Перекрестные ссылки на родственные заявки
Область изобретения
Описаны модифицированные углеводсодержащие связующие композиции с загущающими агентами. Связующие композиции полезны для склеивания вместе волокон, таких как стекловолокна, в способах получения содержащих связующий материал волоконных композитов, таких как стеклянные маты.
Уровень техники
В течение десятилетий композиции связующих на основе мочевиноформальдегидных смол (МФ) применяли для получения матов из стекловолокна для строительных материалов, включая изоляционные, напольные, обшивочные, облицовочные и кровельные плитки. МФ-связующие были предпочтительны для этих материалов из-за их низкой стоимости и приемлемых свойств прочности. Для таких материалов, как кровельные плитки, МФ в связующих композициях часто смешивали с более гибкими латексными полимерами, такими как поливинилацетат, винилакриловые и/или стиролбутадиеновые полимеры. Латексы в связующих компонентах придавали плиткам повышенную прочность на растяжение и прочность на разрыв, а так же улучшали их свойства влагостойкости.
Совсем недавно строительная промышленность отошла от применения связующих композиций на основе формальдегида. Формальдегид считается вероятным канцерогеном для человека, а также раздражителем и аллергеном, и его применение в связующих композициях для строительных изделий, текстиля, обивки и других материалов становится все более и более ограниченным. Таким образом, производители строительных материалов вели разработки альтернативных связующих композиций, которые не содержат формальдегида.
Одна альтернативная связующая система, которая привлекла значительное внимание, включает полимеризацию углеводов (т.е. сахаров) с аминовыми соединениями для получения связующего, которое нерастворимо в воде и хорошо адгезируется на стекловолокне. В дополнение к тому, что они не содержат формальдегида, эти связующие композиции на базе углеводов могут быть получены из возобновляемых выращиваемых источников природных сахаров вместо невозобновляемых нефтяных источников сырья.
Связующие композиции на основе углеводов применяли в качестве связующего материала изоляционных стекловолоконных матов для домов и построек. Этот тип изоляции, как правило, получают путем вытягивания расплавленных потоков стекла в волокна случайной длины, выдувания его в камере волокноосаждения и неупорядоченного осаждения на движущуюся под камерой конвейерную ленту. Связующая композиция на углеводной основе распыляется на волокна по мере того, как они движутся по конвейерной ленте. Связующий материал, как правило, сушат и отверждают путем пропускания потока воздуха над покрытыми связующим компонентом волокнами, которые все еще являются горячими сразу после образования.
Относительно низкая вязкость связующих композиций на углеводной основе не представляла собой проблему при получении изоляционных стекловолоконных плит дутьевым способом, когда композиции распыляют в относительно низких концентрациях, и они быстро высушиваются и отверждаются. Однако низкая вязкость этих связующих композиций создает много затруднений при получении стекловолоконных матов, когда слишком много текучего связующего материала может мигрировать к низу мата, оставляя на волокнах в верхней части слишком малое покрытия связующим компонентом.
Водные связующие композиции на основе углеводов, как правило, разбавляют в значительных количествах воды при распылении на стекловолоконный мат, таким образом, одним подходом к увеличению их вязкости является концентрирование углеводных и аминовых предшественников в меньшем количестве воды. Однако этот подход создает значительные проблемы для регулирования процесса получения матов. Как правило, применяют связующий материал с содержанием твердых частиц менее 20 вес. %, чтобы достичь потерь при прокаливании (ППП) 15-25 вес. % стекловолоконного мата. Значительное увеличение в весовом % содержании твердых частиц в связующем материале приводит к трудностям регулирования массы мата и особенно ППП. Кроме того, более высокое весовое % содержание твердых частиц в некоторых случаях может приводить к неоднородности покрытия мата. Таким образом, существует необходимость в новых подходах для увеличения вязкости этих связующих композиций. Таким образом, существует необходимость в новых подходах для увеличения вязкости связующих композиций на углеводной основе. Эти и другие проблемы исследованы в настоящей заявке.
Сущность настоящего изобретения
Описаны углеводные связующие композиции с модифицированной реологией, которые включают углеводы, азотсодержащий сшивающий агент и загущающий агент. Как правило, углеводные связующие композиции согласно рассматриваемому в настоящий момент изобретению содержат углеводы, азотсодержащий сшивающий агент и загущающий агент в общей сумме, по меньшей мере, 75% по массе. Эти связующие композиции могут быть применены в качестве не содержащих формальдегид связующих материалов для получения матов из стекловолокна, которые входят в состав множества продуктов, включая, среди прочих материалов, строительные материалы (например, упрочненные стекловолокном кровельные плиты; облицовочные изоляционные панели, офисные разделительные стенки; подложки для полов и/или ковров; и т.д.), разделители батарей и материалы для фильтрации воздуха, воды и масла.
Загущающий агент (или загуститель) применяют для увеличения вязкости связующих композиций до уровня, при котором композиция более равномерно распределяется между верхними и нижними частями стекловолоконных матов. Когда вязкость связующей композиции слишком мала (например, менее 3 сантипуазов (сПз) по измерению на вискозиметре Брукфилда с вращением шпинделя 18 со скоростью 60 оборотов в минуту и при 20°C), жидкий связующий материал имеет тенденцию мигрировать слишком быстро к нижней части мата и оставляет верхнюю часть без соответствующего покрытия связующим материалом. Несоответствующее покрытие связующего материала в верхней части может иметь ряд вредных эффектов в итоговом мате, включая сниженную прочность слоев и общую прочность на растяжение.
Загущающие агенты по настоящему изобретению добавляют в таких количествах, которые увеличивают полную вязкость связующих композиций до 7-50 сПз по измерению на вискозиметре Брукфилда с вращением шпинделя 18 со скоростью 60 оборотов в минуту (скорость сдвига ~79,2 с-1) при комнатной температуре (т.е. 20°C). Эти загущающие агенты могут включать, среди прочего, модифицированные целлюлозы и полисахариды.
Варианты осуществления настоящего изобретения включают углеводные связующие композиции, включающие углевод, азотсодержащее соединение и загущающий агент. Связующие композиции могут обладать вязкостью по Брукфилду (шпиндель 18 при 60 оборотах в минуту) 7-50 сантипуазов при 20°C.
Варианты осуществления настоящего изобретения могут дополнительно включать способ получения нетканого стекловолоконного мата. Способы могут включать стадию формирования водной дисперсии волокон. Дисперсию можно пропускать через мат-образующее сито для получения влажного мата. Углеводная связующая композиция может быть применена к влажному мату, чтобы получить влажный мат, содержащий связующий материал, и влажный мат, содержащий связующий материал может быть отвержден для получения нетканого стекловолоконного мата. Углеводная связующая композиция включает углевод, азотсодержащее соединение и загущающий агент, и где углеводная связующая композиция имеет вязкость по Брукфилду (шпиндель 18 при 60 оборотах в минуту) 7-50 сантипуазов при 20°C.
Другие типовые способы получения нетканого стекловолоконного мата включают получение шлама стекловолокна путем добавления волокна к оборотной воде в измельчителе. Оборотная вода диспергирует волокно в шламе, который может иметь концентрацию волокон приблизительно 0,2-1,0 вес. %. Шлам может быть измерен в потоке оборотной воды, и измеренная смесь может осаждаться на двигающуюся проволочную сетку для удаления воды и получения влажного нетканого волокнистого мата. Влажный нетканый мат из стекловолокна затем может быть перенесен на вторую движущуюся сетку и подвержен стадии нанесения связующего материала до насыщения, в которой углеводная связующая композиция, обладающая вязкостью по Брукфилду (шпиндель 18 при 60 оборотах в минуту) 7-50 сантипуазов при 20°C, может быть применена к мату. За этим может следовать откачивание излишков связующего материала и высушивание несвязанного влажного мата и отверждение (полимеризация) связующего материала, которое связывает вместе волокна в мате.
Углеводная связующая композиция может быть применена многими способами, включая покрытие, наносимое наливом, погружение и отжим и распыление. Влажный мат может быть высушен и отвержден в сушильном шкафу при температуре вулканизации связующего материала (например, 250-500°F). Длительности сушки и отверждения могут колебаться от секунд (например, 2-10 секунд) до минут (например, 1-2 минуты).
Альтернативные способы получения матов также могут быть применены, такие как цилиндрическое формирование и «сухое наслаивание» с прочесыванием или случайным распределением волокон. Аспекты этих способов описаны в патентах США номеров 4112174; 4681802; и 4810576, все содержание которых включено в настоящее описание посредством ссылки во всей полноте.
Варианты осуществления настоящего изобретения могут все еще дополнительно включать маты из стекловолокна, содержащие стекловолокно и связующий материал. Связующий материал отверждает продукты из углеводных связующих композиций, которые включают углевод, азотсодержащее соединение и загущающий агент. Углеводная связующая композиция имеет вязкость по Брукфилду (шпиндель 18 при 60 оборотах в минуту) 7-50 сантипуазов при 20°C применении к стекловолокну стекловолоконного мата.
Дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения и особенности сформулированы частично в следующем далее описании, и частично будут очевидны специалистам в области техники после изучения настоящей спецификации или могут быть изучены путем практики настоящего изобретения. Особенности и преимущества настоящего изобретения могут быть поняты и достигнуты при помощи средств, комбинаций и способов, описанных в спецификации.
Краткое описание фигур
Дополнительное понимание природы и преимущества настоящего изобретения могут быть поняты из обращения к остальной части спецификации и фигурам, где для ссылок всюду применены одинаковые цифры на этих нескольких фигурах, чтобы ссылаться на схожие компоненты. В некоторых случаях, с цифрой ссылкой связана дополнительная ссылка, которая следует через дефис для обозначения одного из множества подобных компонентов. Когда ссылка дается на цифровую ссылку без указания на существующую дополнительную ссылку, предполагается, что она относится ко всему множеству таких подобных компонентов.
Фиг. 1 показывает типовое поперечное сечение стекловолоконного мата согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 показывает типовую систему для получения матов из стекловолокна согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 3A показывает изображение на растровом электронном микроскопе (РЭМ) верхнего слоя стекловолоконного мата, полученного со связующей композицией, без добавления загущающего агента;
Фиг. 3B показывает изображение на растровом электронном микроскопе (РЭМ) нижнего слоя стекловолоконного мата, полученного со связующей композицией, без добавления загущающего агента;
Фиг. 4A показывает график зависимости вязкости от скорости сдвига для композиций связующего материала 1; и
Фиг. 4B показывает график зависимости вязкости от скорости сдвига для композиций связующего материала 2.
Подробное описание настоящего изобретения
Регулирование реологических свойств углеводсодержащих связующих композиций позволяет получать более однородные распределения композиций при применении в качестве адгезивных связующих композиций для продуктов из стекловолоконного мата. Углеводные связующие композиции с повышенной вязкостью позволяют решать, среди прочих проблем, проблему быстрого перемещения жидкой связующей композиции в нижнюю часть стекловолоконного мата, при применении, например, способа нанесения связующего материала лаконаливочной машиной в виде стекающей пленки. Загущающие агенты, добавляемые к углеводной связующей композиции, позволяют регулировать вязкость и поверхностное натяжение связующей композиции при нанесении на волоконный мат, позволяя создавать более контролируемое распределение связующей композиции по всей толщине мата. Показано, что более однородное распределение связующего материала в итоговом продукте из волоконного мата улучшает множество свойств мата, включая, среди прочих свойств, прочность на растяжение и прочность на разрыв как в направлении обработки, так и направлении, поперечном направлению обработки, и прочность на расслаивание.
Типовые связующие композиции и их реологические свойства
Углеводные связующие композиции по настоящему изобретению могут включать один или более типов углевода, азотсодержащих соединений и загустителей среди прочих компонентов связующего материала. Когда связующие композиции отверждены, углеводы и азотсодержащие соединения образуют поперечно сшитый полимер, который в некоторых случаях указан как продукт полимеризации реакции Майяра. Выбирают такие загущающие агенты, которые совсем немного или вообще не мешают реакции поперечной сшивки полимерных предшественников, таким образом, что связующая композиция может быть полностью и быстро отверждена после отложения на волоконном субстрате (например, стекловолоконный мат).
Типовые загущающие агенты добавляют для регулирования вязкости связующих композиций, которые в конечном счете отверждаются, образуя адгезивный компонент связующего материала в волоконном продукте. Загущающие агенты могут быть полимерными материалами и могут быть частично или полностью растворимы в воде. Их выбирают так, чтобы усилить реологические свойства (например, увеличить вязкость и поверхностное натяжение композиции) связующей композиции, существенно не влияя на отверждаемость композиции в адгезивном связующем материале для волокон субстрата. Типовые загущающие агенты могут включать полисахариды, такие как ксантановая смола, гуаровая камедь, модифицированные крахмалы и т.п.; нейтрализованную полиакриловую кислоту, такую как полиакрилат натрия, модифицированные целлюлозы, такие как гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ), карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), так же как их растворимые соли, полиакриламиды и поливиниловые спирты. Типовые загущающие агенты могут иметь среднюю молекулярную массу, как правило, от 100000 до 2000000 г/моль (например, 200000-1000000 г/моль). Загущающий агент (или агенты), как правило, добавляют к связующей композиции до ее отложения на волоконном субстрате, или альтернативно может быть добавлен к волоконному субстрату отдельно и приблизительно одновременно с другими компонентами связующей композиции.
Концентрация загущающего агента в связующей композиции может зависеть частично от концентрации других связующих компонентов в композиции. Углеводные связующие композиции могут быть водными смесями или растворами, и их вязкости зависят частично от того, насколько их полимерные предшественники были разбавлены водой. Например, некоторые концентрированные связующие композиции (например, концентрации твердых частиц 45-70 вес. % или более) могут иметь вязкость в сотни сантипуаз при комнатной температуре. Концентрированные смолы, как правило, разбавляют водой до концентрации твердых частиц, например, 10-30 вес. % твердых частиц (например, 10-20 вес. % твердых частиц), снижая вязкость связующей композиции до менее 3 сПз при комнатной температуре. Другие связующие композиции могут иметь функциональные вязкости при высоких концентрациях (например, 20 сПз при концентрации твердых частиц 50 вес. %), но их следует разбавлять, чтобы удовлетворить таким параметрам, как ППП, масса и проблемам однородности для применяемой связующей композиции.
Загущающие агенты могут быть добавлены для увеличения вязкости водной связующей композиции до диапазона 7-50 сПз при комнатной температуре (т.е. 20°C), согласно измерению вискозиметром Брукфилда, работающим со скоростью 60 оборотов в минуту. Как правило, вязкости связующих композиций в этом диапазоне могут быть достигнуты при концентрациях загущающего агента между 0,03 и 0,3 вес. % от общей композиции. Диапазон концентрации загущающего агента может зависеть от типа применяемого агента. Например, добавление гидроксиэтилцеллюлозы в диапазоне концентрации 0,05-0,3 вес. % может быть достаточным для увеличения вязкости композиции до диапазона 7-50 сПз. Тот же самый диапазон вязкости может быть получен путем добавления от 0,03 вес. % до 0,2 вес. % ксантановой смолы к водной связующей композиции.
В дополнение к загущающим агентам связующие композиции также могут содержать поверхностно-активное вещество, которое обеспечивает более точное регулирование поверхностного натяжения композиции. Поверхностно-активное вещество может быть добавлено в таком количестве, чтобы достичь поверхностного натяжения связующей композиции в 35-50 мН/м (например, 38-48 мН/м, 40-47 мН/м и т.д.). Эти поверхностно-активные вещества могут включать катионные, анионные и/или неионогенные поверхностно-активные вещества.
Связующие компоненты в связующих композициях могут включать один или более типов углеводов и азотсодержащих соединений. Азотсодержащие соединения могут действовать как сшивающие агенты для углеводов в отвержденном связующем материале. Углеводы, применяемые в связующих композициях, могут включать редуцирующие сахара, которые содержат, по меньшей мере, одну группу альдегида или способны к образованию группы альдегида путем изомеризации. Типовые редуцирующие сахара, среди прочих, могут включать глюкозу (декстрозу), фруктозу, глицеральдегид, галактозу, аллозу, ксилозу, рибозу, мальтозу, целлобиозу и лактозу.
Азотсодержащие соединения могут включать множество соединений, которые могут отличать класс связующих композиций. В одном классе композиций связующего материала применяют амино-амид в качестве азотсодержащего соединения, которое является продуктом реакции амина с насыщенным или ненасыщенным реагентом. Другой класс композиций связующего материала содержит в качестве азотсодержащего соединения продукт реакции соединения типа мочевины и альдегидсодержащего соединения. Каждый из этих классов азотсодержащих соединений описан боле подробно ниже.
1. Углеводные/амино-амидные связующие композиции
Азотсодержащие соединения могут включать амины, способные к сопряженному присоединению насыщенного или ненасыщенного реагента с образованием амино-амида. Затем, амино-амид реагирует во время затвердевания с углеводом с образованием полиимида. Продукты присоединения амино-амида могут быть получены путем смешивания амина и насыщенного или ненасыщенного реагента в водной среде при комнатной температуре. Получаемые продукты присоединения являются как растворимыми в воде, так и диспергируемыми в воде, или присутствуют в виде эмульсии. В некоторых связующих композициях образование амино-амида в реакции предшественника амина с насыщенным или ненасыщенным реагентом может произойти до введения углевода, в то время как в других композициях смешивают все три предшественника (т.е. амин, насыщенный или ненасыщенный реагент и углевод) до образования амино-амида.
Каждый амин может содержать две или более групп первичного и/или вторичного амина для реакции и поперечного сшивания с двумя или более молекул углевода. Амины могут включать алифатические, циклоалифатические и ароматические амины. Они могут быть линейными или разветвленными, и могут содержать дополнительную функциональную группу и связи, такие как, среди прочих, спирты, тиолы, сложные эфиры, амиды, кислоты и простые эфиры. Типовые амины могут включать 1,2-диэтиламин, 1,3-пропандиамин, 1,4-бутандиамин, 1,5-пентандиамин, 1,6-гександиамин, α,α’-диаминоксилен, диэтилентриамин, триэтилентетрамин, тетраэтиленпентамин, так же как комбинации двух или более из этих аминов. Натуральные и синтетические аминокислоты, такие как лизин, аргинин, гистидин и т.д., также могут быть применены.
Отвержденный амино-амид образуется из выбранного ненасыщенного или насыщенного реагента, который представляет собой ангидрид, карбоновую кислоту, сложный эфир и соли и смеси таких реагентов. Эти ненасыщенные реагенты могут включать малеиновую кислоту, фумаровую кислоту, малеиновый ангидрид, моно- и диэфиры малеиновой кислоты и фумаровой кислоты и их соли и смеси. Соли аммония ненасыщенных кислот их моноэфиров могут быть удобным образом применены. Насыщенные реагенты могут включать, без ограничения, янтарный ангидрид, янтарную кислоту, моно и диэфиры янтарной кислоты, глутаровую кислоту и ангидрид, фталевую кислоту и ангидрид, тетрагидрофталевую кислоту и ангидрид, моно и диэфиры ангидридов кислот и соли их кислот и их сложные моноэфиры.
В некоторых композициях продукт амино-амида может быть олигомеризован перед реакцией с углеводом. Этой олигомеризации может способствовать нагревание раствора амино-амида до димеризации, тримеризации, тетрамеризации и т.д. амино-амида в амино-амидный олигомер. Условия нагревания могут включать повышение температуры амино-амидного раствора, например, со 120°C до 150°C на время до 5 часов. В некоторых случаях олигомеризованный амино-амидный продукт образует более прочный, более жесткий отвержденный связующий продукт, чем амино-амидный мономер.
Затем, во время стадии затвердевания связующего материала, большая часть углевода реагирует с промежуточным соединением амино-амида, которое содержит амидокислотную функциональную группу (т.е. амидную связь рядом с карбоновой кислотой). Функциональная группа амидокислоты, как правило, является более реактивной, чем просто карбоновая кислота. Количество добавленного углевода, в целом, таково, что мольное соотношение карбоновой кислоты в амино-амиде к карбонилу или кетону в углеводе составляет от 1:5 до 50:1, например, соотношение от 1:20 до 20:1 или соотношение от 1:10 до 10:1. Дополнительные детали об углеводной/амино-амидной связующей композиции приведены в патентной заявке США Сер. № 12/539263 принадлежащей Shooshtari и др., зарегистрированной 11 августа 2009 г., с названием «Curable Fiberglass Binder», все содержание которой включено полностью в настоящее описание посредством ссылки.
2. Связующие композиции с углеводом/производным соединением типа мочевины
Азотсодержащие соединения могут включать производные соединения типа мочевины, являющиеся продуктами реакции мочевины (т.е. H2N-CO-NH2) и/или замещенных мочевин с диформальдегидными соединениями, такими как глиоксаль. Один определенный класс этих производных соединений типа мочевины включает имидазолидиновые соединения, такие как 4,5-дигидроксиимидазолидин-2-он, который имеет химическую структуру:
4,5-дигидроксиимидазолидин-2-он.
Более конкретно, соединение типа мочевины может быть замещенной или незамещенной мочевиной по формуле:
где R1, R2, R3 и R4 независимо выбраны из водородного фрагмента (H), алкильной группы, ароматического радикала, спиртовой группы, альдегидной группы, кетоновой группы, карбоксильной группы и алкоксигруппы. Типовые алкильные группы включают углеводороды с прямой, разветвленной или циклической цепью различного размера (например, C1-C12, C1-C8, C1-C4 и т.д.). Типовые ароматические (т.е. арильные) группы включают замещенные или незамещенные фенильные фрагменты среди прочих ароматических фрагментов. Типовые спиртовые группы включают -ROH, где R может быть замещенным или незамещенным, насыщенным или ненасыщенным, разветвленным или неразветвленным, циклическим или алифатическим, органическим фрагментом. Например, R может представлять собой -(CH2)n-, где n может составлять 1-12. Типовые спирты также могут включать полиолы, содержащие две или более гидроксильных групп (-OH) в спиртовой группе. Типовые альдегидные группы включают -RC(=O)H, где R может представлять собой одновалентную функциональную группу (например, одинарная связь), или замещенный или незамещенный, насыщенный или ненасыщенный, разветвленный или неразветвленный, циклический или алифатический, органический фрагмент, такой как -(CH2)n-, где n может составлять 1-12. Типовые кетоновые группы могут включать -RC(=O)R’, где R и R’ могут представлять собой множество разных углеродсодержащих фрагментов. Типовые карбоксильные группы могут включать -R-COOH, где R может представлять собой одновалентную функциональную группу, такую как группа с одинарной связью или множество различных углеродсодержащих фрагментов. Типовые алкоксигруппы включают -ORx, где Rx является алкильной группой.
Альдегидсодержащее соединение может содержать одну или более функциональных альдегидных групп. Типовые альдегидсодержащие соединения включают, среди прочего, уксусный альдегид, пропанальдегид, масляный альдегид, акролеин, фурфурол, глиоксаль, глутеральдегид и полифурфурол. Типовые альдегидсодержащие соединения также могут включать замещенные соединения глиоксаля по формуле:
,
где R5 и R6 могут представлять собой независимо друг от друга, среди прочих групп, водородный атом (H), алкильную группу, ароматический радикал, спиртовую группу, альдегидную группу, кетоновую группу, карбоксильную группу и алкоксигруппу.
Продукты реакции соединения типа мочевины и альдегидсодержащего соединения могут включать имидазолидиновое соединение по формуле:
,
где R7, R8, R9 и R10 независимо друг от друга представляют собой -H, -OH, -NH2, алкильную группу, ароматический радикал, спиртовую группу, альдегидную группу, кетоновую группу, карбоксильную группу и алкоксигруппу. В одном конкретном примере реакции между мочевиной и глиоксалем продукт реакции может представлять собой 4,5-дигидроксиимидазолидин-2-он.
Связующие композиции с углеводом/производным соединением типа мочевины также могут включать один или более катализаторов для увеличения скорости реакции поперечного сшивания между углеводами и сшивающими агентами при подвергании композиции воздействию условий отверждения. Типовые катализаторы могут включать щелочные катализаторы и кислотные катализаторы. Кислотные катализаторы могут включать среди прочих типов кислотных катализаторов кислоты Льюиса (включая апротонные кислоты и соли металлов), так же как протонсодержащие кислоты. Катализаторы Фриделя-Крафта могут включать соль депротонированного аниона, такую как комбинации сульфат, сульфит, нитрат, нитрит, фосфат, галид или оксигалид-аниона с одним или более металлических катионов, таких как алюминий, цинк, железо, медь, магний, олово, цирконий и титан. Типовые катализаторы Фриделя-Крафта, среди прочих, включают сульфат алюминия, сульфат железа, хлорид алюминия, хлорид железа, фосфат алюминия, фосфат железа и гипофосфит натрия (SHP). Типовые апротонные кислоты включают кислые соли, такие как сульфат аммония, гидросульфат аммония, одно и двухосновный фосфат аммония, хлорид аммония и нитрат аммония, среди прочих апротонных кислотных катализаторов. Типовые соли металлов могут включать, среди прочих типов солей металлов, органо-титанаты и органо-цирконаты (такие как коммерческие выпускаемые под товарным знаком Tyzor® DuPont), органо-оловянные и органо-алюминиевые соли. Типовые протонсодержащие кислоты включают, среди прочих, протонсодержащих кислот серную кислоту, фосфорную кислоту, хлористоводородную кислоту, азотную кислоту, соединения сульфокислоты (т.е. R-S(=O)2-OH), такие как п-толуолсульфоновая кислота и метансульфоновая кислота и карбоновые кислоты. Композиции катализатора также могут включать комбинации двух или более катализаторов, например, комбинацию сульфата аммония и фосфата диаммония.
pH связующих композиций по настоящему изобретению может изменяться в зависимости от типов и относительных концентраций применяемых компонент. Как правило, pH связующих композиций по настоящему изобретению является немного кислым до щелочного с диапазоном pH приблизительно 6-8 (например, от 6,5 до 7,5). Связующие композиции имеют pH, который вызывает относительно небольшую или вообще не вызывает кислотную коррозию металлического промышленного оборудования.
Продукт реакции производного соединения типа мочевины азотсодержащее соединение действует как сшивающий агент для углевода. Во время стадии затвердевания производное соединение типа мочевины может связываться с двумя или более углеводами (как полимеризованными так и неполимеризованными) образуя поперечносшитый, полимерный отвержденный связующий агент.
Мольное соотношение (1) продукта реакции поперечного сшивания между соединением типа мочевины и альдегидсодержащим соединением к (2) углеводу, в целом, варьирует от 1:2 до 1:50. Типовые соотношения сшивающего агента к углеводу включают диапазон от 1:4 до 1:10. Дополнительные подробности о связующих композициях на основе углевода/производного соединения типа мочевины описаны в патентной заявке США Сер. № 13/490638, выданной Shooshtari и др., зарегистрированной 7 июня 2012 г., с названием «Formaldehyde-Free Binder Compositions with Urea-Formaldehyde Reaction Products», все содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки в любых целях.
3. Связующие композиции на основе углевода/азотсодержащей соли
i. Соли минеральных кислот с аминами
В дополнительных углеводных связующих композициях азотсодержащие соединения могут включать азотсодержащую соль. Например, азотсодержащее соединение может включать солевой продукт комбинации неорганической кислоты и амина (например, соль амин-кислота). Типовые неорганические кислоты могут включать среди прочих фосфорсодержащую кислоту, такую как фосфорная кислота, пирофосфорная кислота, фосфористая кислота и фосфин. Типовые минеральные кислоты также могут включать, среди прочих, обогащенные кислородом минеральные кислоты, такие как серная кислота, сернистая кислота, азотная кислота, борная кислота, хлорноватистая кислота, хлорноватая кислота. Они также могут включать, среди прочих, необогащенные кислородом минеральные кислоты, такие как хлористоводородная кислота и сероводородная кислота.
Типовые амины могут включать полиамины (например, диамины, триамины и т.д.), содержащие, по меньшей мере, одну первичную аминогруппу. Например, амины могут включать этилендиамин, 1,3-пропандиамин, 1,4-бутандиамин, 1,5-пентандиамин, 1,6-гександиамин, α,α’-диаминоксилен, диэтилентриамин, триэтилентетрамин, тетраэтиленпентамин, так же как комбинации двух или более из этих аминов.
Когда соль амин-кислота реагирует с углеводом в условиях затвердевания связующего материала, образуется связка. Типовые связующие системы включают комбинацию соли амин-кислота 1,6-гександиамина и фосфорной кислоты с углеводом декстрозой (HPD), комбинация соли амин-кислота образуется из комбинации этилендиамина и фосфорной кислоты с декстрозой (EPD). Дополнительные подробности об этой соли амин-кислота и связующей углеводной композиции описаны в патентной заявке США Сер. № 12/539211, зарегистрированной 11 августа 2009 г., выданной Shooshtari, все содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки в любых целях.
ii. Соли минеральных кислот с аминами и органическими соединениями
Некоторые связующие композиции на основе углевода/соли амин-кислота дополнительно включают некоторую комбинацию органической кислоты, органического ангидрида и/или алканоламина. Типовые органические кислоты могут включать многоосновную карбоновую кислоту, такую как лимонная кислота и/или малеиновая кислота. Типовые органические ангидриды могут включать малеиновый ангидрид, фталевый ангидрид, метилфталевый ангидрид, глутаровый ангидрид, тетрагидрофталевый ангидрид, пергидрофталевый ангидрид, итаконовый ангидрид, янтарный ангидрид и тримеллитовый ангидрид, среди прочих ангидридов.
Типовые алканоламины могут иметь формулу:
где R1, R2 и R3 независимо выбраны из водорода, C1-10 алкильной группы, ароматического радикала и C1-10 гидроксиалкильной группы, и в которой, по меньшей мере, один из R1, R2 и R3 представляет собой гидроксиалкильную группу.
Определенные примеры алканоламинов могут включать, среди прочих, метаноламины, такие как моно-, ди- и триметаноламин; этаноламины, такие как моноэтаноламин (MEA), диэтаноламин (DEA) и триэтаноламин (TEA); изопропаноламины, такие как моно-, ди-, и триизопропаноламин; метилдиэтаноламин; этилдиэтаноламин; пропилдиэтаноламин; изопропилдиэтаноламин; и N-бутилдиэтаноламин.
Типовые углеводные связующие композиции могут включать комбинацию углевода, соли амин-кислота и органической кислоты. Они включают связующие композиции декстрозы, этилендиаминфосфата и лимонной или малеиновой кислоты. Дополнительные подробности об этих связующих композициях на основе углевода/соли амин-кислота/органической кислоты описаны в патентной заявке США Сер. № 13/478765, зарегистрированной 23 мая 2012 г., выданной Shooshtari и др., все содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки в любых целях.
Типовые углеводные связующие композиции также могут включать комбинацию углевода, соли амин-кислота, органического ангидрида и алканоламина. Это включает связующие композиции продуктов реакции моноэтаноламина («E») и малеинового ангидрида («M»), объединенных с этилендиаминфосфатом («EP») и декстрозой («D») для получения связующих композиций, обозначаемых EMEPD. В других типовых связующих композициях соль амин-кислота может быть удалена. Это включает композиции продуктов реакции моноэтаноламина («E») и малеинового ангидрида («M») с углеводом декстрозой для получения связующих композиций, обозначаемых EMD. Дополнительные подробности об этих связующих композициях на основе углевода/соли амин-кислота/ангидрид-алканоламина описаны в патентной заявке США Сер. № 13/559769, зарегистрированной 27 июля 2012 г., выданной Shooshtari и др., все содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки в любых целях.
Типовые связующие композиции могут включать дополнительные соединения, объединенные с редуцирующим сахаром, органической кислотой и аминной солью неорганической кислоты. Например, мочевина также может быть включена с другими связующими компонентами. Типовые мочевинасодержащие связующие композиции могут включать этилендиаминфосфат («EP»), лимонную кислоту («C»), мочевину («U») и декстрозу («D»), объединенные для получения связующей композиции, обозначаемой EPCUD. Типовые мольные соотношения этих компонент этилендиамин:фосфорная кислота:лимонная кислота:мочевина:декстроза могут включать 1:1:0,5:1:6.
iii. Аммонийные соли карбоновых кислот
В других дополнительных углеводных связующих композициях азотсодержащие соединения могут включать соль аммония многоосновной карбоновой кислоты. Типовые соли аммония многоосновных карбоновых кислот могут быть образованы в реакции аммиака (NH3) с многоосновной карбоновой кислотой с образованием соли аммония. Следует понимать, что другие типы ионов аммония могут функционировать как катион в аммоний-поликарбоксилатной соли, такой как (NH3R1)+, (NH2R1R2)+ и (NHR1R2R3)+, где R1, R2 и R3 каждый независимо выбраны из алкила, циклоалкила, алкенила, циклоалкенила, гетероциклила, арила и гетероарила среди прочих органических групп.
Типовые многоосновные карбоновые кислоты могут включать дикарбоновые кислоты, трикарбоновые кислоты и т.д. Дикарбоновые кислоты могут включать малеиновую кислоту, и трикарбоновые кислоты могут включать лимонную кислоту.
Связующие композиции могут включать комбинацию углевода (например, редуцирующего сахара) с солью аммония многоосновной карбоновой кислоты. Например, связующая композиция может включать декстрозу и цитрат триаммония.
4. Углеводные смеси с латексными полимерами и/или полимерами, получаемыми полимеризацией в растворителе
Эту группу углеводных связующих композиций отличает включение компонентов второго связующего материала в композиции. Второй связующий материал может быть латексным связующим материалом и/или полимером, получаемым полимеризацией в растворителе, со значительно более высокой вязкостью, чем у углеводной связующей композиции. В некоторых случаях второй связующий материал может действовать как единый загущающий агент в углеводной связующей композиции, в то время как в других случаях второй связующий материал может служить дополнением другим загущающим агентам для получения композиции с целевой вязкостью.
Второй связующий материал может включать латексные связующие материалы с вязкостью по Брукфилду приблизительно 100 сПз или более (при вращении шпинделя 18 со скоростью 60 оборотов в минуту) при 20°C. Типовые вторые связующие материалы могут, среди прочих, включать акриловые связующие материалы. Второй связующий материал может присутствовать, составляя до приблизительно половины массы всей связующей композиции (например, 1-50 вес. %; 1-20 вес. %; и т.д.).
5. Дополнительные связующие компоненты
Углеводные связующие композиции по настоящему изобретению могут дополнительно включать, среди прочих компонентов, один или более дополнительных компонентов, таких как усилители адгезии, поглотители кислорода, растворители, эмульгаторы, пигменты, органические и/или неорганические наполнители, огнезащитные продукты, вспомогательные агенты, препятствующие перемещению, вспомогательные агенты коалесценции, катализаторы затвердевания, смачивающие агенты, биоциды, пластификаторы, органосиланы, противовспенивающие агенты, красители, воск, суспендирующие агенты, антиоксиданты и вторичные поперечно-сшивающие агенты. В некоторых случаях некоторые или все дополнительные компоненты заранее перемешивают со связующей композицией перед ее применением к волокнам и отверждением. В дополнительных случаях некоторые или все дополнительные компоненты могут быть представлены способному к затвердеванию, затвердевающему и/или затвердевшему волокносодержащему композиту во время или после применения исходной связующей композиции к волокнам.
Типовые волокносодержащие композиты
Углеводные связующие композиции с повышенной вязкостью могут быть применены для получения множества армированных волокном композитов, включая, среди прочих продуктов, маты из стекловолокна для кровельных плит и облицовочных плит. Фиг. 1 показывает типовой срез стекловолоконного мата 100, который может быть применен, например, в кровельной плите.
Стекловолокно 102, применяемое в стекловолоконном мате 100, может содержать волокна различного диаметра и длины в зависимости от прочности и других желаемых свойств мата. Типовое стекловолокно может иметь диаметр в диапазоне 3-25 мкм (например, 12-17 мкм), где набор волокон имеет примерно равные диаметры или две или более различных величины диаметра. Точно так же волокна могут быть примерно равными по длине (например, 0,75-1,25 дюйма в длину) или могут иметь различные длины. В некоторых вариантах осуществления большие длины волокон (например, 3-5 дюймов) могут быть применены во влажном способе получения стекловолоконных матов. Даже большие длины волокон могут быть применены в некоторых сухих способах. В целом, чем длиннее волокно, тем выше прочность на растяжение и крепость мата, но тем хуже распределение волокон.
Стекловолокно может быть сделано из множества видов стекла, включая стекловолокна типа E, T и C. Дополнительные типы стекла также могут быть применены, включая тип А, тип С и т.д. Как правило, все волокна, применяемые в стекловолоконном мате 100, представляют собой стекловолокно, в то время как в некоторых случаях мат 100 может включать часть волокон не из стекла. Они могут включать неорганические волокна (например, графитовые волокна, минеральные волокна и т.д.) так же как органические волокна, такие как нейлон, полиэстер, полиэтилен, полипропилен и т.д. Как правило, волокна не из стекла не превышают 25 вес. % общей массы волокон.
Относительные массы связующего материала и волокон в композите также могут изменяться. Как правило, масса углеводного связующего материала колеблется от 3 вес. % до 45 вес. % волоконного мата. Наоборот, относительная масса волокон в мате, как правило, колеблется от 55 вес. % до 97 вес. %.
Типовые способы получения волокносодержащих композитов
Фиг. 2 иллюстрирует упрощенное схематическое представление одного способа в качестве примера получения стекловолоконного мата. В способе на фиг. 2 стекловолокно объединено с Whitewater 201 для получения водной суспензии в смесителе 202. Whitewater 201 может быть смесью на водной основе для обработки волокон с целью улучшения качества и однородности мата. Whitewater может включать один или более загущающих агентов и/или диспергирующих агентов, которые улучшают гомогенность и/или когезию волокон в суспензии и, следовательно, в мате. Типовые загущающие агенты могут включать, среди прочих загустителей, гидроксиэтилцеллюлозу, этоксилированные амины, полиакриламиды и оксиды амина. Количество применяемого загущающего агента должно быть эффективным для обеспечения вязкости, необходимой для суспендирования волокон в оборотной воде, что необходимо для практики применяемого способа получения мата мокрой выкладкой. Вязкость оборотной воды находится, в целом, в диапазоне от 1 до 20 сПз, предпочтительно, от 1,5 до 8 сПз (например, от 4 до 5 сПз). Затем волоконный шлам встряхивают на агитаторе для получения рабочей однородной дисперсии волокон с подходящей консистенцией.
Оборотная вода может включать, среди прочих добавок, диспергирующие агенты, поверхностно-активные вещества, смазки и обеспениватели. Типовые диспергирующие агенты могут включать катионные поверхностно-активные вещества, такие как этоксилированные талловые амины, коммерчески доступные в виде C-61 от Cytec Industries, Inc., Морристаун, Нью-Джерси. Показатель pH суспензии может быть любым приемлемым pH для условий обработки (например, менее 7, от приблизительно 4 до приблизительно 7 и т.д.) и может быть отрегулирован путем добавления кислот или оснований (например, уксусной кислоты).
Когда в мате применяют волокна различного размера, их различные длины и/или диаметры могут представлять конкурирующие интересы с точки зрения химического состава оборотной воды. Например, длинные крупные волокна могут быть более эффективно диспергированы в более вязкой оборотной воде. Однако присутствие тонких волокон может затруднить удаление относительно вязкой оборотной воды из мата на более поздних стадиях способа мокрой выкладки. Выбираемые составы оборотной воды и смеси волокон, предпочтительно, уравновешивают эти интересующие моменты.
Влага на стекловолокне во время их введения в процесс мокрой выкладки, особенно волокна малого диаметра, имеет сильное влияние на однородность итогового мата. В частности, введение волокон в процесс мокрой выкладки уже во влажном состоянии улучшает дисперсию волокон в смеси оборотной воды и приводит к получению более однородного мата. Стекловолокно может иметь влажность, например, приблизительно 5-75 процентов (например, 5-35 процентов). Затем, влажное волокно вводят в резервуар 202 в способе мокрой выкладки для смешивания с оборотной водой 201.
Первая пористая лента 203 поднимает волокна 204 из оборотной воды 201, и лишней жидкости 205 позволяют стечь сквозь первую ленту 203 обратно в резервуар 202. (Не смотря на то, что на фиг. 2 схематично показано как излишек жидкости 205 просто стекает в резервуар 202, могут быть применены различные механизмы, например, вакуум или другие способы для ускорения удаления жидкости 205 из волокон 204) Предпочтительно, резервуар 202 пополнен волокнами и жидкостью по необходимости для поддержания надлежащей смеси волокон и оборотной воды 201 для непрерывного получения.
Волокна 204 могут быть перенесены на вторую ленту 206 для применения связующего материала. На фиг. 2 показано, что связующий материал 207 применяется к волокнам 204 при помощи лаконаливочной машины 208. Также могут быть применены другие способы применения связующего материала. Например, связующий материал 207 может быть распылен на волокна 204 или нанесен другим подходящим способом.
Затем волокна 204, теперь включая связующий материал 207, могут быть перенесены на третью ленту 209 и подвержены высушиванию способом 210. В способе высушивания 210 могут быть применены высокая температура, воздушный поток или другие технологии для отверждения связующей композиции 207 и удаления влаги из волокон 204. Барабанная сушка/отвердевание также может быть применена вместо воздушной сушки/отверждения. После высушивания готовый мат 211 может быть упакован для более позднего применения, например, путем закатывания в рулон 212.
Возможно много различных вариантов. Например, может быть применено большее или меньшее количество ремней. В некоторых вариантах осуществления компоненты связующего материала 207 могут быть добавлены к оборотной воде 201 таким образом, чтобы волокна 204 были пропитаны связующим материалом при их появлении из резервуара 202, снижая (и иногда отбрасывая) необходимость в применении лаконаливочной машины 208 или другого оборудования для нанесения связующего материала.
Как указано выше, распределение связующего материала в пределах готового мата и 211 в направлении Z (т.е. в вертикальном направлении), как показано на фиг. 2, имеет значительное влияние на качество и дальнейшую обработку мата 211. Если связующий материал не пропитывает полностью мат 211, мат 211 может страдать от низкой межслоевой прочности. Чрезмерное количество связующего материала у основания или близко к основанию мата 211 также может мешать надлежащему контакту с любой покрывающей пленкой, добавляемой к мату 211 позже. Чтобы дополнительно улучшить однородное диспергирование связующего материала внутри мата, связующие композиции по настоящему изобретению включают один или более загущающих агентов для регулирования вязкости и также могут включать поверхностно-активные вещества для регулирования поверхностного натяжения композиции. Кроме того, способ 210 отверждения и высушивания может быть выполнен стадийным или зональным образом. Например, первая зона или зоны сушильного шкафа, которые являются частью способа 210 отверждения и высушивания, могут эксплуатироваться при пониженной температуре, замедляя высушивание волокон 204 и перемещение связующей композиции в нагреваемую часть мата 211. Позднее зоны сушильного шкафа поддерживают при достаточных температурах для полного высушивания и отверждения мата 211.
Примеры
Для нескольких углеводных связующих композиций в нетканых стеклянных матах без добавления загущающих агентов наблюдали слабо связанные верхние слои. Фиг. 3А и 3B показывают фотографии растрового электронного микроскопа для верхних и нижних слоев стекловолоконного мата, соответственно, полученного с углеводсодержащей связующей композицией (Связующий материал 2). Фиг. 3B показывает, что нижний слой содержит значительно больше отвержденного связующего материала, чем верхний слой. В образце мата с плотностью 2,1 фунта/кв.дюйм верхние и нижние слои отделяли и измеряли в них содержание связующего материала (процент потери при прокаливании (ППП)). ППП составляла 8,9 вес. % для верхнего слоя, показанного на фиг. 3А, 23,9 вес. % для нижнего слоя, показанного на фиг. 3B, и 21,3 вес. % для цельного стеклянной мата. Вычисленный массовый процент слабо связанного верхнего слоя составлял приблизительно 17%.
Наблюдения за концентрациями отвержденного связующего материала в верхних и нижних слоях стеклянного мата указывают на то, что наносимая поливом связующая композиция значительно переместилась к нижнему слою благодаря своей малой вязкости. Считается, что как сила тяжести, так и вакуумное откачивание значительно способствуют перемещению связующих композиций сквозь верхний слой стеклянного мата. Чтобы проверить эту гипотезу, измеряли вязкость связующих композиций как с добавлением, так и без добавления загустителей.
Измерения вязкости углеводных связующих композиций
Вязкость измеряли для двух типов углеводных связующих композиций, с добавлением и без добавления загущающего агента. Вязкость композиции измеряли вискозиметром Брукфилда (шпиндель «18»), функционирующим со скоростью 60 оборотов в минуту для обеспечения скорости сдвига ~79,2 с-1 для образцов композиции, приведенных к 20°C.
Первую углеводную связующую композицию, называемую связующим материалом 1, разбавляли водой до содержания твердых частиц 18 вес. %. Эта связующая композиция содержала композицию глиоксаль:мочевина:декстроза в мольном соотношение 1:1:6 и 5 вес. % (NH4)2SO4 + 5 вес. % (NH4)2HPO4 в качестве катализатора. Дополнительные подробности об этой связующей композиции могут быть найдены в патентной заявке США Сер. № 12/490638, зарегистрированной 7 июня 2012 г., выданной Shooshtari с соавт., все содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки в любых целях.
В таблице 1 перечислены значения измерений вязкости для каждой из связующих композиций:
Измерения вязкости связующих композиций
Вязкости связующих композиций также измеряли реометром в диапазоне скоростей сдвига. Фиг. 4A и 4B представляют собой графики, показывающие вязкости при различных скоростях сдвига для связующих композиций (т.е. связующий материал 1 и связующий материал 2), как с загущающими агентами, так и без загустителей (например, ГЭЦ и ксантановая смола). Графики показывают, что даже при низких уровнях концентрации, загущающие агенты поддерживают более высокие уровни вязкости композиций, когда их подвергают повышенным скоростям сдвига.
Измерения свойств стеклянных матов, полученных со связующими композициями
Пример 1
Стеклянные маты (с целевыми параметрами 1,9-2,3 фунта/кв.дюйм, номинально 2,1 фунта/кв.дюйм, целевая ППП 17-23 %, номинально 20%) получали со связующими композициями связующего материала 2 без добавленного загущающего агента, связующего материала 2 с 0,14 вес. % ГЭЦ и связующего материала 2 с 0,08 вес. %, ксантановой смолы, как описано выше в таблице 1. Отверждение каждого стеклянного мата со связующими композициями проводили при одной и той же температуре.
Добавление загустителей к связующим композициям улучшало качество стеклянных матов различными путями: сниженная подвижность связующей композиции после ее нанесения на мат приводила к более однородному вертикальному распределению связующего материала между верхними и нижними частями мата без заметных различий во внешнем виде между верхними и нижними частями. Стеклянные маты, полученные со связующими композициями, содержащими загущающие агенты, также увеличивали физические параметры, такие как прочность на растяжение в сухом виде. Эти измерения прочности на растяжение описаны в таблице 2 ниже:
Прочность на растяжение стеклянного мата (2,1 фунт/кв.дюйм), полученного с композициями со связующим материалом 2
Результаты общей прочности на растяжение, приведенные в таблице 2, представляют собой сумму прочности на растяжение в направлении наливочной машины (MD) и в направлении, поперечном направлению наливочной машины (CMD). Прочность на растяжение в горячем/влажном состоянии измеряли после того, как образец впитывал горячую воду при 82°C в течение 10 минут. Затем образцы высушивали в течение, по меньшей мере, 3 минут до измерения прочности в горячем/влажном состоянии. В таблице 2 также приведен процент сохраняемой прочности в горячем/влажном состоянии, который представляет собой процент прочности на растяжение в горячем/влажном состоянии к прочности на растяжение, измеренной при комнатной температуре. Это может быть индикатором степени сшивки, которой достигает отвержденный связующий материал.
Данные прочности на растяжение в таблице 2 показывают, что добавление загустителей (например, ГЭЦ или ксантановой смолы) увеличивает общую прочность на растяжение примерно на 20% по сравнению с композицией связующего материала 2 без добавленного загущающего агента. Весовой % связующего материала в слабосвязанном мате, полученном с композицией связующего материала 2 без добавления загущающего агента, составлял приблизительно 17 вес. %. Таким образом, слабосвязанный слой не делал значительный вклад в прочность на растяжение. Общая прочность на растяжение (нормализованная на 20 % ППП) показывала еще большее увеличение. Наконец, сохраняемая прочность в горячем/влажном состоянии оставалась примерно той же самой, указывая на то, что загущающие агенты не влияли значительно на сшивку связующей композиции во время затвердевания.
Пример 2
Второй набор стеклянных матов получали с применением связующего материала 2. Стеклянные маты (целевой параметр 1,21-1,56 фунт/кв.дюйм, номинально 1,4 фунт/кв.дюйм, целевая ППП 16-22%, номинально 19%), получали с композициями со связующим материалом 2 без добавления загущающего агента, связующим материалом 2 с 0,14 вес. % ГЭЦ и связующим материалом 2 с 0,08 вес. % ксантановой смолы. Отверждение всех связующих материалов проводили при одной и той же температуре.
Добавление загустителей значительно улучшало качество стеклянных матов. Между верхней и нижней частями матов, которые включали загущающие агенты, не было никаких заметных различий во внешнем виде, и маты были хорошо связаны. Таблица 3 показывает результаты измерений прочности на растяжение:
Прочность на растяжение стеклянных матов (1,4 фунт/кв.дюйм), полученных с композицией связующего материала 2
Данные прочности на растяжение в таблице 3 показывают, что добавление загустителей (например, ГЭЦ или ксантановой смолы) увеличивает общую прочность на растяжение примерно на 20% по сравнению с композицией связующего материала 2 без добавленного загущающего агента. Сохраняемая прочность в горячем/влажном состоянии оставалась, грубо говоря, неизменной, указывая на то, что загущающие агенты не влияли значительно на сшивку связующей композиции во время затвердевания.
Пример 3
Третий набор стеклянных матов получали с применением связующего материала 1. Стеклянные маты (целевой параметр 1,21-1,56 фунта/кв.дюйм, номинал 1,4 фунта/кв.дюйм, целевая ППП 16-22%, номинал 19%) получали с композицией связующего материала 1 без добавления загущающего агента и со связующим материалом 1 с 0,12 ГЭЦ, как рассмотрено в таблице 1. Таблица 4 показывает результаты измерений прочности на растяжение:
Прочности на растяжение стеклянных матов (1,4 фунт/кв.дюйм), полученных с композицией связующего материала 1
Данные о прочности на растяжение в таблице 4 показывают, что добавление загущающего агента ГЭЦ увеличивает общую прочность на растяжение примерно на 38% по сравнению с композицией связующего материала 1 без добавленного загущающего агента. Сохраняемая прочность в горячем/влажном состоянии оставалась, грубо говоря, неизменной, указывая на то, что загущающий агент ГЭЦ не значительно влиял на сшивку связующей композиции во время затвердевания.
Пример 4
Четвертый набор стеклянных матов получали с применением связующей композиции, называемой связующим материалом 3. Композиция связующего материала 3 характеризовалась мольным соотношением цитрат триаммония:глюкоза 1:6, а также включала 5 вес. % (NH4)2SO4. Стеклянные маты получали с композицией связующего компонента 3 без добавления загущающего агента, и с 0,12 вес. % ГЭЦ. Таблица 5 показывает результаты измерений прочности на растяжение:
Прочность на растяжение стеклянных матов (1,36 фунт/кв.дюйм), полученных с композицией связующего материала 3 и без загущающего агента
Пример 5
Пятый набор стеклянных матов получали со смесью на основе углеводной связующей композиции (например, связующий материал 2) и второй связующей композицией с более высокой вязкостью. Вторая связующая композиция представляет собой полимер, получаемый полимеризацией в растворителе Acrodur 950L от BASF, с вязкостью по Брукфилду 900-2500 сПз (шпиндель 18 со скоростью вращения 60 оборотов в минуту) при 23°C. Альтернативно, Acrodur DS3515, латексная связующая композиция от BASF, также может быть применена в качестве второй связующей композиции. В таблице 6 сравниваются свойства матов, для матов, полученных со смешанной связующей композицией связующего материала 2 и Acrodur 950L, и таковых, полученных с несмешанной связующей композицией связующего материала 2:
Прочность на растяжение стеклянных матов (1,4 фунт/кв.дюйм), полученных с композицией связующего материала 2 с добавлением и без добавления второго связующего материала
Смешивание значительно увеличивает вязкость связующего материала на основе углеводов и улучшает качество поверхностности стеклянного мата. Эти улучшения относят, по меньшей мере, частично за счет более однородного покрытия смешанной связующей композицией нетканого стекловолоконного субстрата, особенно в вертикальном направлении (т.е. z-направлении).
После описания нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения, специалистам в области техники будет понятно, что могут быть применены различные модификации, альтернативные конструкции и эквиваленты, не отступая от сущности настоящего изобретения. Дополнительно, многие известные способы и элементы не описаны, чтобы избежать излишнего затруднения понимания настоящего изобретения. Соответственно, вышеуказанное описание не должно быть воспринято в качестве ограничения объема настоящего изобретения.
Там, где приведен диапазон значений, подразумевается, что каждое входящее в него значение, до десятой доли единицы нижнего предела, если контекст явно не указывает иначе, между верхним и нижним пределами этого диапазона также в частности раскрыто. Настоящим изобретением охвачен каждый меньший диапазон между любым установленным значением или входящим в установленный диапазон значением и любым другим установленным или входящим в диапазон значением. Верхние и нижние пределы этих меньших диапазонов могут независимо быть включены в диапазон или исключены из диапазона, и каждый диапазон, где один из или ни один или оба предела не включены в меньшие диапазоны, также охвачен настоящим изобретением, при условии любого в частности исключенного предела из установленного диапазона. Где установленный диапазон включает один из или оба предела, также включены диапазоны, исключающие один из или оба из тех включенных пределов.
Как применено в настоящем описании и в приложенной формуле изобретения, формы неопределенного и определенного единственного числа включают соответствующие формы множественного числа, если контекст ясно не указывает иначе. Таким образом, например, ссылка на «способ» включает множество таких способов, и ссылка на «волокно» включает ссылку на одно или более волокон и их эквивалентов, известных специалистам в области техники, и т.д.
Кроме того, слова «охватывать», «охватывающий», «включать», «включающий» и «включает» при применении в настоящей спецификации и в следующей далее формуле настоящего изобретения предназначены для определения присутствия установленных свойств, целых чисел, компонент или стадий, но они не препятствуют присутствию или добавлению одного или более других свойств, целых чисел, компонент, стадий, действий или групп.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СВЯЗУЮЩИЕ КОМПОЗИЦИИ, СОДЕРЖАЩИЕ СОЕВЫЙ БЕЛОК И УГЛЕВОД | 2013 |
|
RU2589653C2 |
| МОДИФИЦИРОВАННЫЕ СВЯЗУЮЩИЕ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПРОДУКТОВ ИЗ СТЕКЛОВОЛОКНА | 2010 |
|
RU2584200C2 |
| ВОЗОБНОВЛЯЕМОЕ СВЯЗУЮЩЕЕ ДЛЯ НЕТКАНЫХ МАТЕРИАЛОВ | 2007 |
|
RU2470105C2 |
| СТЕКЛОВОЛОКОННЫЙ МАТ, СПОСОБ И ЛАМИНАТ | 2010 |
|
RU2534975C2 |
| ГИБКИЙ НЕТКАНЫЙ МАТ | 2014 |
|
RU2675890C2 |
| КОМПОЗИЦИЯ И ИЗГОТОВЛЕННЫЕ ИЗ НЕЕ ГИПСОВОЕ КОМПОЗИЦИОННОЕ ИЗДЕЛИЕ И ГИПСОВЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ВЛАЖНЫХ ВОЛОКОН | 2006 |
|
RU2407716C2 |
| ВОДНАЯ СВЯЗУЮЩАЯ КОМПОЗИЦИЯ, ИЗОЛЯЦИОННЫЙ СВЯЗУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ ПОЛИЭФИРНОГО ТИПА, НЕ СОДЕРЖАЩИЙ ФОРМАЛЬДЕГИД, И СПОСОБ СВЯЗЫВАНИЯ ВМЕСТЕ СВОБОДНО ПЕРЕПЛЕТЕННОГО МАТА | 2003 |
|
RU2286364C2 |
| СТЕНОВАЯ ПЛИТА ДЛЯ ВНУТРЕННЕЙ ОТДЕЛКИ ПОМЕЩЕНИЙ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ | 2006 |
|
RU2418921C2 |
| СЛЮДЯНАЯ ЛЕНТА, ИМЕЮЩАЯ МАКСИМАЛЬНОЕ СОДЕРЖАНИЕ СЛЮДЫ | 2004 |
|
RU2332736C1 |
| СТЕКЛЯННАЯ АРМАТУРА, АРМИРОВАННАЯ ЦЕМЕНТНАЯ ПЛИТА И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЦЕМЕНТНОЙ ПЛИТЫ | 2017 |
|
RU2724082C1 |
Изобретение относится к связующим для волоконных композитов и касается не содержащих формальдегида связующих композиций с модифицированной вязкостью. Связующие композиции включают углевод, азотсодержащее соединение и загущающий агент. Связующие композиции обладают вязкостью по Брукфилду 7-50 сантипуазов при 20°C. Загущающие агенты могут включать модифицированные целлюлозы, такие как гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ) и карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) и полисахариды, такие как ксантановая смола, гуаровая смола и крахмалы. В изобретении описан также способ получения нетканого стекловолоконного мата и мата из стекловолокна, включающие указанную композицию связующего. Изобретение обеспечивает увеличение вязкости связующих композиций на углеводной основе. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 6 ил., 6 табл., 4 пр.
1. Углеводная связующая композиция, включающая (i) по меньшей мере один углевод, (ii) по меньшей мере одно азотсодержащее соединение и (iii) по меньшей мере один загущающий агент, причем указанный загущающий агент (iii) отличается от углевода (i), где связующая композиция имеет вязкость по Брукфилду 7-50 сантипуазов при 20°C по измерению на вискозиметре Брукфилда при скорости вращения шпинделя 18 в 60 оборотов в минуту.
2. Углеводная связующая композиция по п.1, где углевод включает редуцирующий сахар.
3. Углеводная связующая композиция по п.1 или 2, где углевод выбран из декстрозы, фруктозы, аллозы, галактозы, ксилозы, рибозы, мальтозы, целлобиозы, лактозы или их смесей.
4. Углеводная связующая композиция по п.1, где азотсодержащее соединение включает диамин, содержащий по меньшей мере одну первичную аминогруппу.
5. Углеводная связующая композиция по п.4, где диамин выбран из этилендиамина, 1,3-пропандиамина, 1,4-бутандиамина, 1,5-пентандиамина, 1,6-гександиамина, α,α'-диаминоксилена, диэтилентриамина, триэтилентетрамина, тетраэтиленпентамина, диаминобензола или их смесей.
6. Углеводная связующая композиция по п.1, где азотсодержащее соединение включает (i) продукт реакции соединения типа мочевины и альдегидсодержащего соединения, предпочтительно, 4,5-дигидроксиимидазолидин-2-она, и/или (ii) соль неорганической кислоты и амина, и/или (iii) аммониевую соль многоосновной карбоновой кислоты, и/или (iv) продукт реакции органического ангидрида и алканоламина.
7. Углеводная связующая композиция по п.1, где загущающий агент включает модифицированную целлюлозу, и предпочтительно указанная модифицированная целлюлоза выбрана из карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) и/или гидроксиэтилцеллюлозы (ГЭЦ).
8. Углеводная связующая композиция по п.1, где загущающий агент включает (i) полисахарид, и предпочтительно указанный полисахарид выбран из ксантановой смолы, и/или гуаровой камеди, и/или крахмала, и/или (ii) акриловую кислоту.
9. Углеводная связующая композиция по п.1, где загущающий агент имеет концентрацию от 0,03 вес.% до 0,3 вес.% в связующей композиции.
10. Углеводная связующая композиция по п.1, где:
углевод включает декстрозу;
азотсодержащее соединение выбрано из 1,6-гександиамина и 4,5-дигидроксиимидазолидин-2-она; и
загущающий агент включает гидроксиэтилцеллюлозу, где гидроксиэтилцеллюлоза имеет концентрацию от 0,05 вес.% до 0,3 вес.% в связующей композиции.
11. Углеводная связующая композиция по п.1, где:
углевод включает декстрозу;
азотсодержащее соединение выбрано из 1,6-гександиамина и 4,5-дигидроксиимидазолидин-2-она; и
загущающий агент включает ксантановую смолу, где ксантановая смола имеет концентрацию от 0,03 вес.% до 0,2 вес.% в связующей композиции.
12. Углеводная связующая композиция по п.1, где данная связующая композиция дополнительно включает вторую связующая композицию.
13. Углеводная связующая композиция по п.12, где вторая связующая композиция выбрана из (i) латексной связующей композиции и/или (ii) связующей композиции на основе полимера, полученного полимеризацией в растворителе.
14. Способ получения нетканого стекловолоконного мата, включающий стадии:
(i) формирования водной дисперсии волокон;
(ii) пропускания дисперсии через образующую мат решетку для получения влажного мата;
(iii) нанесения углеводной связующей композиции на влажный мат с получением влажного мата, содержащего связующий материал; и
(iv) отверждения влажного мата, содержащего связующий материал, с получением нетканого стекловолоконного мата,
где углеводная связующая композиция является композицией, определенной по любому из пп.1-13.
15. Способ по п.14, в котором стадия нанесения углеводных связующих композиций на влажный мат включает нанесение покрытия влажного мата углеводной связующей композицией путем налива.
16. Способ по п.14, где углевод включает редуцирующий сахар, и азотсодержащее соединение выбрано из диамина и продукта реакции соединения типа мочевины и альдегидсодержащего соединения.
17. Способ по п.16, где редуцирующий сахар выбран из декстрозы, фруктозы, аллозы, галактозы, ксилозы, рибозы, мальтозы, целлобиозы, лактозы или их смесей.
18. Способ по п.16, где диамин выбран из этилендиамина, 1,3-пропандиамина, 1,4-бутандиамина, 1,5-пентандиамина, 1,6-гександиамина, α,α'-диаминоксилена, диэтилентриамина, триэтилентетрамина, тетраэтиленпентамина, диаминобензола и их смесей.
19. Способ по п.16, где продуктом реакции соединения типа мочевины и альдегидсодержащего соединения является 4,5-дигидроксиимидазолидин-2-он.
20. Способ по любому из пп.14-19, в котором загущающий агент выбран из модифицированной целлюлозы, и предпочтительно указанная модифицированная целлюлоза выбрана из карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) и/или гидроксиэтилцеллюлозы (ГЭЦ), и полисахарида, и предпочтительно указанный полисахарид выбран из ксантановой смолы, и/или гуаровой камеди, и/или крахмала.
21. Мат из стекловолокна, включающий стекловолокно и связующий материал, где связующий материал включает отвержденные продукты из углеводной связующей композиции по любому из пп.1-13.
22. Мат из стекловолокна по п.21, где мат из стекловолокна включает компонент кровельной плитки.
23. Мат из стекловолокна по п.21, где мат из стекловолокна выбран из облицовочного материала, разделителя (сепаратора) батареи, среды для фильтрования и/или подложки.
| US 4814012 A, 21.03.1989 | |||
| WO 2007014236 A3, 12.04.2007 | |||
| 0 |
|
SU402072A1 | |
| WO 2007149643 A1, 27.12.2007. | |||
