Гибридный материал, содержащий вспененный полимер и неорганическое связующее, имеющий регулируемую плотность и морфологию, способ его получения и применение
Изобретение относится к гибридному материалу из вспененного полимера и неорганического связующего, способ его получения и применение. Целью изобретения является создание материалов, которые имеют высокие характеристики тепловой и звуковой изоляции, проницаемости водяных паров, огнестойкости, легкий вес, а также хорошую адгезионную способность по отношению к бетонам, цементным растворам и штукатуркам и хорошее сопротивление сжатию. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.
Предметом настоящего изобретения является гибридный материал из вспененного полимера и неорганического связующего, имеющий регулируемую плотность и морфологию, в частности гибридный материал из вспененного полиуретана и неорганического связующего, способ его получения и его применение.
Указанный материал имеет высокие характеристики тепловой и звуковой изоляции, проницаемости водяных паров, огнестойкости, легкий вес, так же как и хорошую адгезионную способность по отношению к бетонам, цементным растворам и штукатуркам и хорошую механическую прочность при сжатии, что делает его преимущественным для применения в области строительства.
Полиуретановые пены (полимерные материалы, включающие газ внутри их структуры, обозначаемые в дальнейшем общим термином «вспененный полиуретан») широко используют в области строительства (в частности, гражданского строительства), так как они показывают превосходные характеристики звуковой и тепловой изоляции, хорошую упругость (а именно, способность противостоять динамическим деформациям и/или разрушениям) и низкую плотность. Однако механическая прочность и свойства жесткости указанных полимерных материалов не являются удовлетворительными для конструкционных применений.
С целью улучшения указанных выше свойств во вспененный полиуретан вводили/загружали неорганические наполнители с целью заполнения, причем присутствие этих добавок позволяло, с одной стороны, увеличить жесткость материала, однако, с другой стороны, изменяло его морфологию и, соответственно, также и конечные свойства продукта.
В самом деле, наполнитель действует как армирующий агент, и с увеличением его количества механические свойства обычно изменяются от пластических к хрупким ввиду плохой совместимости между наполнителем и матрицей на границе их раздела. Наполнитель придает жесткость композиционному материалу, но в то же время нарушает непрерывность полимерной матрицы, которая поддерживает всю структуру.
Различные неорганические наполнители часто подвергают предварительной химической обработке в попытке улучшить их взаимодействие с полимерной фазой, таким образом уменьшая неизбежные проблемы разделения, которые создают неоднородность в конечной структуре готового композиционного материала.
Конечный результат состоит в том, что изготовление указанных композиционных материалов с полиуретаном или, в общем, с полимерной матрицей становится сложным и заметно дорогостоящим.
Однако указанные материалы всегда проявляют ряд недостатков, в основном связанных с неизбежным присутствием неоднородности внутри их структуры, низкой огнестойкостью и пластицирующими эффектами полимерной фазы, обусловленными взаимодействием с водой.
Материалы, альтернативные описанным выше, обладающие свойствами тепловой и звуковой изоляции и имеющие хорошую прочность при ударе, получали путем сборки полимерных слоев и неорганических слоев с различной теплопроводностью, удерживаемых совместно посредством системы механических связей.
Эти последние материалы проявляют, однако, недостатки, связанные с несовместимостью теплового расширения используемых материалов, так же, как и со способом их сборки, который в большинстве случаев является особенно сложным и дорогостоящим.
Следовательно, остается потребность в создании альтернативных по отношению к известным материалов, которые обладают высокими характеристиками тепловой и звуковой изоляции, проницаемости водяного пара, огнестойкости, легким весом, так же как и хорошей адгезионной способностью по отношению к бетонам, цементным растворам и штукатурке и хорошей механической прочностью при сжатии, и которые не проявляют или сводят к минимуму недостатки, отмеченные выше, типичные для используемых в настоящее время в области строительства материалов.
Целью настоящего изобретения является обеспечение решения технической проблемы, описанной выше.
Эти и другие цели, которые станут очевидными из следующего подробного описания, были достигнуты заявителем, который неожиданно обнаружил, что путем выполнения реакции приготовления вспененного полимера (предпочтительно вспененного полиуретана) в присутствии по меньшей мере одного подходящего неорганического связующего возможно получить гибридный материал из вспененного полимера и неорганического связующего (предпочтительно, гибридный материал из вспененного полиуретана и неорганического связующего), обладающий такими признаками, чтобы обеспечить адекватное решение проблем, отмеченных выше.
Поэтому объектом настоящего изобретения является гибридный материал из вспененного полимера и неорганического связующего, признаки которого приведены в независимом пункте приложенной формулы изобретения.
Другим объектом настоящего изобретения является способ получения вышеупомянутого гибридного материала, признаки которого приведены в независимом пункте приложенной формулы изобретения.
Еще одним объектом настоящего изобретения является применение указанного гибридного материала в области строительства, как изложено в независимом пункте приложенной формулы изобретения.
Предпочтительные воплощения настоящего изобретения приведены в зависимых пунктах приложенной формулы изобретения.
Настоящее изобретение подробно иллюстрируется в последующем описании. Указанное изобретение дополнительно показано также с помощью включенных фиг.1-3, где:
на фиг.1 схематически показан способ изготовления двух предпочтительных видов гибридного материала из вспененного полиуретана и цемента, согласно настоящему изобретению (соответственно, гибридные материалы типов А1 и А2, описанные ниже в экспериментальном примере 1);
на фиг.2 графически показана субмикронная структура с закрытыми ячейками вспененного полиуретана и цемента согласно настоящему изобретению, из чертежа ясно и однозначно видно тесное и полное взаимопроникновение между частицами цемента, гидратированными или не гидратированными, и полиуретановыми пузырьками, содержащими газ; микроструктура получается чрезвычайно равномерной и полностью свободной от неоднородностей;
на фиг.3 показаны рядом три СЭМ фотографии (сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа) микроструктуры гибридного материала из вспененного полиуретана и цемента, графически изображенного на фиг.2; данные три фотографии были сделаны при различных увеличениях и показывают, соответственно:
- микроструктуру вспененного полимера с отмеченными стенками пузырьков (фото слева с меньшим увеличением);
- стенки ячеек, покрытые неорганической фазой (фото в середине со средним увеличением);
- кристаллы гидратированного трисульфоалюмината кальция и непрерывную аморфную фазу гидратированного силиката кальция, характеристики гидратированного цемента (фото справа с большим увеличением).
Таким образом, настоящее изобретение относится к реализации нового гибридного композиционного материала, состоящего из вспененного полимера и неорганического связующего, в котором органическая матрица (предпочтительно полиуретанового типа) и неорганическое связующее тесно взаимно проникают или взаимосвязаны друг с другом, с получением чрезвычайно равномерной и гомогенной конечной структуры.
Способ изготовления указанного материала (детально описанный ниже) позволяет по меньшей мере свести к минимуму, предпочтительно, по существу устранить недостатки, связанные с известными способами изготовления гибридных материалов полимер-наполнитель и полимер-цемент существующего уровня техники.
В отличие от этих последних материалов (в которых наполнитель только диспергирован в полимере как неравномерным, так и неоднородным образом, что приводит к структурам, в которых образующие структуру фазы не являются взаимопроникающими), согласно способу изготовления по настоящему изобретению используемые безводные и/или гидратированные частицы связующего (например, цемента) в результате сильно взаимодействуют с полярным компонентом полимерной структуры (а именно, например, с исходным полиолом, используемым для изготовления вспененного полиуретана). Следовательно, способ вспенивания (описанный ниже), используемый для расширения полимера, позволяет получить органическо-неорганический гибридный материал, в котором фаза неорганического связующего распределена полностью однородным образом внутри самого материала и обеспечивают ее тесное взаимное проникновение с микрочастицами вспененного полимера.
Следовательно, получающаяся структура характеризуется тесным взаимопроникновением фаз друг в друга и распределена равномерным и однородным образом. Указанные структурные особенности придают, в оптимальной степени, указанному материалу отличные свойства тепловой и звуковой изоляции и, в то же время, обеспечивают высокую огнестойкость, высокую проницаемость водяного пара, легкий вес, высокую совместимость с любым слоем поверхностной отделки на основе гидравлических и/или воздушных вяжущих материалов, высокую стойкость к действию воды, высокую стойкость к химическим веществам, так же как и оптимальное сопротивление сжатию и ударную прочность.
Таким образом, настоящее изобретение относится к гибридному материалу, включающему по меньшей мере:
а) первую фазу, включающую вспененный полимер,
б) вторую фазу, включающую по меньшей мере одно неорганическое связующее,
в) третью газообразную фазу,
отличающемуся тем, что структура указанного материала состоит из совместно непрерывной микроструктуры (где под термином «совместно непрерывная микроструктура» понимают структуру, в которой фазы, составляющие указанную структуру, тесно взаимно проникают или взаимосвязаны друг с другом так, чтобы образовать чрезвычайно регулярную микроструктуру, предпочтительно субмикронных размеров, и не содержащую никакого нарушения непрерывности в отдельных фазах, как показано в качестве примера на приложенных фиг.2 и 3).
Гибридный материал по настоящему изобретению представляет собой органическо-неорганический гибридный материал.
Предпочтительно вспененный полимер фазы (а) представляет собой вспененный полимер на основе полиуретана. Более предпочтительно указанный полимер представляет собой вспененный полиуретан, в котором исходный полиол при необходимости может быть предварительно химически модифицирован, например, карбоксиметилцеллюлозой, ацетатом целлюлозы, сульфатом целлюлозы, триметилсилилцеллюлозой, гидроксиметилцеллюлозой и всеми производными целлюлозы; например, 1,3-диморфолин-2-пропанолом, N-β-гидроксэтилиморфолином, N-аминопропилморфолином, 3,3'-диморфолиндипропиламином и всеми производными морфолина; полиэтиленгликолем, поликапролактоном многоатомным спиртом. Более того, не исключена возможность использования альтернативных источников полиола, таких как, например, крахмал, целлюлоза, лигнин, протеины растительного происхождения.
Неорганическое связующее фазы (б) предпочтительно выбрано из группы, включающей цемент, гипс, известь, карбонат кальция, цементирующие агломераты или их смеси.
Более предпочтительно указанным связующим является цемент.
Газообразная фаза (в) обычно состоит из диоксида углерода СO2 (обычно получаемого в течение реакции образования вспененного гибридного материала). Однако не исключено, что можно использовать также другие газы, такие как, например, азот, или органические соединения с низкой температурой кипения, такие как, например, н-пептан, изопентан, циклопентан, хлорфторуглероды или воду, переходящие в газообразное состояние благодаря экзотермичности реакции полимеризации.
Средние размеры совместно непрерывной микроструктуры гибридного материала из вспененного полимера и неорганического связующего согласно данному изобретению составляют ≤3-4 мкм, предпочтительно указанные размеры составляют ≤3 мкм, более предпочтительно они составляют менее 2 мкм или даже 1 мкм. Предпочтительно гибридный материал согласно настоящему изобретению дополнительно включает по меньшей мере одну добавку, более предпочтительно он включает смесь добавок.
По меньшей мере одну указанную добавку (или смесь добавок) обычно используют в процессе получения гибридного материала для улучшения реакции его образования и для изменения и/или оптимизации его требуемых характеристик.
Предпочтительно по меньшей мере одну указанную добавку выбирают из группы, включающей:
- катализаторы, такие как третичные амины, например N,N-диметилциклогексиламин, триэтиленамин, N,N-диметил-2-фенэтиламин, N,N-диметилбензиламин, 2-диметиламиноэтанол,
- металлорганические соли, такие как октоаты олова, ацетат серы, октаноат серы, этилгексоат серы, лаурат серы, дилаурат дибутилолова, сложный эфир дибутилмеди,
- сшивающие агенты, такие как моноэтаноламин, диэтаноламин, триэтаноламин, диметилциклогексиламин,
- поверхностно-активные вещества, такие как кремнийорганические масла, сополимеры кремнийорганических соединений и гликоля, простые полиэфирсилоксаны, полидиметилсилоксаны, частично фторированные блоксополимеры, такие как блоксополимер полиметилметакрилата и (1Н,1Н,2Н,2Н-перфторгексилметакрилата), блоксополимер полиметилметакрилата и (1Н,1Н,2Н,2Н-перфтороктилметакрилата),
- вспенивающие агенты, такие как вода, изопентан, циклопентан, н-пентан, хлорфторуглероды,
- пламегасящие и препятствующие размножению бактерий средства, такие как полифосфаты аммония, меламины и производные,
- УФ-стабилизаторы,
- пластификаторы,
- агенты, способствующие совместимости,
- антистатические агенты,
- разжижитель, такой как нафталинсульфонат, меламинсульфид, лигнинсульфонат, полистиролсульфонат, сополимер сложного эфира акриловой кислоты, полимеры гликозида,
- добавки, которые проявляют характеристики фотокаталитической самоочистки, такие как диоксид титана TiO2,
- добавки, которые модифицируют свойства адсорбции паров воды, такие как фосфорная кислота.
В гибридном материале согласно настоящему изобретению:
- вспененный полимер присутствует в процентном количестве от 5 до 80 мас.%, исходя из общей массы материала,
- неорганическое связующее присутствует в процентном количестве от 20 до 90 мас.%, исходя из общей массы материала,
- добавки присутствуют в суммарном процентном количестве от 0 до части, недостающей до 100%, исходя из общей массы материала. Предпочтительно:
- вспененный полимер присутствует в процентном количестве от 10 до 70 мас.%, исходя из общей массы материала,
- неорганическое связующее присутствует в процентном количестве от 30 до 80 мас.%, исходя из общей массы материала,
- добавки присутствуют в суммарном процентном количестве от 0 до части, недостающей до 100%, исходя из общей массы материала. Более предпочтительно:
- вспененный полимер присутствует в процентном количестве от 20 до 60 мас.%, исходя из общей массы материала,
- неорганическое связующее присутствует в процентном количестве от 40 до 70 мас.%, исходя из общей массы материала,
- добавки присутствуют в суммарном процентном количестве от 0 до части, недостающей до 100%, исходя из общей массы материала.
Основной способ получения гибридного материала согласно настоящему изобретению включает:
а) первую стадию, на которой исходное соединение (соединения), необходимое для образования требуемого вспененного полимера (в котором исходное соединение (соединения) также дополнено добавками, если они присутствуют, требуемыми для изготовления указанного вспененного полимера), смешивают с эффективным количеством требуемого неорганического связующего (связующих) в течение времени, необходимого для тщательного перемешивания веществ;
б) вторую стадию, на которой в вышеуказанную смесь добавляют эффективное количество полимеризирующегося соединения (соединений), требуемого для реакции образования полимера;
в) третью стадию, на которой смесь стадии (б) оставляют при комнатной температуре на достаточное время, в течение которого протекает и завершается реакция отверждения и одновременного вспенивания полимерной фазы.
В зависимости от типа требуемого гибридного материала также возможно изменить порядок выполнения указанных выше стадий (а) и (б) на обратный (а именно, добавляя смесь стадии (а) к полимеризующемуся соединению (соединениям) стадии (б)).
Смешивание соединений стадии (а) предпочтительно выполняют на подходящем смесительном оборудовании. Указанное оборудование может быть пригодно для получения (как в заводских условиях, так и на месте) большого или умеренного количества гибридного материала, в зависимости от требований.
Указанные добавки, требуемые для изготовления желаемого вспененного полимера, выбирают, например, из описанной выше группы, включающей:
- катализаторы, такие как третичные амины, например, N,N-диметилциклогексиламин, триэтиленамин, N,N-диметил-2-фенэтиламин, N,N-диметилбензиламин, 2-диметиламиноэтанол,
- металлорганические соли, такие как октоаты олова, ацетат серы, октаноат серы, этилгексоат серы, лаурат серы, дилаурат дибутилолова, сложный эфир дибутилмеди,
- сшивающие агенты, такие как моноэтаноламин, диэтаноламин, триэтаноламин, диметилциклогексиламин,
- поверхностно-активные вещества, такие как кремнийорганические масла, сополимеры кремнийорганических соединений и гликоля, простые полиэфирсилоксаны, полидиметилсилоксаны, частично фторированные блоксополимеры, такие как блоксополимер полиметилметакрилата и (1Н,1Н,2Н,2Н-перфторгексилметакрилата), блоксополимер полиметилметакрилата и (1Н,1Н,2Н,2Н-перфтороктилметакрилата),
- вспенивающие агенты, такие как вода, изопентан, циклопентан, н-пентан, хлорфторуглероды,
- пламегасящие и препятствующие размножению бактерий средства, такие как полифосфаты аммония, меламины и производные,
- УФ стабилизаторы,
- пластификаторы,
- агенты, способствующие совместимости,
- антистатические агенты,
- разжижитель, такой как нафталинсульфонат, меламинсульфид, лигнинсульфонат, полистиролсульфонат, сополимер сложного эфира акриловой кислоты, полимеры гликозида,
- добавки, которые проявляют характеристики фотокаталитической самоочистки, такие как диоксид титана, TiO2,
- добавки, которые модифицируют свойства адсорбции паров воды, такие как фосфорная кислота.
Добавление эффективного количества по меньшей мере одного соединения, обладающего вспенивающим действием, такого как, например, вода, изопентан, циклопентан, н-пентан, хлорфторуглероды или их смеси (или подходящей смеси вспенивающих агентов) оказывается особенно предпочтительной.
В особенно предпочтительном воплощении изобретения вспененный полимер представляет собой вспененный полиуретан, включающий одну или более добавку, такую как, например, разжижитель, нафталинсульфонат, меламинсульфид, лигнинсульфонат, полистиролсульфонат, сополимер сложного эфира акриловой кислоты, полимеры гликозида, добавки, которые проявляют характеристики фотокаталитической самоочистки, такие как диоксид титана, добавки, которые модифицируют свойства адсорбции водяного пара, такие как фосфорная кислота.
Когда вспененный полимер представляет собой вспененный полиуретан, исходное соединение, которое необходимо полимеризировать, является полиолом. В одном воплощении изобретения указанный полиол является предварительно химически модифицированным, например, карбоксиметилцеллюлозой, ацетатом целлюлозы, сульфатом целлюлозы, триметилсилилцеллюлозой, гидроксиметилцеллюлозой и всеми производными целлюлозы; например, 1,3-диморфолин-2-пропанолом, N-β-гидроксиморфолином, N-аминопропилморфолином, 3,3'-диморфолиндипропиламином и всеми производными морфолина; полиэтиленгликолем, поликапролактоном многоатомным спиртом. В другом воплощении изобретения указанный полиол можно заменить его альтернативными источниками, такими как, например, крахмал, целлюлоза, лигнин, протеины растительного происхождения.
Предпочтительно полиол представляет собой полиэфир и/или сложный полиэфир.
В свою очередь, полимеризирующееся соединение предпочтительно является диизоцианатом или смесью диизоцианатов. Предпочтительно указанный диизоцианат может быть МДИ (метилендиизоцианатом) и/или ТДИ (толуолдиизоцианатом), и/или их смесью.
Сочетание полиола и диизоцианата выбирают надлежащим образом в зависимости от конечных характеристик, которые желают получить. Например, если желают получить вспененный полимер с открытыми ячейками (а именно, пеноматериал, в котором газообразная фаза является совместно непрерывной), предпочтительно используют, например, сочетание простого полиэфира, такого как полиол, с ТДИ, МДИ или их смесью, такой как диизоцианат. Если напротив, желают получить вспененный полимер с закрытыми ячейками (а именно, пеноматериал, в котором газообразная фаза не является совместно непрерывной, т.е. в которой газ присутствует, в частности, в полостях, пузырьках, заключенных в твердой фазе), предпочтительно используют сочетание сложного эфира, такого как полиол, и ТДИ, МДИ или их смеси, такой как диизоцианат.
Степень расширения, в свою очередь, изменяют путем регулирования как количества и/или типа вводимой вспенивающей добавки (добавок), так и времени обработки/вспенивания на вышеуказанной стадии (в).
Особенно предпочтительным неорганическим связующим для целей настоящего изобретения является цемент.
В особенно предпочтительном воплощении изобретения способ изготовления описанного выше гибридного материала дополнительно включает осуществление стадии гидратации связующего компонента гибридного материала. Предпочтительно указанную стадию гидратации выполняют посредством погружения в воду гибридного материала из вспененного полимера и неорганического связующего на время, требуемое для получения требуемой степени гидратации неорганического связующего. Для получения требуемых свойств компоненты гибридного материала согласно изобретению выбирают так, чтобы способствовать и обеспечивать непрерывность неорганической фазы и оптимальную морфологию вспененной фазы (распределение размера пор и частичную взаимосвязанность, если она присутствует), в зависимости от конкретного применения.
Преимущественно благодаря гидрофильной химической природе реагентов устраняют проблемы расслоения цемента в течение стадии смешивания, так как он оказывается совместимым с используемыми полимерными реагентами (в частности, он взаимодействует с их гидрофильными остатками).
В следующем экспериментальном разделе настоящее изобретение подробно описано только в качестве примера, абсолютно не ограничивающего широкий потенциал его применения, с конкретной ссылкой на гибридные материалы на основе вспененного полиуретана и цемента.
Понятно, что указания, следующие из описания, относящегося к указанному предпочтительному гибридному материалу, на основе вспененного полиуретана и цемента, могут быть полностью преобразованы, с соответствующими поправками, специалистом в данной области в другие возможные используемые сочетания вспененного полимера и неорганического связующего в области строительства для таких же применений, как и применения, предусмотренные для вспененного полиуретана и цемента.
В особенно предпочтительном воплощении изобретение включает способ изготовления вспененного полиуретана-цемента, который схематически показан на представленной фиг.1 и описан в следующих экспериментальных примерах: процентные содержания, показанные в указанных примерах, относятся к массовым долям, исходя из исходной общей массы материала (а именно, сумме масс исходных продуктов).
Следующие примеры имеют прикладную значимость общего характера, соответственно, в них указаны предпочтительные численные интервалы в массовых процентах (%), внутри которых содержание различных компонентов можно изменять в зависимости от требуемых качеств конечного продукта.
Общий пример 1 - ГИБРИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ТИПОВ А1 И А2
Полиол дозируют в количестве от 20 до 80 мас.%, исходя из общей начальной массы гибридного материала (включая катализатор(ы), кремнийорганические соединения, поверхностно-активные агенты и сшивающие агенты, пламегасящие и препятствующие размножению бактерий средства, УФ-стабилизаторы, в суммарном массовом количестве от 0 до 10 мас.% в расчете на полиол, предпочтительно от 1 до 8%, более предпочтительно от 2 до 7%), добавляют цемент в количестве от 20 до 60 мас.%; вспенивающий агент (описанный ранее), если он присутствует, добавляют в количестве от 0 до 10 мас.% и смешивают в течение 1-10 минут в смесителе HOBART® до полного и тщательного смешивания компонентов.
Добавляют диизоцианат в количестве от 10 до 40 мас.% и размешивают до достижения полной однородности смеси в течение достаточно короткого времени (примерно 10-120 секунд, предпочтительно в течение примерно 20-60 секунд) для того, чтобы избежать ранней полимеризации полиуретана.
Полученную таким образом смесь предпочтительно заливают в подходящие алюминиевые или пластмассовые, например изготовленные из полипропилена или полистирола, шаблоны/формы (или ее непосредственно транспортируют в место применения), и оставляют для полимеризации и вспенивания на воздухе при комнатной температуре. Реакция расширения продолжается параллельно с полимеризацией и отверждением новой структуры. С целью получения композиционного материала с регулируемой (требуемой) плотностью реакция вспенивания должна протекать в закрытой или частично закрытой форме, также эта реакция может протекать при свободном вспенивании в открытых формах.
Гибридный продукт, полученный описанным выше образом, затем выдерживают в воде или среде, насыщенной парами воды, в течение различных промежутков времени и при различных температурах так, чтобы обеспечить частичную или полную гидратацию фаз алюмината (алюмината кальция) и силиката (силиката кальция) цемента. Таким образом осуществляют формирование неорганической пространственной структуры, которая придает композиционному материалу типичные свойства цементирующего материала (жесткость, проницаемость, взаимодействие с водой и т.д.). Этот материал обладает характеристикой вспененного гибридного материала, сформированного из гидратированного цемента (или подходящего его заменителя) и полиуретана. В результате получают две тесно связанные взаимопроникающие фазы, а конечные характеристики зависят от массового соотношения составляющих материалов и степени расширения/вспенивания, достигнутой в материале.
Для простоты гибридный материал (семейство гибридных материалов), полученный путем использования типичного состава выдувных пеноматериалов с открытыми ячейками (например, простой полиэфир/МДИ), обозначают далее как ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА А1.
Напротив, при использовании типичного состава выдувных пеноматериалов с закрытыми ячейками (например, сложный полиэфир/ТДИ) получен гибридный материал (семейство гибридных материалов), для простоты далее обозначаемый как ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА А2.
Некоторые предпочтительные варианты гибридных материалов согласно настоящему изобретению показаны на следующих примерах.
Пример 2 - ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА В
Гибридный материал получают таким же образом, как описано в общем примере 1, однако стадию гидратации цемента не выполняют.
Для простоты полученный таким образом гибридный материал обозначают как ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА В.
Пример 3 - ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА С
Гибридный материал изготавливают таким же образом, как описано в общем примере 1, однако полиол предварительно химически модифицируют карбоксиметилцеллюлозой, или ацетатом целлюлозы, или сульфатом целлюлозы, или триметилсилилцеллюлозой.
Для простоты полученный таким образом гибридный материал (семейство гибридных материалов) обозначают как ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА С.
Пример 4 - ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА D
Гибридный материал изготавливают таким же образом, как описано в общем примере 1, однако используемый полиол имеет природное происхождение, например, представляет собой крахмал.
Для простоты полученный таким образом гибрид обозначают как ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА D.
Пример 5 - ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА Е
Гибридный материал изготавливают таким же образом, как описано в общем примере 1, за исключением того, что цемент предварительно размешивают с водой и разжижителем.
Для простоты полученный таким образом гибридный материал обозначают как ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА Е.
Пример 6 - ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА F
Гибридный материал изготавливают таким же образом, как описано в общем примере 1, за исключением того, что вместо цемента в качестве связующего используют сульфат кальция (гипс).
Для простоты полученный таким образом гибридный материал обозначают как ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА F.
Пример 7 - ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА G
Гибридный материал изготавливают таким же образом, как описано в общем примере 1, за исключением того, что вместо цемента в качестве связующего используют известь.
Для простоты полученный таким образом гибридный материал обозначают как ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА G.
Пример 8 - ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА Н
Гибридный материал изготавливают таким же образом, как описано в общем примере 1, за исключением того, что к цементу добавляют диоксид титана (TiO2).
Для простоты полученный таким образом гибридный материал обозначают как ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА Н.
Пример 9 - ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА I
Гибридный материал изготавливают таким же образом, как описано в общем примере 1, за исключением того, что к цементу добавляют фосфорную кислоту.
Для простоты полученный таким образом гибридный материал обозначают как ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА I.
Для того чтобы подчеркнуть типичные свойства и преимущества гибридных материалов согласно настоящему изобретению, системы ГИБРИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ТИПОВ А1 и А2 сравнивали с известными, обычно используемыми в области строительства вспененными материалами, как с открытыми ячейками, так и с закрытыми ячейками.
Основные преимущества, показанные ГИБРИДНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ ТИПОВ А1 и А2, представлены ниже.
ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА А1
По сравнению с известными пеноматериалами с открытыми ячейками, наполненными неорганическими наполнителями, ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА А1 показал:
- лучшую механическую прочность;
- лучшее звукопоглощение;
- лучшие адгезионные свойства к цементирующим матрицам;
- лучшую огнестойкость.
ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА А1
По сравнению с легкими бетонами, полученными путем (частичного) замещения обычного инертного материала (дробленый камень и песок) полимерным материалом, таким как вспененный полистирол, ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА А1 показал:
- лучшее звукопоглощение;
- более низкую плотность;
- специфические механические свойства;
- большую легкость укладки.
ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА А2
По сравнению с пеноматериалами с закрытыми ячейками, наполненными неорганическими наполнителями, ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА А2 показал:
- лучшую механическую прочность;
- лучшую проницаемость водяных паров, обусловленную фазой гидратированного цемента;
- лучшие адгезионные свойства по отношению к цементирующим матрицам;
- огнестойкость.
ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА А2
По сравнению с легкими бетонами, полученными путем (частичного) замещения обычного инертного материала (дробленый камень и песок) полимерным материалом, таким как вспененный полистирол, ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА А2 показал:
- лучшую теплоизоляцию;
- лучшую звукоизоляцию;
- более низкую плотность;
- специфические механические свойства;
- большую легкость укладки.
В отношении других типов гибридных материалов (от В до I), приведенных выше в качестве примеров, необходимо отметить следующие характеристики.
ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА В по сравнению с обычными полиуретановыми системами, не обладающими совместно непрерывной структурой (как с открытыми ячейками, так и с закрытыми ячейками), используемыми в области строительства, показал:
- лучшие адгезионные свойства по отношению к цементирующим матрицам;
- лучшую механическую прочность;
- лучшую огнестойкость.
ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА С обладает хорошей степенью гидрофильности, что делает легким и быстрым процесс гидратации цемента по сравнению с ГИБРИДНЫМ МАТЕРИАЛОМ ТИПА А.
ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА D имеет хорошую степень гидрофильности, что делает легким и быстрым процесс гидратации цемента по сравнению с ГИБРИДНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ ТПОВ А и В. Этот продукт, кроме того, обладает более низкой стоимостью.
Для ГИБРИДНОГО МАТЕРИАЛА ТИПА Е процесс гидратации протекает легко и быстро.
Для ГИБРИДНОГО МАТЕРИАЛА ТИПА F ускорены процессы схватывания и отверждения цемента (собственная характеристика сульфатов) и, кроме того, увеличены свойства поглощения водяного пара.
ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА G показывает обычные свойства воздушного вяжущего материала (а именно, системы, которая отверждается в присутствии воздуха путем насыщения диоксидом углерода).
ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА Н проявляет свойство фотокаталитической «самоочистки», или способность к значительному уменьшению содержания органических и неорганических загрязнений в атмосфере путем осуществления реакции разложения этих загрязнений под действием солнечного света.
ГИБРИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ТИПА I имеет повышенные свойства поглощения водяного пара. Гибридный материал, содержащий вспененный полиуретан и неорганическое связующее согласно настоящему изобретению, имеющий тесно взаимопроникающую и однородную совместно непрерывную микроструктуру, оказывается особенно преимущественным для применения его в области строительства благодаря его вышеуказанным преимущественным характеристикам теплоизоляции, звукоизоляции, проницаемости водяного пара, огнестойкости, легкого веса, а также адгезии к бетонам, цементным растворам и штукатуркам и хорошему сопротивлению сжатию.
Гибридный материал, полученный посредством описанного выше способа его получения, имеет множество преимуществ, обусловленных универсальностью его состава и вкладом трех тесно взаимопроникающих фаз (полимер, неорганическое связующее, газ), которые участвуют в различных физических явлениях переноса водяного пара, тепловой и звуковой изоляции, огнестойкости, адгезии и легкого веса. В частности, гидратированный цемент, составляющий совместно непрерывную фазу (а не простой дисперсный наполнитель, как в традиционно используемых материалах), обеспечивает свойства проницаемости, механической жесткости, огнестойкости и химической совместимости с бетонами, штукатурками и цементными растворами. Более того, полиуретановая фаза обеспечивает вспененную основу и совместно с газообразной фазой позволяет заметно снизить массу конечного материала, а также придает свойства тепловой и звуковой изоляции. Свойства тепловой и звуковой изоляции оптимизируют путем изменения морфологии и взаимосвязанности пористости.
Кроме того, гибридный материал согласно настоящему изобретению проявляет большую легкость схватывания и обработки. Универсальность нового материала (получаемая благодаря возможности изменения состава и морфологии ячеек) позволяет получить оптимизированную систему в зависимости от области конечного применения. Поэтому настоящее изобретение относится к реализации и применению, в основном в области гражданского строительства, материалов, в которых одновременно присутствуют как свойства ячеистого бетона (проницаемость, легкий вес, хорошая механическая прочность при сжатии, огнестойкость, хорошая совместимость с цементными растворами, штукатурками и бетонами), так и полимерной пены (звуковая и тепловая изоляция, легкость схватывания и обработки). Легкость схватывания материала отражается в возможности получения панелей или промежуточных материалов в заводских условиях для последующего монтажа на стройплощадке или получения материала непосредственно на стройплощадке с возможностью в этом последнем случае непосредственного заполнения полостей с неплоскими геометрическими формами, распыления смеси по месту или отливки ее в формы. Более того, этот материал можно применять как усилитель фундаментов и грунтов путем впрыскивания. Во всех этих применениях по сравнению со вспененным полиуретаном как таковым этот материал демонстрирует характеристики, более инертные с химической точки зрения благодаря присутствию цементирующей гидратированной неорганической фазы, которая приводит к большей стабильности с течением времени и лучшей совместимости с грунтами и фундаментами.
1. Гибридный материал, обладающий совместно непрерывной и взаимно проникающей структурой, включающий по меньшей мере:
а) первую фазу, включающую вспененный полимер,
б) вторую фазу, включающую по меньшей мере одно гидратированное неорганическое связующее.
2. Материал по п.1, в котором указанный вспененный полимер представляет собой полимер на основе полиуретана; предпочтительно указанный полимер представляет собой полиуретан.
3. Материал по п.1, в котором указанное неорганическое связующее представляет собой цемент.
4. Материал по любому из пп.1-3, в котором:
- вспененный полимер представляет собой вспененный полиуретан;
- неорганическое связующее представляет собой гидратированный цемент.
5. Материал по п.1, дополнительно включающий по меньшей мере одну добавку, выбранную из группы, включающей:
- катализаторы, такие, как третичные амины, N,N-диметилциклогексиламин, триэтиленамин, N,N-диметил-2-фенэтиламин, N,N-диметилбензиламин, 2-диметиламиноэтанол,
- металлорганические соли, такие, как октоаты олова, ацетат серы, октаноат серы, этилгексоат серы, лаурат серы, дилаурат дибутилолова, сложный эфир дибутилмеди,
- сшивающие агенты, такие, как моноэтаноламин, диэтаноламин, триэтаноламин, диметилциклогексиламин,
- поверхностно-активные вещества, такие, как кремнийорганические масла, сополимеры кремнийорганических соединений и гликоля, простые полиэфирсилоксаны, полидиметилсилоксаны, частично фторированные блок-сополимеры, такие, как блок-сополимер полиметилметакрилата и 1Н,1Н,2Н,2Н-перфторгексилметакрилата, блок-сополимер полиметилметакрилата и 1Н,1Н,2Н,2Н-перфтороктилметакрилата,
- вспенивающие агенты, такие, как вода, изопентан, циклопентан, н-пентан, хлорфторуглероды,
- пламегасящие и препятствующие размножению бактерий средства, такие, как полифосфаты аммония, меламины и их производные,
- УФ-стабилизаторы,
- пластификаторы,
- агенты, способствующие совместимости,
- антистатические агенты,
- разжижитель, такой, как нафталинсульфонат, меламинсульфонат, лигнинсульфонат, полистиролсульфонат, сополимер сложного эфира акриловой кислоты, полимеры гликозида,
- добавки, которые проявляют характеристики фотокаталитической самоочистки, такие, как диоксид титана TiO2,
- добавки, которые модифицируют свойства адсорбции паров воды, такие, как фосфорная кислота.
6. Материал по п.1, в котором:
- вспененный полимер присутствует в процентном количестве от 5 до 80 мас.%, исходя из общей массы материала,
- связующее присутствует в процентном количестве от 20 до 90 мас.%, исходя из общей массы материала,
- добавки присутствуют в суммарном процентном количестве от 0 до части, недостающей до 100%, исходя из общей массы материала.
7. Материал по п.6, в котором:
- вспененный полимер присутствует в процентном количестве от 10 до 70 мас.%, исходя из общей массы материала,
- связующее присутствует в процентном количестве от 30 до 80 мас.%, исходя из общей массы материала,
- добавки присутствуют в суммарном процентном количестве от 0 до части, недостающей до 100%, исходя из общей массы материала.
8. Способ получения материала по любому из пп.1-7, включающий:
а) первую стадию, на которой исходное соединение или соединения, необходимые для образования требуемого полимера, смешивают с эффективным количеством неорганического связующего или связующих;
б) вторую стадию, на которой в смесь стадии (а) добавляют эффективное количество полимеризирующегося соединения или соединений, требуемого для реакции образования полимера;
в) третью стадию, на которой смесь стадии (б) оставляют на время, достаточное для протекания и завершения реакции отверждения полимерной фазы и одновременного вспенивания;
г) четвертую стадию, на которой неорганическое связующее или связующие подвергают гидратации.
9. Способ по п.8, в котором исходным соединением стадии (а) является полиол; предпочтительно указанный полиол представляет собой простой полиэфир и/или сложный полиэфир.
10. Способ по п.9, в котором полиол химически модифицирован карбоксиметилцеллюлозой, ацетатом целлюлозы, сульфатом целлюлозы, триметилсилилцеллюлозой, гидроксиметилцеллюлозой, 1,3-диморфолин-2-пропанолом, N-β-гидроксиморфолином, N-аминопропилморфолином, 3,3'-диморфолиндипропиламином, полиэтиленгликолем, поликапролактоном многоатомным спиртом.
11. Способ по любому из пп.8-10, в котором к исходному соединению или соединениям стадии (а) дополнительно добавляют по меньшей мере одну добавку, выбранную из группы, включающей:
- катализаторы, такие, как третичные амины, N,N-диметилциклогексиламин, триэтиленамин, N,N-диметил-2-фенэтиламин, N,N-диметилбензиламин, 2-диметиламиноэтанол,
- металлорганические соли, такие, как октоаты олова, ацетат серы, октаноат серы, этилгексоат серы, лаурат серы, дилаурат дибутилолова, сложный эфир дибутилмеди,
- сшивающие агенты, такие, как моноэтаноламин, диэтаноламин, триэтаноламин, диметилциклогексиламин,
- поверхностно-активные вещества, такие, как кремнийорганические масла, сополимеры кремнийорганических соединений и гликоля, простые полиэфирсилоксаны, полидиметилсилоксаны, частично фторированные блок-сополимеры, такие, как блок-сополимер полиметилметакрилата и 1Н, 1Н,2Н,2Н-перфторгексилметакрилата, блок-сополимер полиметилметакрилата и 1Н,1Н,2Н,2Н-перфтороктилметакрилата,
- вспенивающие агенты, такие, как вода, изопентан, циклопентан, н-пентан, хлорфторуглероды,
- пламегасящие и препятствующие размножению бактерий средства, такие, как полифосфаты аммония, меламины и их производные,
- УФ-стабилизаторы,
- пластификаторы,
- агенты, способствующие совместимости,
- антистатические агенты,
- разжижитель, такой, как нафталинсульфонат, меламинсульфонат, лигнинсульфонат, полистиролсульфонат, сополимер сложного эфира акриловой кислоты, полимеры гликозида,
- добавки, которые проявляют характеристики фотокаталитической самоочистки, такие, как диоксид титана TiO2,
- добавки, которые модифицируют свойства адсорбции паров воды, такие, как фосфорная кислота.
12. Способ по п.8, в котором неорганическое связующее представляет собой цемент.
13. Способ по п.8, в котором полимеризующееся соединение стадии (б) представляет собой диизоцианат; предпочтительно указанный диизоцианат представляет собой метилендиизоцианат, и/или толуолдиизоцианат, и/или их смесь.
14. Способ по п.8, в котором стадия (в) протекает при комнатной температуре.
15. Способ по п.8, в котором фазу гидратации стадии (г) выполняют путем выдерживания продукта стадии (в) в воде или в среде, насыщенной парами воды.
16. Применение гибридного материала по любому из пп.1-7 в области строительства.
