf die Betonkonsistenz aus.

Im anorganischen Pigment selbst stellen die zugesetzten Bindemittel als organische Substanzen Fremdkörper dar.

Gemäß DE-A 29 40 156 weist das anorganische Ausgangs pigment einen Harzgehalt von mindestens 20% auf. Eine Zerteilung entsprechender Granulate im Beton wird durch die Harzanteile hydrophob eingestellter Agglomerate sehr erschwert.

In der DE-C 39 18 694 wird ein Verfahren zur Einfärbung von Baustoffen mit anorganischen Pigmenten in Form von Mikrogranulaten beschrieben, bei dem den Pigmenten anorganische Verbindungen zugesetzt werden. Die so hergestellten Granalien zeichnen sich durch ein für eine leichte Dosierbarkeit gutes Fließverhalten sowie eine für die Handhabung geeignete Stabilität aus. Der Disper gieraufwand der hergestellten Granulate wechselt jedoch je nach Art des eingesetzten Bindemittels mehr oder weniger stark. Während beim Einsatz von Silikaten der Dispergieraufwand im Beton im allgemeinen mit der Zeit größer wird, erfordert Granulat mit Orthophosphat als Bindemittel bereits direkt nach der Herstellung eine intensivere Dispergierung.

Die Verarbeitung von Pigmentgranulaten erfordert jedoch Granulate, die über die bekannten Anforderungen für Fließverhalten und Stabilität hinaus gleichzeitig über eine gute Dispergierbarkeit verfügen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Einfärben von Baustoffen zur Verfügung zu stellen, welches Mikrogranulate mit ver besserten Dispergierverhalten gegenüber dem bisherigen Stand der Technik erzeugt.

Diese Aufgabe wurde gelöst durch ein Verfahren zur Ein färbung von Baustoffen mit anorganischen Pigmenten in Form von Granulaten, wobei die Pigmentgranulate aus einer Suspension aus einem oder mehreren Pigmenten und einem löslichen Phosphatsalz, mit einem Zahlenverhältnis von einwertigem Metallion zu Phosphor von 2/1 bis 1/1 variieren kann, bestehen. Die bevorzugt eingesetzte Menge an Phosphatsalz, gerechnet als Phosphat und bezogen auf Pigment, liegt zwischen 0,1 und 5 Gew.-%.

Überraschenderweise stellte sich heraus, daß bei Zusatz von Salzen kondensierte Phosphate die Dispergiereigen schaften der Granalien gegenüber dem bisherigen Stand der Technik deutlich verbessert wird. Gleichzeitig bleiben die für Granalien geforderten Eigenschaften (nicht staubend sowie handhabungsstabil) erhalten. Die Granalien können vorteilhaft in Form von Perlgranulaten z. B. in Sprühtrocknern oder Wirbelbett-Trocknern oder -Granulatoren erzeugt werden oder in Form von Aufbau granulaten in Granuliertellern, Dragiertrommeln oder vergleichbaren, dem Fachmann bekannten Aggregaten erzeugt werden.

Bevorzugt sind Pigmente, die mehrwertige Kationen der Übergangsmetalle enthalten. Besonders bevorzugt sind Pigmente, die Titandioxid, Eisenoxid, Chromoxid, Mangan oxid und/oder Zinkoxid enthalten. Ganz besonders bevorzugt sind dabei Eisenoxidpigmente. Gute Ergebnisse werden aber auch mit Mischphasenpigmenten erzielt.

Die besonders bevorzugte Menge des erfindungsgemäß zugesetzten löslichen Phosphatsalzes beträgt, auf Pigment bezogen 0,1 bis 2 Gew.-%. Die Kationen stammen aus Ionen der ersten Hauptgruppe des periodischen Systems der Elemente, vorzugsweise Natrium, Kalium bzw. das alkaliähnliche Ammonium-Ion. Die eingesetzten Phosphate sind kettenförmig kondensierte Phosphate bzw. ringförmig kondensierte Phosphate, wobei das Zahlen verhältnis von einwertigem Kation zu Phosphor in den Grenzen 2/1 bis 1/1 liegt.

Typische Vertreter dieser Verbindungsklasse sind: Natriumpyrophoshat (Na₄P₂O₇), Natriumtripolyphosphat (Na₅P₃O₁₀), Calgon 188 N (Natriumpolyphosphat mit ver netzten Ketten der Firma BK Ladenburg) sowie Natrium hexametaphosphat ([NaPO₃]₆ × H₂O).

Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäßen Granulate eine vom Pigment abhängige Partikelgröße nicht über schreiten sollten. Diese ist in erster Linie abhängig vom Schüttgewicht des Granulates, das wiederum ein Maß für die Porosität der Partikel darstellt. Die Porosität wiederum ist im Falle der Sprühgranulation abhängig vom Feststoffgehalt der pumpfähigen Ausgangssuspension vor dem Trocknen, die in Abhängigkeit von Teilchengröße und Teilchenform des Pigments stark schwanken kann. Als Maß für das Schüttgewicht dient das in der DIN 53 194 vom August 1957 definierte Stampfvolumen bzw. Stampfgewicht.

Die beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Pigmentgranulate zeichnen sich dadurch aus, daß sie bei der Bestimmung des Stampfgewichtes nicht zerfallen. Bevorzugt weisen die erfindungsgemäßen Granulate ein Stampfgewicht zwischen 0,5 und 2,5 g/cm³, besonders bevorzugt 0,8 bis 1,5 g/cm³, auf.

Auch sollte die Partikelgröße nicht zu niedrig gewählt werden, da die feinen Anteile unter etwa 50 µm - ab hängig von den Pigmenteigenschaften - für das Stauben eines trockenen Pulvers verantwortlich sind. Zudem wird mit Zunahme dieses Anteils die Riesel- oder Fließfähig keit verschlechtert.

Die erfindungsgemäß durch Sprühtrocknen erhaltenen Granulate liegen in ihrer durchschnittlichen Partikel größe zwischen 30 und 500 µm, vorzugsweise zwischen 100 und 300 µm, nach Aufbaugranulation erhaltene Granalien bevorzugt 100 µm bis 1 cm.

Die Pigmentgranulate dieser Partikelgröße stellen hand habungsstabile, nicht staubende, gut rieselfähige Pulver dar, die für die Einfärbung von Baustoffen gut geeignet sind. Im Gegensatz zur Offenbarung der DE-C 36 19 363 reichen die Scherkräfte in Betonzubereitungen auf die Granulate für die vollständige Pigmentdispergierung während des Mischzyklus aus. Besonders gute Ergebnisse werden mit Eisenoxid-Pigmenten erzielt. Das Stampf gewicht der Granulate kann je nach Pigment, Zusatzart und -menge und Wassergehalt der Suspension schwanken. Niedrige Stampfgewichte führen zu wenig stabilen Granulaten, hohe Stampfgewichte zu schlechter Disper gierbarkeit. Die erfindungsgemäßen Eisenoxidschwarz granulate weisen bevorzugt Stampfgewichte zwischen 1,2 und 1,6 g/cm³, auf.

Die erfindungsgemäß eingesetzten Granulate enthalten üblicherweise von 0,1 bis 4 Gew.-% Wasser. Je nach Pigmentfeinheit und Teilchenform kann der Wassergehalt höher liegen, ohne daß die Rieselfähigkeit negativ beeinflußt wird.

Die Prüfung der Dispergierbarkeit in Beton erfolgte über die Farbstärkemessung an mit Weißzement hergestellten Prismen bei folgenden Daten: Zement-Quarzsand-Verhältnis 1 : 4, Wasser-Zement-Wert 0,35, Pigmentierungshöhe 1,2%, bezogen auf Zement, verwendeter Mischer von RK Toni Technik, Berlin, mit 5 l Mischschüssel, Bauform 1551, Drehzahl 140 U/min (Ansatz: 500 g Zement). Nach je 80, 100, 150 und 200 s wurden 4 Mischungsproben (300 g) ent nommen und Probekörper (5 × 10 × 2,5 cm) unter Druck (32,5 N/mm²) hergestellt. Härtung der Probekörper: 24 Std. bei 30°C und 95% rel. Luftfeuchte mit anschlie ßendem Trocknen 24 Std. bei 50°C. Farbdatenmessung über Hunterlab-Gerät: 3 Meßpunkte je Ober- und Unterseite, pro Pigmentmischung 24 Meßpunkte. Die erhaltenen Mittel werte werden in bezug zu der mituntersuchten Pulverware mit 80 s Mischzeit (Endfarbstärke = 100%) gesetzt.

Das Verfahren der Erfindung soll an folgenden Beispielen näher erläutert werden, es ist darin jedoch keine Ein schränkung auf die Beispiele zu sehen.

Beispiel 1

Eine wäßrige Suspension von Eisenoxidrot (Bayferrox® 130, Handelsprodukt der Bayer AG), mit einem Feststoff gehalt von 60 Gew.-% und einem Zusatz von 1,3% Natrium tripolyphosphat (Na₅P₃O₁₀), bezogen auf den Feststoff, wurde mit einem Vordruck von 23 bar über eine Düse in einen Sprühtrockner eingebracht. Die Düsenöffnung betrug 1,2 mm, und die Wirbelkammer hatte eine Dicke von 2,7 mm. Die Temperatur im Eintragsbereich lag bei 280°C und im Austrag bei 140°C.

Man erhält pro Stunde 65 kg Eisenoxidrotpigment in Form von Granalien mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 150 µm und einer Restfeuchte von 0,3%. Das Stampf gewicht der Granalien betrug 1,20 g/cm³. Die Endfarb stärke wurde bei der Prüfung der Dispergierbarkeit in Beton nach 80 Sekunden erreicht.

Beispiel 2

Eine wäßrige Suspension von Eisenoxidrot (Bayferrox® 110, Handelsprodukt der Bayer AG), mit einem Feststoff gehalt von 60 Gew.-% und einem Zusatz von 2,2% Natrium hexametaphosphat ([NaPO₃]₆ × H₂O), bezogen auf den Fest stoff, wurde mit einem Vordruck von 3 bar über eine Hohlkegeldüse (Sprühwinken 30°, Bohrung 1,1 mm) in einen Sprühtrockner eingedüst. Vom Erdgas-Flächenbrenner tra ten die Verbrennungsgase mit einer Temperatur von 450°C in den Sprühtrockner. Die Austrittstemperatur der Gase lag bei 145°C.

Man erhält pro Stunde etwa 21 kg Eisenoxidrotpigment in Form von Granalien mit einer durchschnittlichen Parti kelgröße von 150 µm und einer Restfeuchte von 0,8%. Das Stampfgewicht der Granalien betrug 1,25 g/cm³. Die End farbstärke wurde bei der Prüfung der Dispergierbarkeit in Beton nach 80 Sekunden erreicht.

Beispiel 3

Eine wäßrige Suspension mit ca. 50 Gew.-% Fe₃O₄ (Bay ferrox® 318, Handelsprodukt der Bayer AG) und 1,4% Natriumtripolyphosphat (Na₄P₂O₇), bezogen auf den Fest stoff, gelangte mit einem Druck von 0,5 bar auf die Ver teilerscheibe eines Scheibensprühtrockners. Die Umfang geschwindigkeit der Scheibe betrug 88 m/s. Vom Erdgas- Flächenbrenner traten die Verbrennungsgase mit einer Temperatur von 380°C in den Sprühtrockner. Die Aus trittstemperatur der Gase lag bei 105°C.

Es wurden stündlich 95 kg Eisenoxidschwarzpigment in mechanisch stabiler Granulatform mit einer durchschnitt lichen Partikelgröße von 100 µm und einer Restfeuchte von 0,5 Gew.-% erhalten. Das Stampfgewicht der Granulate betrug 1,14 g/cm³. Die Prüfung auf Dispergierbarkeit in Beton durch Messung der Farbstärke ergab eine Endfarb stärke bei 80 Sekunden Mischzeit.

Beispiel 4

Eine wäßrige Suspension von Eisenoxidgelb (Bayferrox® 420, Handelsprodukt der Bayer AG), mit einem Feststoff gehalt von 35 Gew.-% und einem Zusatz von 1,1% Calgon 188 N (Handelsprodukt der Firma BK Ladenburg), bezogen auf den Feststoff, wurde mit einem Vordruck von 3 bar über eine Hohlkegeldüse (Sprühwinkel 30°, Bohrung 1,1 mm) in einen Sprühtrockner eingedüst. Vom Erdgas-Flä chenbrenner traten die Verbrennungsgase mit einer Tem peratur von 450°C in den Sprühtrockner. Die Austritts temperatur der Gas lag bei 145°C.

Man erhält pro Stunde etwa 21 kg Eisenoxidgelbpigment in Form von Granalien mit einer durchschnittlichen Par tikelgröße von 150 µm und einer Restfeuchte von 0,8%. Das Stampfgewicht der Granalien betrug 0,54 g/cm³. Die Entfarbstärke wurde bei der Prüfung der Dispergierbar keit in Beton nach 80 Sekunden erreicht.

Vergleichsbeispiel 1

Eine wäßrige Eisenoxidrotsuspension wird wie in Beispiel 1 verarbeitet. Als Zusatzstoff wird statt Natriumtri polyphosphat 1,7% handelsübliches Natriumorthophosphat (Na₃PO₄) eingesetzt. Die Farbstärke erreichte auch nach 100 Sekunden Dispergierzeit nur 38% der mituntersuchten Pulverware. Nach 200 Sekunden Dispergierzeit konnte die Farbstärke nur geringfügig auf 56% der Pulverware ge steigert werden.

Vergleichsbeispiel 2

Eine wäßrige Eisenoxidrotsuspension wird wie in Beispiel 2 verarbeitet. Als Zusatzstoff wird statt Natriumhexame taphosphat 3,5% Natriumorthophosphat (Na₃PO₄) einge setzt. Nach 100 Sekunden Dispergierzeit wurde lediglich eine Farbstärke von 30% im Beton erreicht.

Vergleichsbeispiel 3

Wie in Beispiel 3 beschrieben, wird eine Eisenoxid schwarzsuspension verarbeitet. Statt Natriumpyrophosphat wird Natriumorthophosphat (Na₃PO₄) der Suspension zuge setzt. Die Einarbeitung in Beton bei einer Dispergierzeit von 100 Sekunden ergab eine Farbstärke von 88%.

Vergleichsbeispiel 4

Wie in Beispiel 4 beschrieben, wird eine Eisenoxid schwarzsuspension verarbeitet. Anstelle von Calgon 188 N wird jedoch Natriumorthophosphat (Na₃PO₄) der Zusatz stoff zugesetzt. Die Farbstärke des Granulats im Beton betrug nach 100 Sekunden Dispergierzeit 90% der End farbstärke.

Claims

1. Verfahren zum Einfärben von Baustoffen mit anorga nischen Pigmenten in Form von Granulaten, dadurch gekennzeichnet, daß die Pigmentgranulate aus einer Suspension aus einem oder mehreren Pigmenten und einem löslichen Phosphatsalz mit einem Zahlenver hältnis von einwertigem Metallion zu Phosphor von 2/1 bis 1/1 bestehen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an löslichen Phosphatsalzen 0,1 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 bis 2 Gew.-% beträgt, gerechnet als Phosphat und bezogen auf Pigment.

3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Granulate durch Sprühtrocknen erhalten wurden.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Granulate durch Aufbaugranulation erhalten wurden.

5. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Pigmente solche aus der Gruppe Titanoxid, Eisenoxid, Chrom oxid, Manganoxid und/oder Zinkoxid eingesetzt werden.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Pigmente Eisenoxidpigmente eingesetzt werden.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenoxidpigmente Eisenoxidrotgranulate mit Stampfgewichten zwischen 1,2 und 1,6 g/cm³ sind.

8. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenoxidpigmente Eisenoxidschwarzgranulate mit Stampfgewichten zwischen 0,8 und 1,4 g/cm³ sind.

9. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pigmente anorganische Mischphasenpigmente sind.

10. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die löslichen Phosphatsalze kettenförmig kondensierte Phosphate (Polyphosphate) oder ringförmig kondensierte Phosphate (Metaphosphate) sind.

11. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphat salze als Gegenionen Kationen der ersten Haupt gruppe des periodischen Systems der Elemente ent halten, vorzugsweise Natrium, Kalium und/oder das Ammonium-Ion.