專利名稱：堿金屬硅酸鹽—多異氰酸酯復合材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及堿金屬硅酸鹽-多異氰酸酯復合材料，更尤其涉及無催化劑分離的制備堿金屬硅酸鹽-多異氰酸酯復合材料的方法。
(II)接著，就地形成的二氧化碳立即與堿金屬硅酸鹽的A2O部分反應，形成A2CO3xH2O(其中A表示堿金屬)，而堿金屬硅酸鹽的SiO2部分反應，形成聚硅酸。
(III)當反應進行時，熱量釋放，以及剩余的多異氰酸酯三聚合。
遺憾的是，上述常用方法具有一個主要的缺陷。尤其，堿金屬硅酸鹽的高密度往往引起催化劑從堿金屬硅酸鹽-水-催化劑混合物中分離出來。為了使催化劑分離最小化，混合物可以在即將使用之前混合。然而，這可能在其中通常使用該混合物的規(guī)定區(qū)域中難以做到。另外，因為催化劑分離減低了催化劑的活性，所以難以測定需要添加多少催化劑到反應混合物中。為了消除該問題，可以將表面活性劑加入到堿金屬硅酸鹽-水-催化劑組分中，以保持催化劑在該溶液中。然而，表面活性劑的添加往往引起了反應體系中的過度發(fā)泡，從而降低了所得復合材料的物理性能。
雖然催化劑分離是與制備堿金屬硅酸鹽-多異氰酸酯復合材料相關的主要問題，但當制備這些復合材料時，必須考慮幾種其它因素。例如，在復合材料制備中使用的催化劑必須不有助于過量二氧化碳的形成。過量二氧化碳的形成往往引起發(fā)泡，從而降低所得復合材料的物理性能。另外，因為通常在規(guī)定空間內制備和使用堿金屬硅酸鹽-多異氰酸酯復合材料，反應的放熱優(yōu)選不應該超過大約100℃。因為相同的原因，還優(yōu)選反應在沒有惡臭氣味放出的情況下進行。
因此，需要在沒有催化劑分離、過度發(fā)泡、高放熱或惡臭氣味放出的情況下進行的制備堿金屬硅酸鹽-多異氰酸酯復合材料的方法。
本發(fā)明的概述因此，本發(fā)明提供了在沒有催化劑分離、過度發(fā)泡、高放熱或惡臭氣味釋放的情況下進行的制備硅酸鈉-多異氰酸酯復合材料的方法。為了克服現有技術中的缺陷，本發(fā)明采用了將催化劑引入到多異氰酸酯組分中的新方法，而非將催化劑引入到堿金屬硅酸鹽-水組分中。催化劑引入到多異氰酸酯組分中防止了催化劑在反應混合物中的分離。
更尤其，本發(fā)明的方法包括將催化劑和多異氰酸酯共混以形成第一組分，以及將堿金屬硅酸鹽和水共混以形成第二組分。在共混之后，然后將第一和第二組分一起混合，形成反應混合物，該混合物反應，形成硬化復合材料。
此外，本發(fā)明還提供了通過將催化劑和多異氰酸酯共混以形成第一組分，以及將堿金屬硅酸鹽和水共混以形成第二組分而制備的硅酸鈉-多異氰酸酯復合材料。在共混之后，然后將第一和第二組分一起混合，形成反應混合物，該混合物再反應，形成硬化復合材料。
另外，本發(fā)明還包括在采礦、挖隧道和相關工程建設項目中加固和密封各種類型的地層的方法。該方法包括將催化劑和多異氰酸酯共混以形成第一組分，和將堿金屬硅酸鹽和水共混以形成第二組分。在共混之后，然后將第一和第二組分一起混合，形成反應混合物。然后將該反應混合物引入到地層中，再反應，形成加固和/或密封地層的硬化復合材料。
附圖簡述

圖1是顯示隨時間變化的反應體系的溫度分布的圖。
優(yōu)選實施方案的詳細描述在一個實施方案中，本發(fā)明提供了制備硅酸鈉-多異氰酸酯復合材料的方法。該方法包括將催化劑和多異氰酸酯共混以形成第一組分，以及將堿金屬硅酸鹽和水共混以形成第二組分。然后將該第一和第二組分一起混合以形成反應混合物，該混合物再反應，形成硬化復合材料。理想地，本發(fā)明的方法在沒有催化劑分離的情況下進行。
在另一實施方案中，本發(fā)明提供了通過將催化劑和多異氰酸酯共混以形成第一組分，再將堿金屬硅酸鹽和水共混以形成第二組分而制備的硅酸鈉-多異氰酸酯復合材料。在共混之后，然后將第一和第二組分一起混合，形成反應混合物，再反應，形成硬化復合材料。
在本發(fā)明的又一實施方案中，根據本發(fā)明制備的復合材料可以用于在采礦、挖隧道和相關工程建設項目中加固和/或密封各種類型的地層。在該實施方案中，可以將催化劑和多異氰酸酯共混以形成第一組分，以及將堿金屬硅酸鹽和水共混以形成第二組分。在共混之后，然后將第一和第二組分一起混合，形成反應混合物。然后將該反應混合物引入到地層中，再反應，形成加固和/或密封地層的硬化復合材料。
用于本發(fā)明的催化劑可以包括在多異氰酸酯中穩(wěn)定且促進多異氰酸酯組分與堿金屬硅酸鹽和水組分反應的許多的常用催化劑。優(yōu)選，催化劑包括具有相對低的活性，不引起反應放熱超過大約100℃，不有助于產生惡臭或引起過量二氧化碳產生的胺催化劑。更優(yōu)選，該催化劑包括JEFFCATDMDEE(2，2’-二嗎啉基二乙基醚)(從HuntsmanCorporation，Houston，Texas商購)。有利的是，JEFFCATDMDEE在多異氰酸酯中是穩(wěn)定的，促進了多異氰酸酯組分與堿金屬硅酸鹽和水組分的反應，不引起過度發(fā)泡，高放熱，或惡臭的釋放。
用于本發(fā)明的多異氰酸酯可以包括許多多異氰酸酯，包括、但不限于甲苯二異氰酸酯(TDI)，二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)類異氰酸酯，以及這些異氰酸酯的預聚物。優(yōu)選，多異氰酸酯組分在其結構中具有至少兩個芳環(huán)，并且是液體產物。具有大于約2的官能度的聚合異氰酸酯是優(yōu)選的。更優(yōu)選的是，多異氰酸酯組分包括RubinateM，聚合二苯基甲烷二異氰酸酯(從Huntsman ICI Chemicals，LLC，Geismar，Louisiana商購)。
用于本發(fā)明的堿金屬硅酸鹽可以包括許多堿金屬硅酸鹽，包括、但不限于硅酸鈉和硅酸鉀。優(yōu)選，堿金屬硅酸鹽包括SiO2∶Na2O重量比為約1.60到約3.22的硅酸鈉。更優(yōu)選，硅酸鈉具有約2.0到約3.0的SiO2∶Na2O重量比。
以下實施例是本發(fā)明的例證，決不用來限制本發(fā)明的范圍。
實施例1(對比)在紙杯中混合62.7g的具有SiO2∶Na2O重量比2.58，49.3Be’的硅酸鈉M(從PQ Corporation，Valley Forge，Pennsylvania商購)，2.31g的水和0.90g的DABCODMP-30(從Air Productsand Chemicals，Inc.，Allentown，Pennsylvania商購)混合。然后，當混合物用壓舌板攪拌時，將46.05g的RubinateM快速加入到硅酸鈉-水-催化劑混合物中。然后將混合物倒入圓筒形塑料容器中，再繼續(xù)攪拌。在物料放熱之后，將混合物冷卻到室溫。然后從塑料容器中剝離所得固體復合材料。然后將固體復合材料在濕潤箱中放置3天。在3天之后，復合材料在英斯特朗試驗機中破碎，以測定其物理性能。
實施例2在紙杯中混合62.7g硅酸鈉M和2.31g的水。在第二個紙杯中混合46.05g的RubinateM和0.56g的JEFFCATDMDEE。然后將異氰酸酯-催化劑組分快速加入到硅酸鈉-水組分中，再用壓舌板攪拌反應組分。然后將反應組分轉移到圓筒形塑料容器中，再繼續(xù)攪拌。在物料放熱之后，將物料冷卻到室溫。在復合材料的制備過程中，沒有發(fā)現催化劑分離。另外，也沒有發(fā)現二氧化碳的過度形成和惡臭的釋放。然后從塑料容器中剝離所得固體復合材料。然后將固體復合材料在濕潤箱中放置3天。在3天之后，復合材料在英斯特朗試驗機中破碎，以測定其物理性能。
在實施例1和2中紙杯的復合材料的英斯特朗測試結果在表1中總結。
表1

表1表明，根據本發(fā)明制備的復合材料(實施例2)的物理性能比得上根據本領域已知的普通方法制備的復合材料(實施例1)的物理性能。該結果證實，將催化劑引入到多異氰酸酯中沒有不利改變所得復合材料的物理性能。
實施例3為了監(jiān)控在實施例1和2中所述的反應體系的溫度，使用以上公開的相同方法制備各反應體系的其它復合材料樣品，只是僅使用各反應組分的三分之一。反應體系的溫度通過熱電偶監(jiān)控，在混合時開始，以及在反應體系放熱后不久結束。然后將溫度數據繪圖，以顯示各反應體系的溫度分布(圖1)。
圖1顯示，根據本發(fā)明制備的反應體系(實施例2)的溫度分布與根據本領域已知的普通方法制備的反應體系(實施例1)的溫度分布相當。該結果表明，將引發(fā)劑引入到多異氰酸酯中沒有不利改變反應的進程，或產生不希望的高放熱。根據本發(fā)明制備的反應體系(實施例2)的溫度分布顯示，反應的放熱小于100℃。
雖然已經給出和描述了例證實施方案，但在前面的公開內容中可以設想許多改良、變化和替代。在一些情況下，可以使用所公開的實施方案的一些特征，但不相應使用其它特征。因此，適宜的是，所附權利要求書應廣泛地和以與本發(fā)明范圍一致的方式來解釋。
權利要求
1.制備堿金屬硅酸鹽-多異氰酸酯復合材料的方法，包括a.將催化劑與多異氰酸酯混合，形成第一組分；b.將堿金屬硅酸鹽與水混合，形成第二組分；和c.將第一和第二組分混合形成反應混合物，再反應形成硬化復合材料。
2.權利要求1的方法，其中催化劑包括2，2’-二嗎啉基二乙基醚。
3.權利要求1的方法，其中堿金屬硅酸鹽包括硅酸鈉。
4.權利要求3的方法，其中硅酸鈉具有約1.6到約3.32的SiO2∶Na2O的重量比。
5.權利要求3的方法，其中硅酸鈉具有約2.0到約3.0的SiO2∶Na2O的重量比。
6.權利要求1的方法，其中多異氰酸酯包括官能度大于約2的聚合二苯基甲烷二異氰酸酯。
7.權利要求1的方法，其中反應混合物的放熱低于約100℃。
8.其中催化劑不從反應混合物中分離出來的制備堿金屬硅酸鹽-多異氰酸酯復合材料的方法，包括a.將催化劑與多異氰酸酯混合，形成第一組分；b.將堿金屬硅酸鹽與水混合，形成第二組分；和c.將第一和第二組分混合形成反應混合物，再反應形成硬化復合材料。
9.權利要求8的方法，其中催化劑包括2，2’-二嗎啉基二乙基醚。
10.權利要求8的方法，其中堿金屬硅酸鹽包括硅酸鈉。
11.權利要求10的方法，其中硅酸鈉具有約1.6到約3.32的SiO2∶Na2O的重量比。
12.權利要求10的方法，其中硅酸鈉具有約2.0到約3.0的SiO2∶Na2O的重量比。
13.權利要求8的方法，其中多異氰酸酯包括官能度大于約2的聚合二苯基甲烷二異氰酸酯。
14.權利要求8的方法，其中反應混合物的放熱低于約100℃。
15.在采礦、挖隧道和相關工程建設項目中加固和密封各種類型的地層的方法，包括a.將催化劑與多異氰酸酯混合，形成第一組分；b.將堿金屬硅酸鹽與水混合，形成第二組分；c.將第一和第二組分混合，形成反應混合物；和d.將反應混合物引入到地層中，再使反應混合物反應形成硬化復合材料。
16.權利要求15的方法，其中催化劑包括2，2’-二嗎啉基二乙基醚。
17.權利要求15的方法，其中堿金屬硅酸鹽包括硅酸鈉。
18.權利要求17的方法，其中硅酸鈉具有約1.6到約3.32的SiO2∶Na2O的重量比。
19.權利要求17的方法，其中硅酸鈉具有約2.0到約3.0的SiO2∶Na2O的重量比。
20.權利要求15的方法，其中多異氰酸酯包括官能度大于約2的聚合二苯基甲烷二異氰酸酯。
21.權利要求15的方法，其中反應混合物的放熱低于約100℃。
22.由以下步驟制備的堿金屬硅酸鹽-多異氰酸酯復合材料a.將催化劑與多異氰酸酯混合，形成第一組分；b.將堿金屬硅酸鹽與水混合，形成第二組分；和c.將第一和第二組分混合形成反應混合物，再反應形成硬化復合材料。
23.權利要求22的復合材料，其中催化劑包括2，2’-二嗎啉基二乙基醚。
24.權利要求22的復合材料，其中堿金屬硅酸鹽包括硅酸鈉。
25.權利要求24的復合材料，其中硅酸鈉具有約1.6到約3.32的SiO2∶Na2O的重量比。
26.權利要求24的復合材料，其中硅酸鈉具有約2.0到約3.0的SiO2∶Na2O的重量比。
27.權利要求22的復合材料，其中多異氰酸酯包括官能度大于約2的聚合二苯基甲烷二異氰酸酯。
28.權利要求22的復合材料，其中反應混合物的放熱低于約100℃。
全文摘要
本發(fā)明公開了無催化劑分離的制備堿金屬硅酸鹽－多異氰酸酯復合材料的方法。該方法包括將催化劑和多異氰酸酯共混以形成第一組分，以及將堿金屬硅酸鹽和水共混以形成第二組分。然后將第一和第二組分一起混合，形成反應混合物，再反應，形成硬化復合材料。反應在沒有過度發(fā)泡、高放熱或惡臭氣味釋放的情況下進行。還公開了根據以上方法制備的硅酸鈉－多異氰酸酯復合材料，以及在采礦、挖隧道和相關工程建設項目中使用堿金屬硅酸鹽－多異氰酸酯復合材料來加固和密封各種類型的地層的方法。
文檔編號C08G18/00GK1447825SQ01814194
公開日2003年10月8日 申請日期2001年8月15日 優(yōu)先權日2000年8月16日
發(fā)明者R·A·小吉爾斯畢 申請人:胡茨曼石油化學公司