Состав для укрепления грунтов
Владельцы патента RU 2492204:
Иванов Михаил Георгиевич (RU)
Ломакин Сергей Валентинович (RU)
Изобретение относится к двухкомпонентному составу для укрепления грунтов нагнетанием. Состав включает изоцианатный и гидроксильный компоненты в равных объемах. В качестве изоцианатного компонента состав содержит полифениленполиметиленполиизоцианат с содержанием 30-31% NCO-групп. В качестве гидроксильного компонента состав содержит однородную смесь алкоксилированного алкандиола или триола с молекулярной массой 370-600 или их смеси, алкандиола или алкоксилированного алкандиола молекулярной массы 60-200 и катализатора уретанообразования. Катализатор уретанообразования выбирают из группы, включающей диазабициклооктан, дибутилдилауринат олова, диметилэтаноламин, метилдиэтаноламин. Состав обладает низкой вязкостью и отсутствием склонности к расслаиванию при сохранении низкой температуры реакции и ограниченного вспенивания. 2 табл., 20 пр.
Изобретение относится к составам, используемым в качестве связующих для укрепления грунтов, и может быть использовано в строительстве и горном деле.
Известны различные связующие, используемые для укрепления грунтов, на базе карбамидоформальдегидных смол (SU 790718, C08G 12/12, 1994; RU 2270840, C08G 12/12, 2006), акриловых олигомеров и полимеров (JP 62-22882, C08F 290/00, 1987; RU 2348792, E21B 33/38, C09K 8/508, 2009), полиуретановых композиций (JP 2001-152155, C08G 18/10, 2001).
Наиболее близким к предложенному является известный двухкомпонентный состав для укрепления грунтов нагнетанием, включающий изоцианатный и гидроксильный компоненты, который в качестве изоцианатного компонента содержит форполимер метилендифенилдиизоцианата, содержащий 18-24% NCO-групп, преимущественно полученный взаимодействием метилендифенилдиизоцианата с линейными двухатомными спиртами (гликолями), а в качестве гидроксильного компонента - многоатомные спирты, преимущественно содержащие не менее 3 гидроксильных групп в молекуле, причем один из компонентов содержит пеногаситель, состоящий из неионных ПАВ и неомыляемых веществ (RU 2346958, C08G 18/10, C08G 18/28, C08G 18/48, C09J 175/06, 2009). В качестве достоинств состава указаны: низкая температура реакции (менее 130°C), короткое время полимеризации, ограниченное вспенивание (не более, чем 5-кратное увеличение объема).
Недостатками известного состава являются высокая вязкость используемого изоцианатного компонента, даже в присутствии разжижителей (около 800 мПа·с), а также склонность гидроксильного компонента к расслаиванию, обусловленная тем, что он включает как высокомолекулярные (М≈3000), так и низкомолекулярные (М=280-450) полиэфирполиолы, обладающие ограниченной взаимной растворимостью. При использовании состава эти обстоятельства затрудняют его равномерное распределение в грунте, что снижает эффективность использования.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении эффективности укрепления грунтов с использованием для этой цели полимерных композиций.
Техническим результатом, получаемым при осуществлении изобретения, является получение состава с низкой вязкостью и отсутствием склонности к расслаиванию при сохранении низкой температуры реакции и ограниченного вспенивания.
Для достижения указанного результата предложен двухкомпонентный состав для укрепления грунтов нагнетанием, включающий изоцианатный и гидроксильный компоненты в равных объемах, отличающийся тем, что в качестве изоцианатного компонента он содержит полифениленполиметиленполиизоцианат с содержанием 30-31% NCO-групп, а в качестве гидроксильного компонента - однородную смесь алкоксилированного алкандиола или -триола с молекулярной массой 370-600 или их смеси, алкандиола или алкоксилированного алкандиола молекулярной массы 60-200 и катализатора уретанообразования, выбранного из группы, включающей диазабициклооктан, дибутилдилауринат олова, диметилэтаноламин, метилдиэтаноламин. при следующем соотношении ингредиентов в составе гидроксильного компонента (мас.ч.):
| алкандиол или алкоксилированный алкандиол | |
| молекулярной массы 60-200 | 100 |
| алкоксилированный алкандиол или -триол | |
| молекулярной массы 370-600 или их смесь | 75-860 |
| катализатор уретанообразования | 0,1-0,4 |
Неожиданно было обнаружено, что состав для укрепления грунтов, отвечающий всем необходимым требованиям к составам такого назначения и обладающий полезными свойствами, создающими его преимущества перед известными составами, может быть получен на базе легко доступного сырья.
Изоцианатный компонент предложенного состава - выпускаемый в больших промышленных масштабах полифениленполиметиленполиизоцианат с содержанием 30-31% NCO-групп, известный также под общеупотребительным названием «полимерный МДИ», - обладает гораздо более низкой вязкостью (150-250 мПа·с), чем изоцианатный компонент известного состава.
Гидроксильный компонент состава состоит из трех ингредиентов. Первым из этих ингредиентов является диол молекулярной массы 60-200, которым может быть алкандиол, например, этилен- или пропиленгликоль, или низкомолекулярный алкандиол полученный алкоксилированием (этоксилированием или пропоксилированием) этих гликолей. Алкоксилированные гликоли (смеси диолов с различным числом алкоксильных звеньев) в практике часто именуют полиэтилен- или полипропиленгликолями с обозначением средней молекулярной массы.
Вторым ингредиентом является алкоксилированный алкандиол или -триол молекулярной массы 370-600 или их смесь. Алкоксилированный алкандиол в составе второго ингредиента имеет ту же природу, что и в составе первого, но большее число алкоксильных звеньев и, соответственно, большее значение молекулярной массы. Алкоксилированным алкантриолом может быть, например, этоксилированный или пропоксилировнный глицерин.
Катализатор уретанообразования, который всегда вводят в состав гидроксильных компонентов, применяемых для получения полиуретановых пен, выбран из числа применяемых для этой цели катализаторов - диазабициклооктан (ДАБКО), дибутил-дилауринат олова (ДБДЛО), диметилэтаноламин (ДМЭА), метилдиэтаноламин (МДЭА).
Сочетание указанных ингредиентов позволяет создать гидроксильный компонент, который совершенно не склонен к расслаиванию, легко распределяется в укрепляемом грунте и достаточно эффективно реагирует с выбранным изоцианатным компонентом, создавая быстро затвердевающий полиуретановый полимер достаточной прочности. При этом температура, развивающаяся при реакции компонентов, остается достаточно низкой - далекой, например, от температуры воспламенения угля (300-325°C), что обеспечивает безопасность применения состава при укреплении грунта в угольных разработках.
Сущность изобретения иллюстрируется приведенными ниже примерами. Примеры 1-10 иллюстрируют получение и свойства гидроксильного компонента, примеры 11-20 -получение и свойства полиуретанового полимера.
Примеры 1-10. В колбу при комнатной температуре помещают алкоксилированный алкандиол или -триол молекулярной массы 370-600 или их смесь и алкандиол или алкоксилированный алкандиол молекулярной массы не более 200. Ингредиенты перемешивают механической мешалкой до полной гомогенизации. Затем добавляют катализатор уретанообразования. Раствор перемешивают в течение 30 мин, определяют плотность, вязкость и гидроксильное число, а затем используют в качестве гидроксильного компонента состава для укрепления грунта. Данные о составе и свойствах полученного гидроксильного компонента приведены в таблице 1.
Примеры 11-20. Данные о процессе взаимодействия компонентов предложенного состава и свойствах получаемого полиуретанового полимера определяют в модельных экспериментах. В пластмассовый стакан помещают равные объемы полифениленполиметилен-полиизоцианата (содержание NCO-групп 30-31%) и гидроксильного компонента, полученного в одном из примеров 1-10. Компоненты перемешивают быстроходной механической мешалкой и отмечают время схватывания (по образованию твердой корки на поверхности массы). После полного затвердевания полученный блок распиливают и определяют твердость по Шору (шкала D) и кажущуюся плотность, на основании которой рассчитывают фактор вспенивания. Результаты экспериментов приведены в таблице 2.
| Таблица 1 | |||||||||
| Получение гидроксильного компонента | |||||||||
| Пример | Загрузка | Плотность, г/см3 | Гидроксильное число, мг KOH/г | Вязкость, мПа·с | |||||
| Диол М=60-200 | Полиэфирполиол М=400-600 | Катализатор | |||||||
| тип | мас.ч. | тип | мас.ч. | тип | мас.ч. | ||||
| 1 | ЭГ | 100 | ПЭГ 400 | 860 | ДАБКО | 0,1 | 1,12 | 440 | 95 |
| 2 | ДЭГ | 100 | ПЭГ 400 | 390 | ДАБКО | 0,1 | 1,12 | 440 | 95 |
| 3 | ТЭГ | 100 | ПЭГ 400 | 195 | ДБДЛО | 0,1 | 1,12 | 440 | 85 |
| 4 | ПЭГ 200 | 100 | ПЭГ 400 | 78 | ДАБКО | 0,2 | 1,12 | 440 | 100 |
| 5 | ТЭГ | 100 | ПЭГ 600 | 125 | ДМЭА | 0,2 | 1,12 | 440 | 95 |
| 6 | ТЭГ | 100 | Лапрол 502 М | 117 | ДАБКО | 0,2 | 1,01 | 440 | 90 |
| 7 | тэг | 100 | Пропол 400 | 182 | ДАБКО | 0,2 | 0,97 | 440 | 80 |
| 8 | ДЭГ | 100 | ПЭГ 400 | 390 | МДЭА | 0,4 | 1,12 | 440 | 95 |
| 9 | ДЭГ | 100 | ПЭГ 400 | 383 | ДАБКО | 0,2 | 1,10 | 440 | 120 |
| Лапрол 373 | 161 | ||||||||
| 10 | ДЭГ | 100 | Лапрол 503Б | 646 | ДАБКО | 0,2 | 1,05 | 440 | 200 |
| Обозначения: | |||||||||
| ЭГ - этиленгликоль | Лапрол 502 М - полипропиленгликоль М=500 | ||||||||
| ДЭГ - диэтиленгликоль | Пропол 400 - полипропиленгликоль М=400 | ||||||||
| ТЭГ - триэтиленгликоль | Лапрол 373 - полипропилентриол М=370 | ||||||||
| ПЭГ 200 - полиэтиленгликоль М=200 | ДАБКО - диазабициклооктан | ||||||||
| ПЭГ 400 - полиэтиленгликоль М=400 | ДБДЛО - дибутилдилауринат олова | ||||||||
| ПЭГ 600 - полиэтиленгликоль М=600 | ДМЭА - диметилэтаноламин | ||||||||
| Лапрол 503 Б - полипропилентриол М=500 | МДЭА - метилдиэтаноламин |
| Таблица 2 | |||||||
| Получение полиуретанового полимера | |||||||
| Пример | Гидроксильный компонент по примеру | NCO:OH, г-экв/г-экв | Время схватывания, с | Температура реакции, °C | Кажущаяся плотность пены, г/см3 | Фактор вспенивания | Твердость по Шору, шкала D |
| 11 | 1 | 1,05 | 45 | 125 | 1,02 | 1,2 | 80 |
| 12 | 2 | 1,05 | 35 | 130 | 1,07 | 1,1 | 75 |
| 13 | 3 | 1,05 | 30 | 130 | 1,00 | 1.2 | 75 |
| 14 | 4 | 1,05 | 27 | 130 | 1,03 | 1,1 | 70 |
| 15 | 5 | 1,1 | 55 | 116 | 1,18 | 1,0 | 82 |
| 16 | 6 | 1,0 | 45 | 123 | 1,10 | 1,1 | 80 |
| 17 | 7 | 1,05 | 45 | 123 | 1,07 | 1,1 | 80 |
| 18 | 8 | 1,05 | 40 | 125 | 1,17 | 1,0 | 82 |
| 19 | 9 | 1,05 | 40 | 125 | 0,91 | 1,3 | 70 |
| 20 | 10 | 1,05 | 40 | 120 | 0,95 | 1,2 | 75 |
Двухкомпонентный состав для укрепления грунтов нагнетанием, включающий изоцианатный и гидроксильный компоненты в равных объемах, отличающийся тем, что в качестве изоцианатного компонента он содержит полифениленполиметиленполиизоцианат с содержанием 30-31% NCO-групп, а в качестве гидроксильного компонента - однородную смесь алкоксилированного алкандиола или -триола с молекулярной массой 370-600 или их смеси, алкандиола или алкоксилированного алкандиола молекулярной массы 60-200 и катализатора уретанообразования, выбранного из группы, включающей диазабициклооктан, дибутилдилауринат олова, диметилэтаноламин, метилдиэтаноламин, при следующем соотношении ингредиентов в составе гидроксильного компонента, мас.ч.:
алкандиол или алкоксилированный алкандиол
| молекулярной массы 60-200 | 100 |
| алкоксилированный алкандиол или -триол | |
| молекулярной массы 370-600 или их смесь | 75-860 |
| катализатор уретанообразования | 0,1-0,4. |
