Смола в качестве связующего для минеральных волокон, связующее, способ получения смолы, применение смолы и продукт на основе минерального волокна

Использование: получение связующих для минеральных волокон. Сущность: описывается получение смолы, использующейся в качестве связующего, подходящего для минеральных волокон, таких как стекловата или каменная вата, содержащая продукт взаимодействия амина с первым ангидридом и вторым ангидридом. При этом первый и второй ангидриды являются разными циклическими ангидридами, причем первый циклической ангидрид представляет собой алифатический ангидрид, а второй циклической ангидрид представляет собой ароматический ангидрид. Также заявлены связующее на основе вышеуказанной смолы и продукт, отвержденный данным связующим. Технический результат: получение связующего для минеральных волокон, отвечающего более высоким экологическим требованиям. 5 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Область техники

Изобретение относится к соединению или его солям, подходящим для применения в качестве связующего для минеральных волокон, т.е. искусственных стеклообразных волокон (MMVF), например стеклошлаковаты или каменной ваты, т.е. минеральной ваты, в частности Rockwool, к композиции связующего, содержащей такое соединение, способу получения указанных соединения и композиции, продукту на основе минерального волокна, полученному с таким связующим, и к применению указанных соединения и композиции в качестве связующего для минеральных волокон.

Фенолоформальдегидные смолы, применяемые в основном в качестве связующих для стекловаты и каменной ваты, во время отверждения выделяют токсичные вещества, например формальдегид.

Во время применения и отверждения связующих, после введения их в минеральные волокна выделяются фенол, формальдегид и аммиак. Это нежелательно с точки зрения окружающей среды.

Кроме того, во время нанесения связующего на штапельное стекловолокно или минеральные волокна, главным образом, путем распыления теряется большое количество связующего, которое почти невозможно регенерировать для повторного использования.

Смолы, не содержащие формальдегида и фенола, подходящие в качестве связующего для ваты из минеральных волокон, описываются заявителем в заявке на патент PCT/NL99/00029.

Согласно своему первому аспекту настоящее изобретение относится к смоле в качестве связующего, подходящего для минеральных волокон, таких как стекловата или каменная вата.

Авторы изобретения обнаружили, что смола, полученная при одновременном смешивании разных циклических ангидридов, предпочтительно алифатического ангидрида и ароматического ангидрида, с амином в смеси, не содержащей полимера, представляет собой смолу, подходящую в качестве связующего для минеральной ваты с подходящим временем отверждения.

Алифатический ангидрид выбирается из группы, состоящей из тетрагидрофталевого ангидрида, гексагидрофталевого ангидрида, метилтетрагидрофталевого ангидрида, янтарного ангидрида, ангидрида циклогександикарбоновой кислоты, малеинового ангидрида, глутарового ангидрида и их смесей.

Ароматический ангидрид выбирают из группы, состоящей из фталевого ангидрида, тримеллитового ангидрида, пиромеллитового диангидрида, метилфталевого ангидрида и их смесей.

Амин представляет собой N-замещенный бета-гидроксиалкиламин, который выбирают из группы, состоящей из диэтаноламина, 1-метилэтилэтаноламина, н-бутилэтаноламина, 1-метилэтилизопропаноламина, 3-амино-1,2-пропандиола, 2-амино-1,3-пропандиола, трис(гидроксиметил)-аминометана, предпочтительно диэтаноламина. При этом концентрация алифатического ангидрида превышает концентрацию ароматического ангидрида.

Авторы изобретения предполагают, что повышенная скорость отверждения может быть связана не только с комбинированным применением циклических ангидридов, но также с достижением рН до величины 2,5-4,2 за счет использования ароматических карбоновых кислот. Такие карбоновые кислоты имеют большую кислотность, чем алифатические кислоты. Тримеллитовый ангидрид имеет даже еще более высокую кислотность из-за наличия группы, оттягивающей электроны.

Согласно своему другому аспекту настоящее изобретение относится к связующему для минеральных волокон, таких как стекловата или каменная вата.

Связующее дополнительно содержит ускоритель и одну или несколько добавок для смолы, таких как аминопропилсилоксан для повышения адгезии к стеклу, термо- и УФ-стабилизаторы, поверхностно-активные вещества, наполнители, такие как глина, силикаты, сульфат магния, и пигменты, такие как оксид титана, агенты, придающие гидрофобность, такие как соединения фтора, масла, минералы и силиконовые масла. При этом ускоритель выбирают из группы, состоящей из фосфината натрия, фосфиновой кислоты, лимонной кислоты, адипиновой кислоты и β-гидроксиалкиламида.

Добавки выбирают из группы, состоящей из моно-, ди- и полисахаридов, таких как сахароза, сироп глюкозы, модифицированный крахмал, дициандиамид крахмалмочевины, полигликолей, акриловых соединений, фурфураля, карбоксиметилцеллюлозы и целлюлозы или поливинилового спирта.

Согласно другому аспекту настоящее изобретение относится к продукту на основе минерального волокна с использованием связующего.

Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение относится к способу получения не содержащей полимера смолы в качестве связующего для продуктов на основе минеральных волокон.

Данный способ заключается во взаимодействии смеси амина, не содержащей полимера, с первым ангидридом и сто вторым ангидридом, отличающимися друг от друга, причем указанные ангидриды представляют собой предпочтительно циклический алифатический ангидрид и циклический ароматический ангидрид соответственно.

Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение относится к применению вышеуказанной смолы в связующем для минерального волокна.

Далее изобретение будет поясняться с помощью соответствующих примеров.

Получают три композиции связующего, молярные соотношения в которых указаны в таблице, в которые добавляют различные ускорители (см. колонку 3 в таблице).

Пример 1

Связующее 1

Используют стеклянный реактор с двойной рубашкой, нагреваемый горячей водой, снабженный магнитной мешалкой и обратньм холодильником.

В реактор загружают 158 г диэтаноламина (DEA) и 100 г воды и нагревают до 70°С.

Затем добавляют 228 г тетрагидрофталевого ангидрида (ТНРА) и поднимают температуру до 90°С. При этом получают молярное соотношение DEA:THPA=1:1.

Время взаимодействия до охлаждения смолы составляет 120 минут.

Таким же способом получают другую смолу с молярным соотношением DEA (158 г): ТНРА (365 г)=1:1,4.

Получают раствор связующего, разбавляя смолу водой до содержания твердых веществ примерно 40%. Когда используют ускорители, их добавляют к раствору связующего, подготовленному для испытаний.

Связующее 2

Используют те же оборудование и процедуру, какие использовали в случае связующего 1, за исключением того, что к смеси, когда растворится весь ТНРА, добавляют фталевый ангидрид (РТА).

Получают 3 смолы с различным молярным соотношением соединений.

Молярные соотношения следующие:

DEA (158 г): ТНРА (228 г): РТА (89 г)=1:1:0,4;

DEA (158 г):ТНРА (183 г):РТА (133 г)=1:0,8:0,6;

DEA (158 г):ТНРА (137 г):РТА (178 г)=1:0,6:0,8.

Получают раствор связующего, разбавляя смолу водой до содержания твердых веществ примерно 40%. Когда используют ускорители, их добавляют к раствору связующего, подготовленному для испытаний.

Связующее 3

Используют те же оборудование и процедуру, какие использовали в случае связующего 1, за исключением того, что к смеси, когда растворится весь ТНРА, добавляют тримеллитовый ангидрид (ТМА).

Получают 4 смолы с различным молярным соотношением соединений.

Молярные соотношения следующие:

DEA (158 г):ТНРА (297 г):ТМА (29 г)=1:1,3:0,1;

DEA (158 г):ТНРА (274 г):ТМА (58 г)=1:1,2:0.2;

DEA (158 г):ТНРА (228 г):ТМА (115 г)=1:1:0,4;

DEA (158 г):ТНРА (183 г):ТМА (173 г)=1:0,8:0,6.

Получают раствор связующего, разбавляя смолу водой до содержания твердых веществ примерно 40%. Когда используют ускорители, их добавляют к раствору связующего, подготовленному для испытаний.

Пример 2

Определяют характеристики отверждения связующих 1-4, и результаты определения приводятся в таблице. Результаты показывают время реакции при определенной температуре, измеренное как время, необходимое для получения "отсутствия текучести" у связующего, и выражены как "время течения".

Процедура

На тонкое "покровное стекло микроскопа" помещают 3 капли раствора связующего и сушат в термостате при 90°С в течение 45 минут.

Измеряют "время течения", помещая предварительно высушенное "покровное стекло микроскопа" на металлическую плиту, предварительно нагретую до 200°С (используют нагревательный стол Stock-Tronic Preziterm).

Используют очень тонкий шпатель или что-либо подобное для перемешивания связующего. Когда связующее становится довольно вязким и прилипает к шпателю, отмечают время как "время течения".

Получают 5 образцов, и на основании вышеописанного опыта можно оценить, сколько можно выжидать до начала перемешивания, чтобы избежать охлаждения за счет перемешивания.

Средние результаты для 2 последних образцов принимают за "время течения".

Вывод

Добавление ароматических ангидридов, таких как РТА и ТМА, уменьшает "время течения" с коэффициентом 2.

Ускорители, такие как лимонная кислота, фосфиновая кислота или фосфинат натрия, уменьшают "время течения" с коэффициентом 2, когда в качестве ангидрида используют только один ТНРА. Ускорители не уменьшают "время течения", когда в композиции используют ароматические ангидриды. Они сами действуют как ускорители.

Пример 3. Сравнение устойчивости при хранении смолы, полученной при 90°С и при 70°С

Предпочтительной температурой взаимодействия при использовании композиций, содержащих до 30% (мас./мас.) воды от массы ангидрида, является температура от 90 до 100°С. Воду смешивают с диэтаноламином перед добавлением ангидрида.

При использовании более низкой температуры при хранении свыше 2 недель может произойти осаждение при содержании твердых веществ более 75%.

Если смолу сразу разбавить до содержания твердых веществ ниже 60%, осаждения не наблюдают.

С точки зрения хранения и транспортировки выгодно, чтобы содержание твердых веществ было настолько высоким, насколько возможно.

Пример 4. Реактор периодического действия

Начинают охлаждение обратного стока.

В реактор подают насосом 40 кг расплавленного диэтаноламина (60°С).

Включают мешалку, добавляют 24 кг деминерализованной воды и повышают температуру до 70°С.

Добавляют по частям приблизительно в течение 15 минут 80 кг тетрагидрофталевого ангидрида, не допуская повышения температуры выше 95°С. При необходимости реактор охлаждают.

После того, как весь ангидрид растворится, поддерживают температуру в 90-95°С в течение 15 минут.

Через 15 минут смолу охлаждают до комнатной температуры. Смола содержит приблизительно 80% твердых веществ при определении при 200°С.

Пример 5. Реактор непрерывного действия

Используют трубчатый реактор из нержавеющей стали с двойной рубашкой со стационарным смесителем на входе. Температуру в реакторе регулируют путем охлаждения или нагревания воды.

В трубчатый реактор подают насосом диэтаноламин при 60°С и водную суспензию тетрагидрофталевого ангидрида и перемешивают при прохождении стационарного смесителя. Температуру повышают и доводят до 90-95°С. Из отдельных емкостей подают насосом диэтаноламин и водную суспензию тетрагидрофталевого ангидрида в предварительно установленном соотношении для композиции смолы.

Поток компонентов регулируют таким образом, что он реагирует приблизительно 20 минут после того, как реакционная смесь проходит стационарный смеситель, и покидает реактор. Объем трубчатого реактора 33 литра.

Расход составляет приблизительно 100 кг в час или 20 кг диэтаноламина и 80 кг суспензии, содержащей 40 кг тетрагидрофталевого ангидрида в 40 кг воды, в час.

Когда реакционная смесь выходит из трубчатого реактора, ее можно разбавить водой до содержания твердых вещество 30%, охладить до комнатной температуры, и смесь готова для применения.

"По ходу" связующего после реактора в него могут быть внесены другие добавки, такие как силановый аппрет, ускорители отверждения, гидрофильный или гидрофобный агент и т.п..

Изобретение не ограничивается приведенными выше примерами описания изобретения.

1. Смола в качестве связующего, подходящего для минеральных волокон, таких, как стекловата или каменная вата, содержащая продукт взаимодействия амина с первым ангидридом и вторым ангидридом, отличающаяся тем, что первый и второй ангидриды являются разными циклическими ангидридами, причем первый циклической ангидрид представляет собой алифатический ангидрид, а второй циклической ангидрид представляет собой ароматический ангидрид.

2. Смола по п. 1, отличающаяся тем, что содержит продукт реакции амина с циклическими первым и вторым ангидридом с рН от 2,5 до 4,2.

3. Смола по п. 1, отличающаяся тем, что алифатический ангидрид выбран из группы, состоящей из тетрагидрофталевого ангидрида, гексагидрофталевого ангидрида, метилтетрагидрофталевого ангидрида, янтарного ангидрида, ангидрида циклогександикарбоновой (nadic) кислоты, малеинового ангидрида, глутарового ангидрида и их смесей.

4. Смола по п. 1, отличающаяся тем, что ароматический ангидрид выбран из группы, состоящей из фталевого ангидрида, тримеллитового ангидрида, пиромеллитового диангидрида, метилфталевого ангидрида и их смесей.

5. Смола по п. 1, отличающаяся тем, что амин, представляющий собой N-замещенный бета-гидроксиалкиламин, выбирают из группы, состоящей из диэтаноламина, 1-моноэтилэтаноламина, н-бутилэтаноламина, 1-моноэтилизопропаноламина, 3-амино-1,2-пропандиола, 2-амино-1,3-пропандиола, трис(гидроксиметил)-аминометана, и предпочтительно из диэтаноламина.

6. Смола по пп. 3 и 4, отличающаяся тем, что концентрация алифатического ангидрида превышает концентрацию ароматического ангидрида.

7. Связующее для минеральных волокон, таких, как стекловата или каменная вата, содержащее смолу по любому из пп.1-6.

8. Связующее по п.7, отличающееся тем, что дополнительно содержит ускоритель и одну или несколько добавок для смолы, таких, как аминопропилсилоксан, для повышения адгезии к стеклу, термо- и УФ-стабилизаторы, поверхностно-активные вещества, наполнители, такие, как глина, силикаты, сульфат магния, и пигменты, такие, как оксид титана, агенты, придающие гидрофобность, такие, как соединения фтора, масла, минералы и силиконовые масла.

9. Связующее по п.8, отличающееся тем, что ускоритель выбирают из группы, состоящей из фосфината натрия, фосфиновой кислоты, лимонной кислоты, адипиновой кислоты и β-гидроксиалкиламида.

10. Связующее по п.8 или 9, отличающееся тем, что добавки выбирают из группы, состоящей из моно-, ди- и полисахаридов, таких, как сахароза, сироп глюкозы, модифицированный крахмал, дициандиамид крахмал мочевины, полигликолей, акриловых соединений, фурфураля, карбоксиметилцеллюлозы и целлюлозы или поливинилового спирта.

11. Способ получения смолы, используемой в качестве связующего, подходящего для минеральных волокон, включающий стадию смешения в условиях взаимодействия амина с первым ангидридом и со вторым ангидридом, отличающийся тем, что первый и второй ангидриды представляют собой разные циклические ангидриды, первый циклический ангидрид представляет собой алифатический ангидрид и второй циклический ангидрид представляет собой ароматический ангидрид.

12. Применение смолы, заявленной в пп. 1-6, для связывания минеральных волокон, таких, как стекловата или каменная вата.

13. Продукт на основе минерального волокна, в частности продукт на основе минеральной ваты, связанный отвержденным связующим, заявленным в пп.7-10.