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Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind lösemittelfreie, standfeste Kleb- und Dichtstoffe mit einem Wassergehalt unter 20 Massen-% basierend auf Bitumenemulsionen, deren Verwendung und ein Verfahren zur Herstellung lösemittelfreier, standfester Kleb- und Dichtstoffe.
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Die erfindungsgemäßen Kleb- und Dichtstoffe sind vorzugsweise bestimmt für Abdicht- und Klebearbeiten an Flachdachbeschichtungen.
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Um den Feuchteschutz von Flachdächern zu gewährleisten, werden diese vielfach mit Bitumen- bzw. Polymerbitumenbahnen belegt. Zur Befestigung dieser Dachbahnen, sowie für die Reparatur schadhafter Stellen, welche sich gerne an Übergängen und an den Rändern bilden, stehen eine Reihe von Mitteln zur Verfügung.
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Beim sog. Schweißverfahren werden die Bitumenbahnen mit einem Gasbrenner bei Temperaturen um 200°C verschmolzen. Dieses Verfahren ist jedoch für Reparaturen und kleinere Verlegearbeiten wegen des hohen technischen Aufwands und erheblicher toxischer Emissionen wenig geeignet. Ähnlich kritisch zu sehen ist das Arbeiten mit schmelzflüssigem Bitumen von Temperaturen um 250°C.
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Sog. Bitumenkaltkleber sind entweder wässrige Bitumenemulsionen oder -lösungen von Bitumen in organischen Lösemitteln, meist Benzinkohlenwasserstoffen. Führt man Verklebungen mit solchen Bitumenlösungen durch, so treten hohe Lösemittelemissionen auf, die aus Umweltgründen allgemein kritisch beurteilt werden und darüber hinaus Brandschutzmaßnahmen erfordern. Daher werden Produkte dieser Art nur noch selten angewandt.
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Günstiger verhalten sich wässrige Bitumenemulsionen; diese Produkte können in Innen- und Außenräumen verwendet werden. Als nachteilig erweist sich jedoch beim Verkleben von Dachbahnen bzw. bei Reparaturarbeiten der hohe Wassergehalt solcher Formulierungen von 40 bis 70 Massen-%. Beim Abtrocknen des Wassers aus den Klebschichten besteht jedoch die Gefahr, dass die Wasseranteile nicht oder nicht ausreichend entweichen können und sich in Folge Blasen bilden. Als sehr nachteilig bei diesen Kaltklebern haben sich auch die langen Trockenzeiten erwiesen.
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Weitere Nachteile von bituminösen Klebern ergeben sich aus den intrinsischen Eigenschaften des Bitumens selbst. Bitumen besitzt nämlich für viele Anwendungen zu geringe Elastizität bzw. neigt Tendenz unter Bewitterung zur Versprödung und Rissbildung. Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, Bitumenemulsionen mit thermoplastischen Kunststoffen zu vergüten. Versuche, Gemische aus wässrigen Bitumenemulsionen und wässrigen Kunststoffdispersionen für Anwendungen in der Bautechnik ausreichend zu stabilisieren, erbrachten jedoch bisher keine überzeugenden Lösungen. Ein weiterer Grund für diese Misserfolge liegt in der mangelnden Stabilität solcher Mischungen. Bevor nämlich solche Produkte vermarktet und angewandt werden können, muss eine Lagerstabilität von 2 bis 3 Jahren garantiert werden können.
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Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten wurden verschiedene Vorschläge ausgearbeitet: Eine Reihe von Patentanmeldern beschreiben zweikomponentige Formulierungen, bestehend aus einer wässrigen Bitumen/Kunststoffmischung und einer Härterkomponente, oftmals Zemente. Der grundsätzliche Nachteil solcher zweikomponentigen gegenüber einkomponentigen Systemen liegt an der zusätzlichen Mischarbeit und der Gefahr, dass der Anwender das Mischungsverhältnis nicht einhält bzw. nicht homogen mischt.
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Werden nur wässrige Dispersionskleber, z. B. auf Acrylat-Basis, verwendet, so sind für das Abtrocknen wegen der hohen Wassergehalte lange Trockenzeiten erforderlich. Bei Verklebungen besteht zudem die Gefahr, dass das Wasser nicht vollständig entweichen kann und es zu Blasenbildungen unter den Belägen kommt. Ein weiterer Nachteil solcher Formulierungen besteht darin, dass sie anfällig gegen Kondenswasser sind und sich unter Feuchteeinfluss wieder vom Untergrund bzw. den aufgeklebten Bitumenbahnen lösen. Zusätzlich neigen die bekannten Acrylatkleber dazu, beim Austrocknen stark zu schrumpfen, was ebenfalls leicht zur Lösung der Verklebung führen kann.
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Die Anmelder der
EP 1 102 816 A1 schlagen zur Verbesserung vor, Mischungen aus Bitumenemulsionen und Copolymerisaten von Ethylen- und Propylenoxid in Gegenwart von polyethoxilierten Verbindungen, z. B. Alkylphenolen, herzustellen. Die beschriebenen Copolymerisate mit Molmassen um 1000 g/mol können die Bitumeneigenschaften aber nur unzureichend verbessern.
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Die
DE 39 38 063 A1 offenbart eine Methode, chlorierte und nichtchlorierte Kunststoffe in Bitumenemulsionen zu dispergieren. Dafür sind jedoch bis zu 22 Massen-% organische Lösemittel, vorzugsweise Solventnaphtha, erforderlich.
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Aus der
DE 30 43 297 A1 ist bekannt, Bitumenemulsionen mit polycyclischen Polycarbonsäuren, welche durch Salpetersäureoxidation von Kohle gewonnen werden, zu modifizieren. Das Verfahren ließ sich bislang nicht technisch verifizieren. Die
DE 30 43 297 A1 beschreibt Bitumenemulsionen, die wässrige Kunststoffdispersionen enthalten und als Stabilisatoren nicht- und/oder teilionogene Polysaccharide enthalten.
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US 5,059,479 A offenbart eine Zweikomponenten-Klebstoffemulsion mit einer ersten Komponente in Form eines bituminösen Emulgators. Die zweite Komponente umfasst ein Polymer aus der Gruppe der Acrylate und weist eine Glasübergangstemperatur zwischen -60°C bis -30°C auf.
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US 3,388,587 A offenbart eine acrylathaltige Zusammensetzung zur Detektion von Gas-Leckagen. Die Zusammensetzung soll leicht auf eine Konstruktion aufgebracht werden und über einen längeren Zeitraum in einem Zustand vorliegen, der Undichtigkeiten im Bauwerk anzeigen kann. Die auf Undichtigkeit zu untersuchende Stelle wird dabei mit einem Film bedeckt und durch ein Klebmittel im Gemisch mit einem Schäummittel und einem Lösemittel enthält. Bei Austritt des Gases entsteht eine beständige schwammig feste Schaummasse auf dem Überzugsfilm.
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DE 100 00 940 A1 offenbart eine einkomponentige Dichtmasse auf Basis einer Dispersion von Vinylpolymeren, wobei die Dichtmasse im Nasszustand im Wesentlichen frei von flüchtigen organischen Verbindungen ist und im Trockenzustand selbstklebend ist.
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US 5,116,413 A offenbart ein Abdichtmittel zur Erzeugung einer wasser- und gasdichten Durchführhülse, wobei das Abdichtmittel aus einer quellbaren hochmolekularen Substanz besteht. Die quellbare Substanz besteht zumindest aus zwei Komponenten, einer Matrix aus Bitumen und einem Quellmaterial u.a. auch Polyacrylate, vorzugsweise jedoch Bentonit.
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GB 558,904 A offenbart eine Zusammensetzung für Portlandzement.
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DD 2 67 248 A1 offenbart einen hochelastischen Baustoff auf Polyacrylatbasis als Haftvermittler zwischen verschiedenen Baustoffen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, lösemittelfreie und standfeste Kleb- und Dichtstoffe aus wässrigen Bitumenemulsionen bereitzustellen, die sich durch ihren Anteil an thermoplastischen Acrylat- bzw. Acrylat-Copolymer-Anteil dauerelastisch verhalten und in lagerstabiler Form herstellen lassen. Vom technischen Aufwand sollten diese Kleb- und Dichtstoffe auch von Heimwerkern für die Reparatur von Schäden an Flachdächern bzw. flach geneigten Dächern einsetzbar sein.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 oder 5 enthaltenen Merkmale gelöst.
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Bitumen fällt als Rückstand bei der Erdöldestillation an. Es handelt sich um schwerflüchtige, dunkelfarbige Stoffgemische ohne exakten Schmelzpunkt. Chemisch gesehen besteht Bitumen überwiegend aus höheren Kohlenwasserstoffen und lässt sich beschreiben als Dispersion von höhermolekularen Asphaltenen in öligen Maltenen.
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Bitumenemulsionen sind kolloidale Mischungen von bestimmten Bitumenarten und Wasser. Um ein Zusammenfließen der fein verteilten Bitumentröpfchen zu verhindern, sind Emulgatorzusätze erforderlich. Für die Darstellung der erfindungsgemäßen Kleb- und Dichtstoffe eignen sich vorteilhafterweise anionische Bitumenemulsionen mit Wassergehalten von 30 bis 60 Massen-%. Diese Bitumenemulsionen sind am Markt wohlfeil erhältlich. Weitere Eigenschaften und die Erzeugungsweisen der Bitumenemulsionen gehören zum Stand der Technik und brauchen deshalb hier nicht weiter behandelt werden (vgl. K.-D. Ledwoch: Kittel-Lehrbuch der Lacke und Beschichtungen, Bd. 3, S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 2001).
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Die neben Bitumen andere maßgebliche Komponente in den erfindungsgemäßen Kleb- und Dichtstoffen bilden die wässrigen Acrylat-Dispersionen. Darunter sollen hier verstanden werden Reinacrylate, aber auch Acrylsäureester-Copolymerisate, insbesondere Acrylsäureester- Acrylnitril-Copolymerisate. Besonders eignen sich für die beanspruchten Kleb- und Dichtstoffe Mischpolymerisate aus Acrylsäurealkylestern und kleinen Anteilen Acrylnitril. Als Alkylgruppen, formal herrührend vom Veresterungsalkohol, kommen die Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, i-Propyl-, n-Butyl und i-Butylgruppen in Betracht. Alle diese Arcrylate werden in Form ihrer wässrigen Dispersionen eingesetzt. Der Reinharzgehalt dieser wässrigen Dispersionen schwankt zwischen 30 bis 70 Massen-%.
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Nach einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung werden Acrylate und/oder Acrylat-Copolymerisate so ausgewählt, dass die Glastemperaturen der reinen, festen Polymerisate unter 5°C liegen. Dadurch wird die Trocknung der Kleb- und Dichtstoffe bei üblichen Außentemperaturen begünstigt.
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Acrylate und Acrylat-Copolymerisate werden am Markt seit vielen Jahren frei verkauft. Ihre Herstellung und ihre Eigenschaften gehören zum Stand der Technik. Daher kann hier auf eine weitere Beschreibung verzichtet werden. Hingewiesen sei jedoch noch auf einige wichtige Eigenschaften der eingesetzten wässrigen Polymerdispersionen: der pH-Wert soll um den Neutralpunkt schwanken, d. h. pH-Werte zwischen 4 und 9 sind anzustreben.
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Zur Stabilisierung der erfindungsgemäßen Kleb- und Dichtstoffe eignet sich, wie überraschenderweise gefunden, wässrige Caseinlösung hervorragend. Diese Lösung lässt sich zudem einfach aus pulverförmigem Casein, Wasser und Ammoniakwasser bereiten.
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Casein (Käsestoff) ist ein leicht aus Milch gewinnbares Protein. Es ist in Wasser nicht löslich, wohl jedoch in Basen. Casein ist allgemein erhältlich und seine Gewinnung und Eigenschaften gehören zum Stand der Technik (vgl. K.-D. Ledwoch: Kittel-Lehrbuch der Lacke und Beschichtungen, Bd. I, S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 1998).
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Nach einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung enthalten die beanspruchten Kleb- und Dichtstoffe 0,1 bis 3,0 Massen-% Bentonitverdicker. Bentonite sind natürlich vorkommende Tonminerale mit Schichtstruktur. Verdickend wirken sie in der Wasserphase über Gelbildung, die durch die räumliche Ausrichtung der blättchenförmigen mineralischen Teilchen verursacht wird.
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Um leicht glättbare Kleb- und Dichtstoffe zu erhalten, werden den Formulierungen vorteilhafterweise 0,1 bis 3,0 Massen-% pyrogene Kieselsäure zugesetzt. Man erhält diese Kieselsäuren durch Hydrolyse von Chlorsilanen in der Knallgasflamme. Wegen der feinen Verteilung ist auch die Bezeichnung hochdisperse Kieselsäure üblich. Neben einer thixotroperenden Wirkung begünstigen diese Kieselsäuren das Glättungsverhalten der beanspruchten Kleb- und Dichtstoffe.
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Als weiteren wichtigen Bestandteil enthalten die Kleb- und Dichtstoffe Kreidepulver und/oder Schiefermehl mit Massenanteilen von 25 bis 60 %. Die Partikelgröße soll im Bereich von 2 bis 50 µm liegen. Schiefermehl hat gegenüber Kreide den Vorteil, dass es Feuchte stark abstößt.
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Nach einem zusätzlichen Merkmal der Erfindung enthalten die Kleb-/Dichtstoff-Formulierungen quellbare Acrylatverdicker und assoziativ wirkende Polyurethanverdicker. Die Gehalte liegen jeweils bei 0,1 bis 2,0 Massen-%.
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Die eingesetzten Acrylatverdicker sind alkalisch quellbare und dadurch stark verdickend wirkende Verbindungen, wie z. B. das Produkt Latekoll D der Fa. BASF, Ludwigshafen, mit Feststoffgehalten um 25 Massen-%.
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Die Polyurethanverdicker, geeignet sind z. B. die Borchi Gel Typen der Fa. Borchers, Langenfeld, lagern sich über hydrophobe Gruppen im Molekül an die Oberflächen von Bitumen bzw. Acrylaten an und bilden micellartige, hochmolekulare Komplexe.
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Dadurch kann das Verlaufsverhalten und die Viskosität der beanspruchten Kleb- und Dichtstoffe günstig beeinflusst werden. Die Feststoffgehalte der PUR-Verdicker bewegen sich um 50 Massen-%.
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Die beanspruchten lösemittelfreien, standfesten Kleb- und Dichtstoffe können zusätzlich fallweise weitere Hilfsstoffe enthalten. Zu nennen wären hier Weichmacher, Farbpigmente, Füllstoffe, Pigmente, Konservierungsmittel, Entschäumer und Haftvermittler.
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Für die Weichmachung kann man auf bewährte Verbindungen zurückgreifen. In erster Linie wären hier zu nennen die bekannten Phthalsäureester in Massenanteilen von 0,5 bis 15 %. Als besonders geeignet hat sich das i-Butyl-phthalat erwiesen.
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Als Entschäumer beim Herstellprozess eignen sich Silikonentschäumer, bevorzugt werden Verbindungen aus der Klasse der Dialkylsiloxane. Diese Verbindungen sind handelsüblich.
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Geeignete Konservierungsmittel werden vom Handel angeboten. Bewährt haben sich Wirkstoffe aus der Klasse der Isothiazolin-3-one. Sie sind gut in wässrigen Formulierungen verteilbar. Reinwirkstoffgehalte um 0,05 Massen-% erwiesen sich als ausreichend.
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Auch der Zusatz von Farbpigmenten, wie Titandioxid, Ruß oder organischen Farbpigmenten und von Füllstoffen, wie z. B. Dolomit, Schwerspat oder Kaolin, ist möglich.
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Die Herstellung der erfindungsgemäßen Kleb- und Dichtstoffe erfolgt in zwei Stufen. Zuerst wird aus Wasser, Caseinpulver und konz. Ammoniakwasser eine Casein-Stammlösung hergestellt. Hierbei hat sich ein Caseingehalt von ca. 15 Massen-% bewährt. In einer zweiten Stufe werden die wässrigen Acrylat- bzw. Acrylat-Mischpolymersiat-Dispersionen in einem Mischer vorgelegt, die Bentonitverdicker eingemischt, danach Weichmacher und die Casein-Stammlösung zugesetzt und vorsichtig homogenisiert. Anschließend werden Entschäumer, Konservierungsmittel und Kieselsäure eingemischt. Als nächstes werden die Acrylatverdicker und die Bitumenemulsion langsam unter Rühren zugesetzt. Dann wird das Kreidepulver und/oder das Schiefermehl eingeschert. Zuletzt setzt man unter hoher Rührgeschwindigkeit soviel Polyurethan-Verdicker zu, bis die gewünschte Konsistenz erreicht ist.
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Die so erhaltenen lösemittelfreien und standfesten Kleb- und Dichtstoffe auf Bitumenbasis eignen sich für Anwendungen im industriell-technischen Bereich, im Handwerk und für Heimwerker. Beispiele für Anwendungen sind das Abdichten von Rissen und Fugen in Bitumenbeschichtungen, das Abdichten von Dachdurchbrüchen und Lichtkuppeln, sowie Ausbesserungsarbeiten in Rand- und Eckbereichen von bitumenbeschichteten Flächen.
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Die erfindungsgemäßen Kleb- und Dichtstoffe sind lösemittelfreie und standfeste, viskoelastische Massen auf Bitumenbasis. Sie enthalten keine Lösemittel und lassen sich daher als umweltfreundlich einstufen.
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Die Kleb- und Dichtstoffe können mit Spachtel oder Rakel in einem Schritt in Schichtdicken von bis zu 5 mm aufgetragen werden. Das Material ist wasserfest, der Volumenschrumpf ist wegen der kleinen Wassergehalte gering und Überlackierbarkeit mit Lösemittellacken und wässrigen Dispersionslacken ist gegeben.
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Im Folgenden werden zwei nicht unter die Ansprüche fallende Ausführungsbeispiele beschrieben:
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Beispiel 1:
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Die Herstellung des Kleb- und Dichtstoffs erfolgt zweistufig.
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Stufe 1:
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8,1 kg Wasser werden in einem Mischer vorgelegt und 1,5 kg Milchcasein-Pulver unter langsamem Rühren zudosiert. Danach gibt man 0,4 kg Ammoniakwasser (25 Massen-%) unter Rühren zu und rührt solange weiter, bis sich eine weitgehend klare Lösung gebildet hat.
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Stufe 2:
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23 kg wässriger Acrylsäureethylester-Acrylnitril-Copolymerisat-Dispersion mit einem Acrylnitrilanteil von 5 Massen-% und einem Feststoffgehalt von 60 Massen-% werden in einem Planetenmischer vorgelegt und mit 0,3 kg Bentonitverdicker homogen vermischt. Danach werden 6 kg Phthalsäure-di-i-butylester und 3 kg Caseinlösung zugesetzt. Nachfolgend werden 0,3 kg Silikonentschäumer, 0,2 kg wässrige Konserviergungsmittelpräparation und 0,7 kg hochdisperse Kieselsäure homogen eingeschert. Anschließend werden 0,2 kg Acrylatverdicker (25 Masse-% Feststoffgehalt), 14 kg anionische Bitumenemulsion (40 Massen-% Feststoffgehalt), 26 kg Kreidepulver und 26 kg Schiefermehl und abschließend 0,5 kg Polyurethanverdicker (50 Masse-% Feststoffgehalt) zugesetzt und homogenisiert.
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Die fertige Formulierung wird in Kartuschen abgefüllt.
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Zur Prüfung wurden einige Kenngrößen bestimmt; die Ergebnisse finden sich in Tabelle 1.
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Beispiel 2:
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Die Herstellung erfolgt zweistufig.
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Stufe 1:
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Die Caseinlösung, wird wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt.
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Stufe 2:
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25 kg wässrige Reinacrylatdispersion mit 55 Masse-% Feststoffgehalt wurden in einem Intensivmischer vorgelegt, 0,3 kg Bentonitverdicker homogen eingearbeitet, dann wurden unter langsamen Rühren 6 kg Di-iso-nonylphthalat, 3 kg der Caseinlösung (15 Masse-%), 0,3 kg Entschäumer, 0,1 kg Konservierungsmittel und 0,3 kg pyrogene Kieselsäure und 0,2 kg Acrylatverdicker unter Rühren zugegeben.
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Erst danach werden 14 kg Bitumenemulsion (40 Masse-% Feststoffgehalt) zugesetzt und 53 kg Calciumcarbonat (mittlere Korngröße 25 µm) eingeschert. Abschließend wird die Viskosität des Ansatzes mit einem Polymerverdicker der Type Borchigel L eingestellt.
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Die erhaltene Kleb/Dichtstoffmischung wird in Blecheimern abgefüllt und luftdicht verschlossen.
Tabelle 1:
| Charakteristische Kenndaten der Kleb/Dichtstoffe aus den Beispielen 1 und 2 |
| Kennwerte | Beispiel 1 | Beispiel 2 |
| pH-Wert | 8-9 | 8-9 |
| Feststoffgehalt (105 C°, 2 Std.) | 80 % | 75 % |
| Trockenzeit, 2 mm (20 C°, 60 % rel. Luftfeuchte) | 24 h | 25 h |
| Haftfestigkeit (auf Dachpappe, 2 mm) | 1,5 MPa | 2 MPa |
| Wasserundurchlässigkeit (1 m WS) | + | + |
| Rissüberbrückung | 1,5 mm | 1,0 mm |