Показать метаданные Скрыть метаданные

(19)

(11)

2 275 389

(13)

(51)

МПК

C08G18/38(2006-01-01)

C08G18/30(2006-01-01)

C08J5/10(2006-01-01)

(21) (22)

Заявка

2003107046/04, 2001-08-15

(24)

Дата начала отсчета патента

2001-08-15

(22)

дата подачи заявки

2001-08-15

(45)

опубликовано

2006-04-27

(72)

авторы

Григсби Роберт Эллисон Мл.

(73)

патентообладатели

Хантсмэн Петрокемикал Корпорейшн

(56)

Документы, цитированные в отчете о поиске

US 4146509 A, 27.03.1979US 4669919 A, 02.06.1987

КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ СИЛИКАТА ЩЕЛОЧНОГО МЕТАЛЛА И ПОЛИИЗОЦИАНАТА Российский патент 2006 года по МПК C08G18/38 C08G18/30 C08J5/10

Описание патента на изобретение RU2275389C2

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 1СВОЙСТВАКомпозит из примера 1 (сравнит.)Композит из примера 2Модуль (10-50% предел текучести), фунт/кв.дюйм6215058700Предел текучести, фунт/кв. дюйм33003460% деформации при текучести, %8,58,5Предел при макс. нагрузке, фунт/кв.дюйм60006150Процент 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.

Реферат патента 2006 года 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.

Формула изобретения RU 2 275 389 C2

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

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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2006 года RU2275389C2

ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫЕ ПРОДУКТЫ, СПОСОБ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ	1993	Харальд Боде	RU2135526C1
Способ обнаружения дефектов в изделиях из магнитного материала	1938	Слиозберг М.М.	SU56145A1
US 4146509 A, 27.03.1979
US 4669919 A, 02.06.1987
Способ получения пеноматериалов	1976	Петер Маркуш Дитер Дитерих Манфред Дитрих	SU850009A3
Способ укрепления и уплотнения угольных массивов, горных пород, грунта в горных выработках, а также стен тоннелей и строительных конструкций	1985	Карл-Хайнц Хильтерхаус Ханс Норкус	SU1493116A3

RU 2 275 389 C2

Авторы

Григсби Роберт Эллисон Мл.

Даты

2006-04-27—Публикация

2001-08-15—Подача

название	год	авторы	номер документа
ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫЕ ПРОДУКТЫ, СПОСОБ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ	1993	Харальд Боде	RU2135526C1
СЭНДВИЧ-ПАНЕЛЬ	2004	Гаудеус Эрик Спасис Милан Д. Гурке Торстен	RU2341546C2
СМЕСИ, ПОЛУЧАЕМЫЕ ПУТЕМ РЕАКЦИИ ПОЛИОЛА И АНГИДРИДА, И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ПОЛИИЗОЦИАНАТАХ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИИЗОЦИАНУРАТОВ	2009	Блейз Герхард Йозеф Дерлюйн Йохан Роберт Дево Жюльен Хюйгенс Эрик Вербеке Ханс	RU2506279C2
ГЕОПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИТ ДЛЯ БЕТОНА УЛЬТРАВЫСОКОГО КАЧЕСТВА	2011	Гонг Веилианг Лутз Вернер Пегг Ян	RU2599742C2
ПОЛУЧЕННЫЕ ИЗ ТРИГИДРАТА ОКСИДА АЛЮМИНИЯ КОМПОЗИТЫ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ С БОЛЬШИМ ОБЪЕМОМ ПОР И БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДЬЮ ПОВЕРХНОСТИ, СПОСОБЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ	2000	Люссьер Роже Жан Уоллэйс Майкл Дэвид	RU2259232C2
ГЕОПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ СВЯЗУЩИЕ С ЗАДАННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ДЛЯ ЦЕМЕНТА И БЕТОНА	2010	Гон Вэйлян Лутце Вернер Пег Ян	RU2517729C2
ПОЛИИЗОЦИАНУРАТСОДЕРЖАЩИЕ ПЕНОМАТЕРИАЛЫ С ДЛИТЕЛЬНЫМ ПЕРИОДОМ МЕЖДУ СМЕШЕНИЕМ КОМПОНЕНТОВ И ПЕРЕХОДОМ В СМЕТАНООБРАЗНУЮ МАССУ И СПОСОБНОСТЬЮ К МГНОВЕННОМУ ОТВЕРЖДЕНИЮ	2018	Жоншере, Томас, Жюльен Бернардини, Якопо Геме, Жилль, Жан Ванденбрук, Ян	RU2780087C2
ПОЛИУРЕТАНОВАЯ СИСТЕМА С ДЛИТЕЛЬНЫМ ВРЕМЕНЕМ ОБРАБОТКИ И БЫСТРЫМ ОТВЕРЖДЕНИЕМ	2014	Гешель Юлиа Шютте Маркус Элинг Беренд	RU2667525C9
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАПОЛНЕННОГО ПЕНОПОЛИУРЕТАНА ДЛЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ	1998	Яковенко Д.Ф. Зотов Б.П. Золотухин В.А.	RU2123013C1
КЛЕЕВЫЕ КОМПОЗИЦИИ, РЕАКЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ КОМПОЗИТОВ	2008	Мориарти Кристофер Дж. Сингх Саччида Нанд Коулмен Пол Д.	RU2470977C2