СОСТАВ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ПЫЛЯЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Российский патент 1999 года по МПК E21F5/06 C09K3/22 

Изобретение относится к области защиты окружающей среды в железорудной, угольной, строительной, энергетической отраслях промышленности и может быть использовано для закрепления эрозионно опасных пылящих поверхностей полиминерального состава в хвостохранилищах, золоотвалах, на отвалах горных пород, а также на радиоактивно загрязненных территориях.

Известен органический состав для закрепления пылящих поверхностей по заявке 93011503/03 [1] в виде 2-10% водного раствора смыленного таллового пека. Последний, уже будучи нанесенным на поверхность, обрабатывают минеральной или органической кислотой.

Недостатками используемого состава являются внесение в структуру обрабатываемой поверхности тяжелой ароматики, что оказывает отрицательное экологическое воздействие, а также коррозия транспортных средств и механизмов в процессе эксплуатации.

Известен состав для закрепления пылящих поверхностей, включающий в качестве органического связующего мочевино- формальдегидную смолу, а в качестве отвердителя - водный раствор неорганической кислоты [2].

Недостатками этого состава являются выделение экологически опасного формальдегида в процессе формирования и эксплуатации полимерной пленки, плохая смачиваемость по отношению к железосодержащим минералам, коррозия транспортных средств и механизмов, вследствие высокой концентрации неорганической кислоты в растворе.

Наиболее близким к предлагаемому составу по своим технико- экономическим показателям и технической сущности и выбранным в качестве прототипа является состав для закрепления пылящих поверхностей, включающий органическое вяжущее в виде сополимера метакрилата щелочного металла и метилметакрилата, а также воду [3].

Указанный состав при положительных экологических качествах имеет слабую смачиваемость поверхностей минеральных частиц, неудовлетворительное поверхностное натяжение и прочность пленки, вследствие чего под влиянием атмосферных факторов (солнечная радиация, ветровая эрозия, осадки) защитная полимерная пленка разрушается.

Задачей изобретения является создание экологически безопасного состава для закрепления пылящих поверхностей полиминеральных систем, по своим технико-экономическим показателям соответствующего или превышающего современный технический уровень и состоящего из доступных по стоимости компонентов, производимых отечественными предприятиями.

Решение указанной задачи, а также достижение таких технических результатов, как повышение прочности, устойчивости к ветровой эрозии, долговечности, стало возможным благодаря тому, что в известном составе, включающем воду и органическое вяжущее, последнее представлено смесью акриловой дисперсии, сополимера винилацетата с эфирами высших карбоновых кислот и олигомера полиэтилена, в состав включены также поверхностно-активные вещества (например, алкилсульфат) и загуститель оксиэтилцеллюлоза при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Акриловая дисперсия 50-60% - 1-28
Сополимер винилацетата с виниловыми эфирами карбоновых кислот - 2-10
Олигомер полиэтилена - 1-5
Поверхностно-активное вещество алкилсульфат - 0,8-1,8
Загуститель оксиэтилцеллюлоза - 0,2-0,8
Вода - Остальное
Введение в состав органического вяжущего сополимера винилацетата с виниловыми эфирами высших карбоновых кислот, обладающего способностью к структурообразованию, повышает прочность и эластичность пленки, что в конечном итоге увеличивает ее долговечность.

Сочетание структурообразующей способности сополимера винилацетата со структурообразующей способностью оксиэтилцеллюлозы значительно улучшают структуру состава, а затем и самой пленки за счет образования устойчивых связей между акрилатными олигомерами дисперсии и сополимером винилацетата с эфирами высших карбоновых кислот. Стабилизации этих связей способствует также такое качество оксиэтилцеллюлозы, как способность к гелеобразованию, загущению суспензии, что препятствует расслоению состава в процессе хранения. Образованная на этом этапе структура под влиянием воды (например, атмосферных осадков) способна к набуханию и, соответственно, разрушению. С целью предотвращения набухания полимерной пленки в процессе эксплуатации, вследствие воздействия атмосферных осадков, в состав вводят эмульсию олигомера полиэтилена.

Последняя, обладая отчетливо выраженными гидрофобными свойствами, препятствует проникновению влаги во внутреннюю структуру пленки, ограничивая влияние осадков внешней поверхностью полимерной пленки, что позволяет значительно продлить срок службы покрытия.

Возникновение связей между минеральными частицами и органическими связующими обеспечивают путем введения в состав ПАВ, например, алкилсульфатов, что приводит к снижению межфазного натяжения на границе раздела "полимер - полиминеральная система", а это, в свою очередь, позволяет создать устойчивые связи с поверхностью частиц в достаточной толще закрепляемой полиминеральной системы (обычно это составляет 3-4 см).

Таким образом, применение заявляемого состава в предложенных количественных соотношениях приводит к усилению положительного действия каждого из названных компонентов, т.е. возникает синергический эффект.

При этом требование экологичности удовлетворяется за счет того, что в состав введены компоненты, относящиеся к экологически безопасным и соответствующим IV классу опасности по содержанию в воде питьевого и хозяйственно-бытового назначения и в атмосферном воздухе населенных мест.

Для проведения испытаний нанесение покрытия осуществляют в лабораторных условиях путем распыления на полиминеральную систему, помещенную в лотки размером 20х20х4 см при комнатной температуре. Расход состава задают 20-40 мл на площадь 0,04 м², что соответствует расходу 12-25 г/м². После нанесения покрытия пленке дают сформироваться и затвердеть. В качестве полиминеральной системы выбраны "хвосты" Михайловского ГОКа (кварциты 36-64%; карбонаты 18-26%; магнетит 6-12%) со следующим химическим составом (SiO₂ - 56,2-64,0%; Fe₂O₃ - 5,0-8,0%; FeO - 4,0-7,0%; CaO - 1,2-1,8%; Al₂O₃ - 1,0-1,9%).

Процесс отверждения проходил при комнатной температуре в три стадии: первая стадия заключается в удалении основной части воды и образовании промежуточного геля, вторая стадия включает синерезис промежуточного геля, завершение полного удаления воды и деформацию полимерных частиц. На третьей стадии идет процесс пленкообразования, заключающийся в ликвидации физических границ между полимерными частицами. Он зависит от погодных условий. Этот процесс завершается через несколько суток формированием пленки с уже установившимися свойствами.

Качество состава оценивают величиной краевого угла смачивания, значением поверхностного натяжения, потерей в весе и прочностью образцов на сжатие.

Краевой угол смачивания определяют проекционным методом, поверхностное натяжение - методом наибольшего давления газов в пузырьках.

Для испытания готовят растворы с различным содержанием компонентов, характеризующие минимальное, среднее и максимальное значение органической компоненты в составе (см. таблицу).

Эрозионную устойчивость оценивают величиной потери в весе обработанной полиминеральной системы через интервал времени твердения пленки 4-6 часов. Схватывание оценивается визуально.

После отверждения на лоток направляют поток воздуха с помощью вентилятора в течение 50 часов (10 дней по 5 часов). Потерю в весе менее 10% принимают как удовлетворительную.

Прочность обработанной составом полиминеральной системы определяют на образцах размером 4х4х4 см, приготовленных вышеприведенным способом. Через интервал времени 4,6 и 12 часов определяют прочность образцов на сжатие. Результаты испытаний для составов с различными концентрациями компонентов приведены в таблице. Для сравнения испытания проведены на полиминеральной системе, обработанной составом по прототипу.

Пример 1.

Минимальное содержание органической компоненты в предложенном составе составляет 8,5 мас.%.

При соблюдении вышеприведенной методики получено покрытие из состава следующего соотношения компонентов, мас.%;
акриловая дисперсия 50% - 1,0
сополимер винилацетата с виниловыми эфирами карбоновых кислот - 5,0
олигомер полиэтилена - 1,0
оксиэтилцеллюлоза - 0,6
алкилсульфат - 1,4
вода - остальное
Полученный состав имеет следующие показатели:
поверхностное натяжение, мН/m - 60,8
краевой угол смачивания, град - 32
начало схватывания, ч (мин) - 0,167 (10)
конец схватывания, ч - 1,5
Полученное покрытие имеет следующие показатели:
прочность, кгс/см² - 3,6
устойчивость к ветровой эрозии, % - 6,3
Пример 2.

Содержание органической компоненты в составе составляет 15 мас.%. При соблюдении вышеприведенной методики получено и испытано покрытие из состава следующего соотношения компонентов, мас.%:
акриловая дисперсия (50%) - 10,0
сополимер винилацетата с виниловыми эфирами карбоновых кислот - 5,0
олигомер полиэтилена - 3,0
оксиэтилцеллюлоза - 0,6
алкилсульфат - 1,4
вода - остальное
Полученный состав имеет следующие показатели:
поверхностное натяжение мН/m - 70,0
краевой угол смачивания, град - 23
начало схватывания, ч (мин) - 0,167 (10)
конец схватывания, ч - 1,3
Полученное покрытие имеет следующие показатели:
прочность, кгс/см² - 8,6
устойчивость к ветровой эрозии, % - 5,4
Пример 3.

Содержание органической компоненты в составе составляет 16 мас.%. При соблюдении вышеприведенной методики получено и испытано покрытие из состава следующего соотношения компонентов, мас.%.

акриловая дисперсия (50%) - 20,0
сополимер винилацетата с виниловыми эфирами карбоновых кислот - 2,0
олигомер полиэтилена - 1,4
оксиэтилцеллюлоза - 0,8
алкилсульфат - 1,8
вода - остальное
Полученный состав имеет следующие показатели:
поверхностное натяжение, мН/m - 68,4
краевой угол смачивания, град - 23
начало схватывания, ч (мин) - 0,15 (9)
конец схватывания, ч - 1,3
Полученное покрытие имеет следующие показатели:
прочность, кгс/см² - 9,2
устойчивость к ветровой эрозии, % - 5,2
Пример 4.

Содержание (максимальное) органической компоненты в составе составляет 18,5 мас. % при содержании акриловой дисперсии (50%) 5,0 мас.%. При соблюдении вышеуказанной методики получено и испытано покрытие из состава следующего соотношения компонентов, мас.%
акриловая дисперсия (50%) - 5,0
сополимер винилацетата с виниловыми эфирами карбоновых кислот - 10,0
олигомер полиэтилена - 5,0
оксиэтилцеллюлоза - 0,2
алкилсульфат - 0,8
вода - остальное
Полученный состав имеет следующие показатели:
поверхностное натяжение, мН/m - 64,2
краевой угол смачивания, град - 27,0
начало схватывания, ч (мин) - 0,1-0,3 (8)
конец схватывания, ч - 1
Полученное покрытие имеет следующие показатели:
прочность, кгс/см² - 6,2
устойчивость к ветровой эрозии, % - 5,7
Пример 5.

Максимальное количественное содержание органической компоненты в составе составляет 20 мас.% при содержании акриловой дисперсии (50%) 28,0 мас.%.

При соблюдении вышеприведенной методики получено и испытано покрытие из состава следующего соотношения компонентов, мас.%:
акриловая дисперсия (50%) - 28,0
сополимер винилацетата с виниловыми эфирами карбоновых кислот - 2,0
олигомер полиэтилена - 1,4
оксиэтилцеллюлоза - 0,8
алкилсульфат - 1,8
вода - остальное
Полученный состав имеет следующие показатели:
поверхностное натяжение, мН/m - 67,6
краевой угол смачивания, град - 23,0
начало схватывания, ч (мин) - 0,13 (8)
конец схватывания, ч - 1
Полученное покрытие имеет следующие показатели:
прочность, кгс/см² - 9,6
устойчивость к ветровой эрозии, % - 5,1
Пример 6.

Прототип:
содержание органической компоненты в составе по прототипу составляет 20 мас.%.

Полученный состав имеет следующие показатели:
поверхностное натяжение, мН/m - 65,4
краевой угол смачивания, град - 28,4
начало схватывания, ч (мин) - 0,23(14)
конец схватывания, ч - 2
Полученное покрытие имеет следующие показатели:
прочность, кгс/см² - 7,5
устойчивость к ветровой эрозии, % - 9,5
Основные результаты, полученные в примерах 1-6, сведены в таблицу (см. в конце описания) "Физико-механические показатели состава и отвержденной пленки".

Для всех примеров визуально определяли время схватывания (начало и конец). Опыты показали, что в среднем время начала схватывания сократилось с 13-15 мин для прототипа до 8-10 мин для предложенных составов; время конца схватывания сократилось с 2-х часов для прототипа до 1,5 часа - для исследуемых составов.

Приготовленная эмульсия обладает хорошими характеристиками по устойчивости, не расслаивается при транспортировке и хранении, хорошо разбавляется водой при употреблении. Полученное при использовании предложенного состава пленочное покрытие по своим технико- экономическим показателям соответствует мировому и отечественному уровням и обладает новизной, что повышает конкурентоспособность предлагаемого состава. Благодаря выбранному сочетанию компонентов усиливается эффект каждого из них и возникает новое качество - повышение устойчивости покрытия к действию атмосферных факторов за счет, с одной стороны, хорошей адгезии состава к обрабатываемой полиминеральной системе и проникновения его на достаточную глубину (3-4 см) и, с другой стороны, устойчивой внутренней структуры и формирования низкопроницаемой полиэтиленовой пленки, предотвращающей проникновение влаги во внутреннюю структуру.

Прочность пленочного покрытия повышается с 7,5 кгс/см² до 8,6-9,2 кгс/см². Устойчивость к ветровой эрозии возросла в 1,8 раза: потеря в весе для полиминерального образца, обработанного прототипом, составляет 9-10 %, обработанного предлагаемым составом до 5,2%; долговечность покрытия увеличилась до 18 месяцев по сравнению с 12-14 месяцами по прототипу, т. е. в среднем в 1,3-1,5 раза. Расход на единицу защищаемой поверхности близок к прототипу и составляет 12-15 г/м². Стоимость покрытия при увеличении его качественных показателей не превышает стоимости покрытия по прототипу и составляет 8-12 руб/м².

Разработанный состав расширяет номенклатуру отечественных экологических составов для закрепления пылящих поверхностей. Экологичность состава достигнута за счет качественного подбора составляющих компонентов, представленных веществами IV класса опасности. Состав не вызывает коррозии технологического оборудования в течение всего технологического процесса и обеспечивает экологически безопасные условия для персонала во время приготовления и нанесения защитного покрытия.

Библиографические данные:
1. Заявка РФ N 93011503/03, 6 МПК E 21 F 5/06 "Способ закрепления пылящих поверхностей" 10.01.96 БИ N 1.

2. А. С. СССР N 1030565, 3 МКИ E 21 F 5/06 " Состав для закрепления пылящих поверхностей", 23.07.83 БИ N 27.

3. А. С. СССР N 1190067, 4 МКИ E 21 F 5/06, "Состав для закрепления пылящих поверхностей" 07.11.85.БИ N 41 (прототип).

Изобретение относится к области защиты окружающей среды в железорудной, угольной, строительной, энергетической отраслях промышленности и может быть использовано для закрепления эрозионно опасных пылящих поверхностей полиминерального состава, в хвостохранилищах, золоотвалах, на отвалах горных пород, а также на радиоактивно загрязненных территориях. Состав содержит: акриловую дисперсию (50-60%) 1-28%, сополимер ацетата с виниловыми эфирами карбоновых кислот 2-10%, олигомер полиэтилена 1-5%, загуститель оксиэтилцеллюлоза 0,2-0,8%, поверхностно-активное вещество алкилсульфат 0,8-1,8%, вода остальное. Технический результат: создание экологически безопасного состава для закрепления пылящих полиминеральных систем, повышение прочности, устойчивости к ветровой эрозии, долговечности. 1 табл.

Состав для закрепления пылящих поверхностей, содержащий воду и органическое вяжущее, отличающийся тем, что в качестве органического вяжущего используют смесь акриловой дисперсии, сополимера винилацетата с виниловыми эфирами карбоновых кислот и олигомера полиэтилена, а также состав дополнительно содержит загуститель в виде оксиэтилцеллюлозы и поверхностно-активное вещество алкилсульфат при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Акриловая дисперсия (50-60%) - 1-28
Сополимер винилацетата с виниловыми эфирами карбоновых кислот - 2-10
Олигомер полиэтилена - 1-5
Загуститель оксиэтилцеллюлоза - 0,2-0,8
Поверхностно-активное вещество алкилсульфат - 0,8-1,8
Вода - Остальное