Композиты на основе силиката щелочного металла и полиизоцианата - RU2275389C2
Код документа: RU2275389C2
Описание
Область техники, к которой относится изобретение.
Данное изобретение относится к композитам на основе силиката щелочного металла и полиизоцианата и, в частности, к способу получения композитов на основе силиката щелочного металла и полиизоцианата, который осуществляется без выделения катализатора.
Предпосылки создания изобретения.
Композиты на основе силиката щелочного металла и полиизоцианата часто используются в горном деле, проходке туннелей и родственных строительных работах для укрепления и изоляции различных типов конструкций. Традиционный способ получения композитов на основе силиката щелочного металла и полиизоцианата включает смешение первого компонента, который обычно содержит силикат щелочного металла, воду и катализатор, со вторым компонентом, который обычно содержит полиизоцианат. После того как первый и второй компоненты смешиваются вместе, протекает реакция с образованием отвержденного композита в соответствии со следующей реакционной схемой:
(I) При смешении начинается реакция, когда часть полиизоцианата взаимодействует с водой с получением полимочевины и газообразного диоксида углерода.
(II) Затем образованный на месте диоксид углерода взаимодействует мгновенно с А2O частью силиката щелочного металла с получением А2СО3хН2О (где А представляет щелочной металл), тогда как Si2O часть силиката щелочного металла взаимодействует с образованием поликремниевой кислоты.
(III) Так как протекает реакция, выделяется тепло, и оставшийся полиизоцианат тримеризуется.
К сожалению, традиционный способ, описанный выше, имеет один главный недостаток. В частности, высокая плотность силиката щелочного металла стремится вызвать выделение катализатора из смеси силикат щелочного металла-вода-катализатор. Для минимизации выделения катализатора смесь может быть смешана непосредственно перед использованием. Однако это может быть трудно сделать в ограниченных пространствах, где указанная смесь часто используется. К тому же, поскольку выделение катализатора снижает активность катализатора, трудно определить, как много катализатора требуется ввести в реакционную смесь. Для преодоления данной проблемы поверхностно-активное вещество может быть введено в компонент силикат щелочного металла-вода-катализатор с удержанием катализатора в растворе. Однако введение поверхностно-активного вещества имеет тенденцию вызывать чрезмерное вспенивание в реакционной системе, снижая поэтому физические свойства получаемого композита.
Хотя выделение катализатора является превалирующей проблемой, связанной с получением композитов на основе силиката щелочного металла и полиизоцианата, некоторые другие факторы должны приниматься во внимание при получении таких композитов. Например, катализатор, используемый в получении композита, не должен вносить вклад в образование избыточного количества диоксида углерода. Образование избыточного количества диоксида углерода имеет тенденцию вызывать вспенивание, снижая поэтому физические свойства получаемого композита. Кроме того, поскольку композиты на основе силиката щелочного металла и полиизоцианата часто получают и используют в ограниченных пространствах, экзотерма реакции, предпочтительно, не должна превышать примерно 100°С. По аналогичной причине также предпочтительно, чтобы реакция протекала без выделения неприятного запаха.
Поэтому имеется необходимость в способе получения композитов на основе силиката щелочного металла и полиизоцианата, который осуществляется без выделения катализатора, избыточного вспенивания, высоких изотерм или выделения неприятного запаха.
Краткое описание изобретения.
Соответственно, настоящее изобретение предусматривает способ получения композитов на основе силиката щелочного металла и полиизоцианата, который осуществляется без выделения катализатора, избыточного вспенивания, высоких изотерм или выделения неприятного запаха. Для преодоления недостатков прототипа настоящее изобретение использует новый подход введения катализатора в полиизоцианатный компонент вместо введения катализатора в компонент на основе силиката щелочного металла и воды. Введение катализатора в полиизоцианатный компонент предотвращает выделение катализаторов из реакционной смеси.
Более конкретно, способ настоящего изобретения включает смешение катализатора и полиизоцианата с образованием первого компонента и смешение силиката щелочного металла и воды с образованием второго компонента. После смешения первый и второй компоненты затем смешивают вместе с образованием реакционной смеси, которая взаимодействует с образованием отвержденного композита.
Кроме того, настоящее изобретение также предусматривает композиты на основе силиката щелочного металла и полиизоцианата, которые получают смешением катализатора и полиизоцианата с образованием первого компонента и смешением силиката щелочного металла и воды с образованием второго компонента. После смешения первый и второй компоненты затем смешивают вместе с образованием реакционной смеси, которая взаимодействует с образованием отвержденного композита.
Кроме того, настоящее изобретение также включает способ укрепления и изоляции различных типов конструкций в горном деле, проходке туннелей и родственных строительных работах. Данный способ включает смешение катализатора и полиизоцианата с образованием первого компонента и смешение силиката щелочного металла и воды с образованием второго компонента. После смешения первый и второй компоненты затем смешивают вместе с образованием реакционной смеси. Указанную реакционную смесь затем вводят в конструкцию и позволяют взаимодействовать с образованием отвержденного композита, который укрепляет и/или изолирует конструкцию.
На чертеже представлен график, показывающий изменение температур реакционных систем как функции от времени.
Подробное описание предпочтительного варианта.
В одном варианте настоящее изобретение предусматривает способ получения композитов на основе силиката щелочного металла и полиизоцианата. Данный способ включает смешение катализатора и полиизоцианата с образованием первого компонента и смешение силиката щелочного металла и воды с образованием второго компонента. Первый и второй компоненты затем смешивают вместе с образованием реакционной смеси, которая взаимодействует с образованием отвержденного композита. Преимущественно способ настоящего изобретения осуществляется без выделения катализатора.
В другом варианте настоящее изобретение предусматривает композиты на основе силиката щелочного металла и полиизоцианата, которые получают смешением катализатора и полиизоцианата с образованием первого компонента и смешением силиката щелочного металла и воды с образованием второго компонента. После смешения первый и второй компоненты затем смешивают вместе с образованием реакционной смеси, которая взаимодействует с образованием отвержденного композита.
В еще одном варианте настоящего изобретения композиты, полученные согласно настоящему изобретению, могут быть использованы для укрепления и/или изоляции различных типов конструкций в горном деле, проходке туннелей и родственных строительных работах. В данном варианте катализатор и полиизоцианат смешивают с образованием первого компонента, и силикат щелочного металла и воду смешивают с образованием второго компонента. После смешения первый и второй компоненты затем смешивают вместе с образованием реакционной смеси. Указанную реакционную смесь затем вводят в конструкцию и позволяют взаимодействовать с образованием отвержденного композита, который укрепляет и/или изолирует конструкцию.
Катализатор, используемый в настоящем изобретении, может содержать любое число традиционно доступных катализаторов, которые являются стабильными в полиизоцианатах и способствуют взаимодействию полиизоцианатного компонента с компонентом силиката щелочного металла и воды. Предпочтительно, катализатор содержит аминный катализатор, который имеет относительно низкую активность, не вызывает экзотерму реакции, превышающую примерно 100°С, не вносит вклад в получение сильного запаха или не обуславливает получение избыточного количества диоксида углерода. Более предпочтительно, катализатор содержит DMDEE (2,2'-диморфолиндиэтилэфир) торговой марки JEFFCAT® (коммерчески доступный от фирмы The Huntsman Corporation, Хьюстон, Техас). Преимущественно DMDEE JEFFCAT® является стабильным в полиизоцианатах, способствует взаимодействию полиизоцианатного компонента с компонентом силиката щелочного металла и воды, не вызывает избыточного вспенивания, высоких экзотерм или выделения неприятного запаха.
Полиизоцианат, используемый в настоящем изобретении, может содержать любое число полиизоцианатов, включая (но не ограничиваясь этим) толуолдиизоцианаты (TDI), дифенилметандиизоцианат (MDI) - тип изоцианатов и форполимеры указанных изоцианатов. Предпочтительно, полиизоцианатный компонент имеет, по меньшей мере, два ароматических кольца в своей структуре и является жидким продуктом. Полимерные изоцианаты, имеющие функциональность примерно два, являются предпочтительными. Более предпочтительно, полиизоцианатный компонент содержит продукт торговой марки Rubinate® M - полимерный дифенилметандиизоцианат (коммерчески доступный от фирмы Huntsman ICI Chemicals, LLC, Гейсмар, Луизиана).
Силикат щелочного металла, используемый в настоящем изобретении, содержит любое число силикатов щелочного металла, включая (но не ограничиваясь этим) силикат натрия и силикат калия. Предпочтительно, силикат щелочного металла содержит силикат натрия с массовым соотношением SiO2:Na2O от примерно 1,60 до примерно 3,32. Более предпочтительно, силикат натрия имеет массовое соотношение SiO2:Na2O от примерно 2,0 до примерно 3,0.
Следующие примеры иллюстрируют настоящее изобретение и не предназначены для ограничения объема изобретения.
Пример 1 (сравнительный).
62,7 г силиката натрия М (коммерчески доступного от фирмы PQ Corporation, Валей Форж, Пенсильвания) с массовым соотношением SiO2/Na2O=2,58, 49,3 Be', 2,31 г воды и 0,90 г DMP-30 торговой марки DABCO (коммерчески доступного от фирмы Air Products and Chemicals, Inc., Аллентаун, Пенсильвания) смешивают в бумажном стаканчике. Затем 46,05 г Rubinate® M быстро добавляют к смеси силикат натрия-вода-катализатор, когда смесь перемешивают с подавителем языков. Смесь затем выливают в цилиндрический пластиковый сосуд и продолжают перемешивание. После того как материал разогревается из-за выделения тепла, смесь оставляют охлаждаться до комнатной температуры. Затем пластиковый сосуд отделяют от полученного твердого композита.
Твердый композит затем помещают в камеру влажности на три дня. Через три дня композит раздавливают на испытательной установке Инстрон с определением его физических свойств.
Пример 2.
62,7 г силиката натрия М и 2,31 г воды смешивают в бумажном стаканчике. 46,05 г Rubinate® М и 0,56 г DMDEE JEFFCAT® смешивают во втором бумажном стаканчике. Компонент изоцианат-катализатор затем быстро добавляют к компоненту силикат натрия-вода и реакционные компоненты смешивают с подавителем языков. Реакционные компоненты затем переносят в цилиндрический пластиковый сосуд и продолжают перемешивание. После того как материал разогревается из-за выделения тепла, смесь оставляют охлаждаться до комнатной температуры. В процессе получения композита выделение катализатора не наблюдается. Кроме того, избыточное получение диоксида углерода и выделение сильного запаха также не наблюдается. Затем пластиковый сосуд отделяют от полученного твердого композита. Твердый композит затем помещают в камеру влажности на три дня. Через три дня композит раздавливают на испытательной установке Инстрон с определением его физических свойств.
Результаты испытаний композитов на установке Инстрон, полученных в примерах 1 и 2, обобщены в таблице 1.
Таблица 1 показывает, что физические свойства композита, полученного согласно настоящему изобретению (пример 2), являются сравнимыми с физическими свойствами композита, полученного в соответствии с традиционными способами, известными в технике (пример 1). Данный результат показывает, что введение катализатора в полиизоцианат не ухудшает физические свойства получаемого композита.
Пример 3.
Для того чтобы контролировать температуру реакционных систем, описанных в примерах 1 и 2, для каждой реакционной системы получают дополнительный образец композита с использованием тех же способов, рассмотренных выше, за исключением того, что используется только одна треть каждого из реакционных компонентов. Температуру реакционных систем контролируют термопарой, начиная со времени смешения и кончая вскоре после того, как реакционные системы разогреваются в результате выделения тепла. Температурные данные затем выстраивают графически с показом изменения температуры для каждой из реакционных систем (см. чертеж).
Чертеж показывает, что изменение температуры реакционной системы, полученной согласно настоящему изобретению (пример 2), является сравнимым с изменением температуры реакционной системы, полученной в соответствии с традиционными способами, известными. в технике (пример 1). Данный результат показывает, что введение катализатора в полиизоцианат не ухудшает протекание реакции и не дает нежелательно высокие экзотермы. Изменение температуры для реакционной системы согласно настоящему изобретению (пример 2) показывает, что экзотерма реакции является ниже 100°С.
Хотя иллюстративные варианты показаны и описаны, широкий ряд модификаций, изменений и замены предполагается в вышеуказанном описании. В некоторых случаях некоторые характеристики рассмотренных вариантов могут быть использованы без соответствующего использования других характеристик. Следовательно, соответственно, прилагаемая формула изобретения построена широко и в соответствии с объемом изобретения.
Реферат
Изобретение относится к композитам на основе силиката щелочного металла и полиизоцианта и, в частности, к способу получения композитов на основе силиката щелочного металла и полиизоцианта, происходящему без выделения катализатора. Описывается способ получения указанных композитов, включающий стадии: а) смешения катализатора с полиизоцианатом, б) смешение силиката щелочного металла с водой и в) смешение компонентов а) и б) с образованием реакционной смеси, взаимодействующей с образованием отвержденного композита. В качестве катализатора в указанном способе используется 2, 2'-диморфолиндиэтилэфир, а соотношение SiO2: Na2O составляет от примерно 1,6 до примерно 3,32, более предпочтительно от примерно 2,0 до примерно 3,0. Также описывается способ укрепления конструкций в горном деле при проходке туннелей и родственных работах и композит, полученный указанным способом. Изобретение позволяет получить композиты с пределом текучести 3460 фунт/кв. дюйм, деформацией при текучести на уровне 8,5%, пределом при максимальной нагрузке 6150 фунт/кв. дюйм. 4 н. и 24 з.п. ф-лы, 1 табл.
