专利名称：使含尘表面稳定的方法
技术领域：
本发明涉及一种用呈水可再分散的聚合物粉末形式的聚合物来稳定含尘表面的方法，所述聚合物任选被可再乳化改性或者是可再乳化改性水聚合物分散体。
粉尘控制和土壤稳定是主要的环境和健康问题。粉尘，例如未铺沥青的路和碎石路的道路粉尘，污染环境并对健康造成危险。土壤稳定延缓了风侵蚀和水侵蚀。此外，道路条件是道路安全的重要部分。它通过稳定未铺沥青的路而得以改进防止形成车印、凸凹不平和搓板。微细颗粒稳定性也在延长如空气加热和冷却装置及涡轮发动机等该类机器的操作寿命方面具有重要的经济优点。通常，粉尘由粒度为1μm-2mm的微细颗粒组成。
对于土壤稳定，现有技术已经将矿物油产品喷涂于具有所有环境缺点的未铺沥青的路上。还已经将诸如氯化钙溶液和木质素磺酸盐溶液的水膨胀粘合剂用于粉尘控制和表面稳定。JP-B 05-53881、ZA-A 8803253和JP-B49046716涉及用常规水聚合物分散体的表面稳定。已将水聚合物溶液，例如聚丙烯酸溶液用于控制碎石路上的粉尘。水基聚合物产品的主要问题是1)它们仅粘结粉尘颗粒一次，因为它们不再分散，2)由于施加分散体所需的水使它们干燥和成膜缓慢并且3)由于其本身的液态使它们更难以植入或挖松进入粘结的材料中。因此，每半年必需再施加这些化合物。在以达到应用的深度使用(即深度大于1英寸)以改进耐久性时，水基产品显示出干燥极慢的额外缺点，这个缺点导致限制路的封闭次数。考虑到上述侵蚀速率和随后的频繁应用率，现有技术不仅在经济上具有缺点，而且鉴于目前用于该类型应用的多数单体基的生物降解性和化学性质其还具有环境问题。
U.S.Patent 3,736,758公开了用于使土壤在化学储存点不渗透液体的方法，该方法包括将常规聚合物分散体加入土壤的深层、润湿并压实土壤、并在已处理且压实的土壤上施加不渗透性的厚膜或有机聚合物涂层以使表面具有不渗透性。该方法由于在表面上添加的不渗透性聚合物的用量而昂贵，并且对于多种该聚合物需要环境不希望的有机溶剂。若损害了稳定性土壤的完整性，则在没有除去不渗透性的涂层和添加额外聚合物分散体时，就不能再次使土壤稳定。
因此，本发明的目的是提供使含尘表面的土壤稳定的方法，其避免了环境缺点且不需要在短时间周期内完全重新进行表面处理。这些目的和其它目的通过稳定含尘表面的方法而实现，该方法的特征在于粉尘地面被挖开或挖松，并与呈水可再分散的聚合物粉末形式的聚合物混合，所述聚合物任选被可再乳化改性或者是可再乳化改性水聚合物分散体且任选喷涂于未处理的粉尘地面上。
可再分散聚合物粉末的特征在于它们在与水搅拌后可易于再分散，大部分分解为起始分散体的原始颗粒并形成耐水性聚合物膜。可再分散可再乳化的改性聚合物粉末为通过加入一定量的分散体而改性的可再分散的聚合物粉末，其中所述分散体导致聚合物膜在曝于充分的湿气下的可控部分再乳化。与常规的形成耐水聚合物膜的聚合物分散体相反，可再乳化的改性聚合物分散体含有额外量的分散剂，导致在与水进一步接触之后第一个得到的聚合物膜的可控再乳化。通常，可再乳化的改性聚合物粉末或可再乳化的改性水聚合物分散体是指由施加聚合物或聚合物分散体所得的聚合物膜在正常条件下在曝于水时立即开始再乳化(分解)至至少50重量％的程度，优选至少90重量％的程度。所述聚合物基于选自乙烯基酯、(甲基)丙烯酸酯、乙烯基芳族化合物、烯烃、1，3-二烯烃和卤乙烯的一种或多种单体，需要的话，还有可与其共聚合的其它单体。
合适的乙烯基酯为具有1-12个碳原子的羧酸的酯。优选乙酸乙烯酯、丙酸乙烯酯、丁酸乙烯酯、2-乙基己酸乙烯酯、月桂酸乙烯酯、乙酸1-甲基乙烯酯、新戊酸乙烯酯和具有9-11个碳原子的α-支链的单羧酸的乙烯酯如VeoVa9R或VeoVa10R(Resolution Performance Products的商标)。特别优选乙酸乙烯酯。
合适的丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯单体包括具有1-15个碳原子的直链或支链醇的酯。优选的丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯为丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、甲基丙烯酸丙酯、丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸正丁酯、丙烯酸叔丁酯、甲基丙烯酸叔丁酯和丙烯酸2-乙基己酯。特别优选丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸叔丁酯和丙烯酸2-乙基己酯。优选的乙烯基芳族化合物为苯乙烯、甲基苯乙烯和乙烯基甲苯。优选的卤乙烯为氯乙烯。优选的烯烃为乙烯和丙烯，优选的二烯烃为1，3-丁二烯和异戊二烯。
需要的话，还可以使基于共聚物的总重量为0.1-5重量％的辅助单体共聚合。优选使用0.5-2.5重量％的辅助单体。辅助单体的实例为烯属不饱和单羧酸和二羧酸，优选丙烯酸、甲基丙烯酸；烯属不饱和酰胺和腈，优选丙烯酰胺和丙烯腈；烯属不饱和磺酸及其盐，优选乙烯基磺酸和2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸。其它实例为预交联的共聚单体如多烯属不饱和共聚单体，例如己二酸二乙烯酯或氰尿酸三烯丙酯，或后交联共聚单体如N-羟甲基丙烯酰胺(NMA)、N-羟甲基甲基丙烯酰胺、烷基醚如异丁氧基醚或N-羟甲基丙烯酰胺的酯。具有环氧官能团的共聚单体如甲基丙烯酸缩水甘油酯和丙烯酸缩水甘油酯也是合适的。其它实例为具有硅官能团的共聚单体，例如(甲基)丙烯酰基氧丙基三烷氧基硅烷、乙烯基三烷氧基硅烷和乙烯基甲基二烷氧基硅烷。
单体的选择或以重量计的单体用量的选择应使通常导致玻璃化转变温度Tg为-50℃-+50℃，优选-30℃-+40℃，最优选-5℃-15℃。聚合物的玻璃化转变温度Tg可以以已知方式通过差示扫描量热法(DSC)测定。还可以用Fox方程预先大约计算出Tg。根据T.G.Fox，BULL.AM.PHYSICS Soc.1，3，第123页(1956)，可适用以下方程1/Tg＝x1/Tg1+x2/Tg2+...+xn/Tgn，其中xn是单体n的质量分数(重量％/100)且Tgn为以Kelvin计的单体n的均聚物的玻璃化转变温度。均聚物的Tg值发表于Polymer Handbook(聚合物手册)，2nd Edition，J.Wiley & Sons，New York(1975)。
特别优选的是乙烯基酯单体，具体来说是乙酸乙烯酯的均聚物和共聚物。最优选聚乙酸乙烯酯，乙酸乙烯酯和乙烯的共聚物，包含乙酸乙烯酯、乙烯和具有9-11个碳原子的α-支链单羧酸的共聚物。需要的话，所述聚合物还可能含有一种或多种上述辅助单体。
聚合物以本身已知的方式通过乳液聚合方法或通过悬浮聚合方法，优选通过乳液聚合方法而制备，聚合温度一般为40-100℃，优选45-90℃。在气态共聚单体如乙烯、1，3-丁二烯或氯乙烯的共聚中，还可以使用通常为5-100bar的超大气压。
用常用于乳液聚合或悬浮聚合的水溶性或单体溶性引发剂或氧化还原引发剂组合来引发聚合。在优选实施方案中，通过保护性胶体使单体稳定。
合适的保护性胶体为聚乙烯醇，聚乙烯基吡咯烷酮，聚乙烯醇缩乙醛，水溶形式的多醣如淀粉(直链淀粉和支链淀粉)、纤维素及其羧甲基衍生物、甲基衍生物、羟乙基衍生物和羟丙基衍生物，蛋白质如酪蛋白或酪蛋白酸盐、大豆蛋白和白明胶，木质素磺酸盐，合成聚合物如(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯酸酯与具有羧基官能团的共聚单元的共聚物、聚甲基丙烯酰胺、聚乙烯基磺酸及其水溶性共聚物，三聚氰胺甲醛磺酸酯，萘甲醛磺酸酯，苯乙烯马来酸和乙烯基醚/马来酸的共聚物。优选部分水解或完全水解的聚乙烯醇。在聚合过程中通常以基于单体的总重量的1-20重量％的总量添加保护性胶体。
需要的话，可能有利的是额外使用少量乳化剂，例如基于单体量的1-5重量％。合适的乳化剂为阴离子、阳离子和非离子乳化剂，例如阴离子表面活性剂，如链长为8-18个碳原子的烷基硫酸盐、具有至多40个环氧乙烷单元或环氧丙烷单元和在疏水性基团中具有8-18个碳原子的烷基或烷基芳基醚硫酸盐、具有8-18个碳原子的烷基磺酸酯或烷基芳基磺酸酯、磺基丁二酸与一元醇或烷基酚的酯和单酯，或者非离子表面活性剂例如其中具有8-40个环氧乙烷单元的烷基聚乙二醇醚或烷基芳基聚乙二醇醚。
由此得到的起始聚合物分散体的固含量为30-70％，且为了进一步加工或最终应用可以将其稀释。为了制备水可再分散的聚合物粉末，在添加作为喷涂助剂的保护性胶体后将水分散体喷雾干燥。
通常以基于分散体的聚合物组分的3-30重量％的总量使用喷涂助剂。这意味着在干燥过程之前的保护性胶体的总用量应至少为基于聚合物部分的3-30重量％，优选基于聚合物部分的5-20重量％。合适的喷涂助剂为部分水解的聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮、水溶形式的多糖如淀粉(直链淀粉和支链淀粉)、纤维素及其羧甲基衍生物、甲基衍生物、羟乙基衍生物和羟丙基衍生物、蛋白质如酪蛋白或酪蛋白酸、大豆蛋白、白明胶、木质素磺酸盐、合成聚合物如聚(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯酸酯与具有羧基官能团的共聚单元的共聚物、聚甲基丙烯酰胺、聚乙烯基磺酸及其水溶性共聚物、三聚氰胺甲醛磺酸酯、萘甲醛磺酸酯、苯乙烯马来酸和乙烯基醚/马来酸的共聚物。
复原机理可以通过将水可再分散的聚合物粉末与分散剂结合而得到增强以获得可再乳化的改性水可再分散聚合物粉末。该类聚合物粉末促使聚合物粉末的再分散或在与水接触后的粘结的聚合物-土壤混合物的再分散。常用分散剂为上述保护性胶体和乳化剂。优选的乳化剂基于乙氧基化的脂肪醇。额外分散剂的优选用量为基于所用的可再分散聚合物粉末的总重量百分数的1-20％。这些用于应用和性能控制的额外组分可以在聚合阶段、喷雾干燥阶段加入，或者后加，优选后加。
对于可再乳化的改性水聚合物分散体，在制备聚合物分散体之后加入分散剂。常用分散剂为上述保护性胶体和乳化剂。优选的乳化剂基于乙氧基化的脂肪醇。分散剂的优选用量为基于所用聚合物分散体的总重量百分数的1-20％。
在另一个优选实施方案中，可再分散聚合物粉末，以及更优选可再乳化的改性可再分散聚合物粉末或可再乳化的改性水聚合物分散体与水硬性化合物，优选水泥和/或石膏结合。由于该结合，实现了干燥时间的改进，并且还有助于含有水硬性化合物的组合物的再分散。
本发明适用于土壤稳定和各种地面的粉尘粘结未铺沥青的粉尘路、森林路、农地通路、路肩、路床基层、建筑工地、土地开发、斜坡和凸凹不平、煤堆、四季路、私家路和车道、停车场、飞机跑道、田径场、着陆架、公共公园和田径场。通常将地下挖开或挖松至1-500mm，优选50-150mm的深度，并且将疏松材料与聚合物粉末或聚合物分散体混合。优选使用基于待稳定的土壤材料的0.01-5重量％的聚合物固体，尤其是0.2-2.0重量％的聚合物固体。通常，然后将由此制得的地下填平并压实或分层。或者可以将聚合物分散体喷涂于未经处理的地下。
为了激活或重新激活地下的粘结，仅需要优选通过喷洒水将地下曝于湿气，在其上进行水可再分散的聚合物粉末的成膜。可再分散的粉末，特别是含有额外分散剂(可乳化改性的)的，具有优于现有技术的独特性质。在每次下雨时，膜纤维将分解至一可控程度，使得在下一个干燥循环中开始再成膜过程。因此随着在深至水渗透入材料的深度和聚合物粉末与疏松尘土材料混合的深度进行的成膜，任何新形成的粉尘颗粒将被捕获。为此，与通过用形成强膜但不具有任何重粘结能力的常规聚合物喷涂地面而使土壤稳定相反，权利要求的聚合物膜在与湿气接触之后可以反复进行复原。额外的粉尘粘结在深至粉尘与聚合物粉末混合的深度进行。使用常规的水聚合物分散体，粉尘颗粒的粘结仅在起始应用中进行，并且合适的聚合物成膜仅在可通过蒸发进行充分干燥的接近应用表面处进行。
对于可再乳化的改性聚合物分散体，没有象用常规聚合物分散体那样形成强的耐水聚合物膜。在较长的干燥期后下雨或用水喷洒之后，聚合物膜分解并反复复原，而且额外的粉尘粘结以与上述可再分散聚合物粉末类似的机理进行。
在添加似水泥材料时，由于除蒸发外的干燥机理使现有技术得以进一步改进。似水泥材料可以以相对待粘结的土壤重量的小于1重量％至20重量％，优选1-10重量％，最优选1-4重量％的量加入。如用常规水分散体的情况相同，无论是在起始喷涂于表面上或植入地面，在应用表面下进行合适的成膜可能从不会发生，然后仅经历非常长期的时间后发生。在添加似水泥材料时，不管在不同深度下的局部蒸发速率，经由水的化学消耗而进行表面下的干燥(不管是否施加聚合物粉末或水分散体)以支持合适的成膜。
由此稳定的土壤通常可以相当硬，在沙子或沙质土壤情况下的视觉检查，其类似于水泥或灰泥的外表。由此稳定的土壤还具有相当大的拉伸强度和拉伸模量，根据所处理的土壤深度和处理剂的用量，其可以支撑相当大的负荷。若上层破裂、用重型机械被粉碎、或者在其上沉积额外的土壤或粉尘，土壤可以被润湿并再压实，恢复土壤的稳定性。在因此得到强稳定的土壤同时，该土壤保持对水的渗透性。
由于需要土壤能够通过添加湿气而再稳定，不管有意添加或由于自然沉淀，最希望表面保持不含不渗透性膜和蒸气屏蔽无论它们是例如通过喷涂非发泡性聚氨酯或其它热固性聚合物层而原位施加的，还是通过用塑料膜覆盖而施加的。因此，本发明方法优选不添加任何水不渗透性的膜，尤其是具有足够完整性和不渗透性的聚合物膜以防止土壤的较均匀的再润湿。然而，在处理面上均匀或局部过量的(over portion)喷涂水不渗透性物质薄膜并不背离本发明的精神，其中厚度或区域不连续性或两者应使土壤的再润湿确实易于进行，优选而不需要松土或将土壤再加工。通常，这种膜的厚度小于0.1mm且本身优选由水聚合物分散体形成，而不是由水可再分散的聚合物形成。特别优选要避免热固性涂层、交联聚合物，例如聚氨酯、环氧树脂、乙烯基酯树脂等类似物。甚至在没有该类涂层时，在单独使用可再分散聚合物的情况下产生至少有些可水渗透的硬的稳定土壤以及在还添加似水泥组分的情况下产生可水蒸汽渗透的硬的稳定土壤，而在将如聚氨酯或环氧树脂的膜施加于表面上时情况并非如此。
以下试验用于进一步说明本发明为了测试土壤稳定性，从两个不同的代表该应用主要对象的密歇根尘土路得到灰尘。在试验开始之前将所收集的灰尘进行表征，结果如下
土壤稳定性的测试对比例1将250gMI灰尘称出并放入烧杯中。
为了测试现有技术的粉尘粘结组合物，将4.7g聚丙烯酸酯分散体(固含量为47％)和9g水混入粉尘中直至看起来已经达到均匀的浸湿。然后将烧瓶放入50℃温度下的烘箱中加速干燥。12小时后，将烧瓶由烘箱中取出并通过振摇烧杯和观察释放的颗粒量来主观评价粉尘的粘结。
对比例2根据对比例1，但是代替4.7g聚合物分散体而将15g水与粉尘混合。然后将烧瓶放入50℃温度下的烘箱中加速干燥。12小时后，将烧瓶由烘箱中取出并通过振摇烧杯和观察释放的颗粒量来主观评价粉尘的粘结。
实施例3根据对比例1，但是代替4.7g聚合物分散体而将5g基于乙酸乙烯酯-乙烯共聚物的可再分散的聚合物粉末用金属刮勺混入粉尘中直至其看起来为均相。然后将15g水加入该均相混合物中并且混匀。然后将烧瓶放入50℃温度下的烘箱中加速干燥。12小时后，将烧瓶由烘箱中取出并通过振摇烧杯和观察释放的颗粒量来主观评价粉尘的粘结。
实施例4根据对比例1，但是代替4.7g聚合物分散体而将1.5g基于乙酸乙烯酯-乙烯共聚物的可再分散的聚合物粉末和3g似水泥材料用金属刮勺混入粉尘中直至其看起来为均相。然后将15g水加入该均相混合物中并且混匀。然后将烧瓶放入50℃温度下的烘箱中加速干燥。12小时后，将烧瓶由烘箱中取出并通过振摇烧杯和观察释放的颗粒量来主观评价粉尘的粘结。
实施例5不同于对比例1，将1000gMI灰尘加入1升烧杯中。向该烧杯中加入10g基于乙酸乙烯酯-乙烯共聚物的可再分散的聚合物粉末并用金属刮勺将2.5g乙氧基化的脂肪醇混入灰尘中直至其看起来为均相。然后在该均相混合物中加入15g水。然后将烧瓶放入50℃温度下的烘箱中加速干燥。
12小时后，将烧瓶由烘箱中取出并通过振摇烧杯和观察释放的颗粒量开主观评价粉尘的粘结。
然后将在每个烧杯上部的灰尘粘结层取出，物理粉碎为与原始MI灰尘类似的粒度，与5重量％的来自其各自烧杯中的均相混合物混合(以模拟将在实际应用中进行的混合)，并再放回到烧杯中。然后将15g水加到烧杯的上部并将烧杯放回50℃温度下的烘箱中加速干燥。12小时后，将烧瓶由烘箱中取出并通过振摇烧杯和观察释放的颗粒量来主观评价粉尘的粘结。
实施例6根据实施例5，但是除了加入可再分散的聚合物和20g乙氧基化的脂肪醇外，用金属刮勺将20g似水泥材料混入灰尘中直至其看起来为均相。然后在该均相混合物中加入15g水。然后将烧瓶放入50℃温度下的烘箱中加速干燥。12小时后，将烧瓶由烘箱中取出并通过振摇烧杯和观察释放的颗粒量来主观评价粉尘的粘结。
然后将在每个烧杯上部的灰尘粘结层取出，物理粉碎为与原始MI灰尘类似的粒度，与5重量％的来自其各自烧杯中的均相混合物混合(以模拟将在实际应用中进行的混合)，并再放回到烧杯中。然后将15g水加到烧杯的上部并将烧杯放入50℃温度下的烘箱中加速干燥。12小时后，将烧瓶由烘箱中取出并通过振摇烧杯和观察释放的颗粒量来主观评价粉尘的粘结。
试验结果结果按如下进行评级3＝非常好的粉尘粘结，比现有技术好2＝良好的粉尘粘结，与现有技术类似1＝低的粉尘粘结0＝没有粉尘粘结表权利要求
1.一种使土壤表面稳定的方法，其包括通过至少以下a或b之一处理土壤a.将水可再分散聚合物粉末或可再乳化的改性可再分散聚合物粉末与土壤混合以形成土壤/聚合物混合物，并润湿所述土壤/聚合物混合物以形成聚合物粘结的土壤；或者b.将水可再分散的聚合物粉末或可再乳化的改性可再分散聚合物粉末的至少一种施加于土壤上，并任选压实如此处理的土壤，附加条件为土壤表面不含水不可渗透性聚合物膜以使所述土壤可用水再润湿。
2.根据权利要求1的方法，其中所述土壤表面不含任何水不可渗透性聚合物膜。
3.根据权利要求1或2的方法，其中所述土壤为沙地并且将水可再分散聚合物粉末或可再乳化的改性可再分散聚合物粉末的水分散体施加于所述土壤上。
4.根据权利要求1-3之一的方法，其中将水可再分散的聚合物粉末或可再乳化的改性可再分散聚合物粉末与土壤混合，并且所述润湿是施加通过水可再分散的聚合物粉末和/或可再乳化的改性可再分散聚合物粉末的水分散体来完成的。
5.根据权利要求1-4之一的方法，其中将包含水可再分散的聚合物粉末和水硬性水泥的组合物与土壤混合并润湿。
6.根据权利要求1-5之一的方法，其中将包含可再乳化的改性可再分散聚合物粉末和水硬性水泥的组合物与土壤混合并润湿。
7.根据权利要求1-6之一的方法，其中所述水可再分散的聚合物为通过在保护性胶体存在下共聚合包含至少一种选自以下组中的单体的单体混合物而制备的聚合物乙烯基酯、(甲基)丙烯酸酯、乙烯基芳族化合物、烯烃、1，3-二烯烃和卤乙烯。
8.根据权利要求1-6之一的方法，其中所述水可再分散的聚合物为通过在保护性胶体存在下共聚合包含乙烯乙烯酯和乙烯的单体混合物而制备的聚合物。
9.根据权利要求1-6的方法，其中所述水可再分散聚合物为通过在保护性胶体存在下共聚合包含至少一种选自乙烯基酯、(甲基)丙烯酸酯、乙烯基芳族化合物、烯烃、1，3-二烯烃和卤乙烯的单体的单体混合物而制备的聚合物，并且在将所述水可再分散的聚合物加入土壤之前将分散剂加入水可再分散聚合物中或者在压实土壤之前将分散剂加入土壤中。
10.根据权利要求1-6之一的方法，其中所述水可再分散聚合物为通过在保护性胶体存在下共聚合包含乙烯乙烯酯和乙烯的单体混合物而制备的聚合物，其中在将所述水可再分散的聚合物加入土壤之前将分散剂加入水可再分散聚合物中或者在压实土壤之前将分散剂加入土壤中。
11.根据权利要求1-10之一的方法，其中所述土壤在潮湿的状态下被压实。
12.一种使通过权利要求1-11之一的方法而制备的稳定土壤再稳定的方法，其包括再润湿土壤。
13.权利要求13的方法，其中在再润湿之前、之中或之后将所述土壤挖开或挖松，然后再将其压实。
全文摘要
本发明涉及一种使含尘表面稳定的方法，其特征在于将粉尘地面挖开或挖松，并与呈水可再分散的聚合物粉末形式的聚合物混合，所述聚合物任选被可再乳化改性或者可再乳化改性水聚合物分散体且任选喷涂于未处理的粉尘地面上。在优选的实施方案中，可再分散的聚合物粉末，分别为可再乳化的改性可再分散聚合物粉末或可再乳化的改性水聚合物分散体，与水硬性化合物(优选水泥和/或石膏)结合。
文档编号C09K17/40GK101080479SQ200580043341
公开日2007年11月28日 申请日期2005年12月8日 优先权日2004年12月15日
发明者M·泽利格, E·法拉尔, M·斯普拉德林 申请人:瓦克聚合系统两合公司