Композиты на основе силиката щелочного металла и полиизоцианата

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.

 

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
СВОЙСТВАКомпозит из примера 1 (сравнит.)Композит из примера 2
Модуль (10-50% предел текучести), фунт/кв.дюйм6215058700
Предел текучести, фунт/кв. дюйм33003460
% деформации при текучести, %8,58,5
Предел при макс. нагрузке, фунт/кв.дюйм60006150
Процент деформации при макс. нагрузке22,520,1

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.

1. Способ получения композитов на основе силиката щелочного металла и полиизоцианата, включающий:

a) смешение катализатора с полиизоцианатом с образованием первого компонента;

b) смешение силиката щелочного металла с водой с образованием второго компонента и

c) смешение первого и второго компонентов с образованием реакционной смеси, которая взаимодействует с образованием отвержденного композита.

2. Способ по п.1, в котором катализатор содержит 2,2'-диморфолиндиэтилэфир.

3. Способ по п.1, в котором силикат щелочного металла содержит силикат натрия.

4. Способ по п.3, в котором силикат натрия имеет массовое отношение SiO2:Na2O от примерно 1,6 до примерно 3,32.

5. Способ по п.3, в котором силикат натрия имеет массовое отношение SiO2:Na2O от примерно 2,0 до примерно 3,0.

6. Способ по п.1, в котором полиизоцианат содержит полимерный дифенилметандиизоцианат с функциональностью более чем примерно два.

7. Способ по п.1, в котором экзотерма реакционной смеси является ниже примерно 100°С.

8. Способ получения композитов на основе силиката щелочного металла и полиизоцианата, где катализатор не выделяется из реакционной смеси, включающий:

a) смешение катализатора с полиизоцианатом с образованием первого компонента;

b) смешение силиката щелочного металла с водой с образованием второго компонента и

c) смешение первого и второго компонентов с образованием реакционной смеси, которая взаимодействует с образованием отвержденного композита.

9. Способ по п.8, в котором катализатор содержит 2,2'-диморфолиндиэтилэфир.

10. Способ по п.8, в котором силикат щелочного металла содержит силикат натрия.

11. Способ по п.10, в котором силикат натрия имеет массовое отношение SiO2:Na2O от примерно 1,6 до примерно 3,22.

12. Способ по п.10, в котором силикат натрия имеет массовое отношение SiO2:Na2O от примерно 2,0 до примерно 3,0.

13. Способ по п.8, в котором полиизоцианат содержит полимерный дифенилметандиизоцианат с функциональностью более чем примерно два.

14. Способ по п.8, в котором экзотерма реакционной смеси является ниже примерно 100°С.

15. Способ укрепления и изоляции различных типов конструкций в горном деле, проходке туннелей и родственных строительных работах, включающий:

а) смешение катализатора с полиизоцианатом с образованием первого компонента;

b) смешение силиката щелочного металла с водой с образованием второго компонента;

c) смешение первого и второго компонентов с образованием реакционной смеси и

d) введение реакционной смеси в конструкцию и обеспечение взаимодействия реакционной смеси с образованием отвержденного композита.

16. Способ по п.15, в котором катализатор содержит 2,2'-диморфолиндиэтилэфир.

17. Способ по п.15, в котором силикат щелочного металла содержит силикат натрия.

18. Способ по п.17, в котором силикат натрия имеет массовое отношение SiO2:Na2O от примерно 1,6 до примерно 3,22.

19. Способ по п.17, в котором силикат натрия имеет массовое отношение SiO2:Na2O от примерно 2,0 до примерно 3,0.

20. Способ по п.15, в котором полиизоцианат содержит полимерный дифенилметандиизоцианат с функциональностью более чем примерно два.

21. Способ по п.15, в котором экзотерма реакционной смеси является ниже примерно 100°С.

22. Композит на основе силиката щелочного металла и полиизоцианата, который получен:

a) смешением катализатора с полиизоцианатом с образованием первого компонента;

b) смешением силиката щелочного металла с водой с образованием второго компонента и

c) смешением первого и второго компонентов с образованием реакционной смеси, которая взаимодействует с образованием отвержденного композита.

23. Композит по п.22, в котором катализатор содержит 2,2'-диморфолиндиэтилэфир.

24. Композит по п.22, в котором силикат щелочного металла содержит силикат натрия.

25. Композит по п.24, в котором силикат натрия имеет массовое отношение SiO2:Na2O от примерно 1,6 до примерно 3,32.

26. Композит по п.24, в котором силикат натрия имеет массовое отношение SiO2:Na2O от примерно 2,0 до примерно 3,0.

27. Композит по п.22, в котором полиизоцианат содержит полимерный дифенилметандиизоцианат с функциональностью более чем примерно два.

28. Способ по п.22, в котором экзотерма реакционной смеси является ниже примерно 100°С.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к получению жестких пенополиуретанов. .

Изобретение относится к резиновой промышленности и предназначено для установки между деталями и узлами двигателей внутреннего сгорания. .

Изобретение относится к области технологии эпоксидных композиций, в частности к получению быстроотверждающих эпоксидных композиций горячего формования, используемых в качестве связующего для производства композиционных материалов и изделий из них, например армированных пластиков, в том числе пултрузионным методом.
Изобретение относится к способу получения формованных пластмассовых изделий на основе ненасыщенных полиэфиров, а точнее к способу изготовления санитарных приборов гигиенического назначения для стационарных и транспортных объектов: умывальников, раковин, унитазов, ванн, душевых поддонов, писсуаров и биде, имеющих высокое эстетическое качество.

Изобретение относится к композиционным материалам на основе термореактивных связующих и волокнистого наполнителя, предназначенных для изготовления деталей, способных работать в условиях ударных нагрузок и повышенных температур.

Препрег // 1237470

Изобретение относится к области получения эластичных фосфорборсодержащих полиуретанов, которые могут быть использованы в качестве клеев, лаков, конструкционных материалов с пониженной горючестью и высокими физико-механическими свойствами.

Изобретение относится к композиции для покрытия, включающей не менее одного соединения с изоцианатными функциональными группами, содержащего не менее двух изоцианатных групп, не менее одного соединения, реакционно-способного по отношению к изоцианату, содержащего не менее двух групп, реакционно-способных по отношению к изоцианату, которые выбираются из меркаптогрупп, гидроксильных групп или комбинаций этих групп, и сокатализатор, состоящий из фосфина и акцептора Михаэля, причём количество катализатора составляет от 0,05 до 20 мас.

Изобретение относится к способу получения термопластичных полиуретанов (ТПУ) и может быть использовано в химической и нефтехимической отраслях промышленности. .

Изобретение относится к термопластичным пластмассам, в частности - к полиуретану и содержащим его композициям для склеивания и уплотнения. .
Наверх