专利名称：基于单组分多相液态聚氨酯组合物的土工布/聚氨酯/复合衬里的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过用单组分(one-component)多相液态聚氨酯组合物浸透土工布，随后加热或加入溶剂而固化形成土工布/聚氨酯/聚脲复合体所制成的土工布/聚氨酯/聚脲和/或土工布/聚脲复合衬里。本发明的土工布/聚氨酯/聚脲和/或土工布/聚脲复合材料可用于灌溉和废水的运河及沟渠用衬里、屋面膜、二道防渗层(secondarycontainmant)等。
背景技术：
近年来，自然资源的管理在世界上许多国家正日益受到重视。这方面的努力既涉及对我们资源的保护也涉及从我们环境中消除污染。废弃物泄漏和水源流失一向是重中之重。
采用无衬里灌溉沟渠的水分配中的损失据估计至少在25％，某些情况下甚至大于50％，取决于沟渠表面的孔隙率和送水距离。在大多数乡村地区，沟渠通常是通过将土壤挖掘至要求的深度和宽度而形成的。水在流过沟渠时一直接触外露天然表面。这可以是砂、粘土、岩石等，更常见地，是其混合物。孔隙率将取决于不同组分的比例。
水在无衬里灌溉沟渠中的损失一度认为仅在水供过于求的情况下才是可接受的。然而，随着文明的发展和世界人口的增加，需要更多水来生产更多的食物和满足非农业用水的显著增长。除了家庭卫生用水量的增加之外，今天，工业也在制造和加工程序中使用大量水。
此种高消费量加上新水源的高开发成本使人们将注意力转向水源保护。已开发出省水的家用器具。同样，工业界已安装了循环净化系统以减少水的消耗。
虽然节约用水的努力在一定程度上减少了水的消耗，但是水仍旧相对短缺，特别是近年来随着美国和其他国家严重旱情的发生。鉴于大多数成本效益较好的水源保护机遇和容易接近的水源已经被开发，故必须把较大注意力转向改进水分配系统的效率。
水分配效率的改进已在进行。有限数量的沟渠和运河衬砌了混凝土和/或预制混凝土管。混凝土耐久，当使用恰当时寿命也长。然而，混凝土的铺砌和表面修饰成本颇高，并且会因固化期间温度不利而损坏。还有，混凝土容易遭受严寒而损伤、龟裂和鼓胀，从而导致泄漏。
成形运河和水渠用的聚氨酯复合衬里的方法和实施该方法的设备公开在，例如，美国专利4,872,7844,955,7594,955,7605,049,0065,062,7405,421,677和5,607,998。
美国专利5,421,677(“’677专利”)涉及成形沟渠衬里的改良方法。’677专利的混合物是二组分聚氨酯树脂和一种或多种最高占混合物总重量60wt％的填料。该混合物被配置在土工布上，从而形成液态含填料的聚氨酯浸透的土工布复合材料。然后，将该液态聚氨酯浸透的土工布复合材料铺在待衬区域的表面上。
上面列举专利中使用的树脂的一个缺点是，它采用具有至少两种组分的反应性树脂，这些组分必须在施工现场采用特殊设备计量和混合。采用像聚酯、环氧树脂或聚氨酯之类的反应性树脂遇到的另一个问题是，树脂混合后到固化之前，它们仅有有限的适用期。这给施涂到土工布上与固化之间只留下很短的时间。在某些树脂，即，聚氨酯中，必须小心地驱除水，以免在与异氰酸酯组分起反应以后起泡。
基于上述种种原因，若能采用一种不具有这些缺点的粘结剂组合物生产土工布/聚氨酯复合材料，那将是希望的。
发明概述为此，本发明提供由一种或多种土工布和一种单组分多相液态聚氨酯组合物制备的土工布/聚氨酯/聚脲和/或土工布/聚脲复合材料，还涉及制备此种复合材料的方法。本发明复合材料可作为衬里用于灌溉和废水运河和沟渠、屋面膜、二道防渗层等。
本发明的这些以及其他优点和功效在下面的本发明详述中是显而易见。
发明详述现在将为说明的目的描述本发明，但本发明不限于此。除了在操作实施例或者另行指出之处以外，在本说明书中所有表示数量、百分数等的数字在任何情况下一律应理解为由术语“大约”加以修饰。
本发明提供一种土工布/聚氨酯复合材料，由一种或多种以单组分多相液态聚氨酯组合物基本上浸透的土工布组成，该组合物包含分散在液态异氰酸酯-反应性化合物中的含异氰酸酯基团的固体，或者分散在液态异氰酸酯、异氰酸酯加合物或异氰酸酯-链端预聚物中的固态异氰酸酯-反应性化合物，任选的催化剂、粘度调节添加剂、溶剂、表面活性剂、交联剂、颜料、填料和其他添加剂。
本发明还提供成形土工布/聚氨酯复合材料的方法，涉及下列步骤以单组分多相液态聚氨酯组合物基本上浸透一种或多种土工布，该组合物包含分散在液态异氰酸酯-反应性化合物中的含异氰酸酯基团的固体，或者分散在液态异氰酸酯、异氰酸酯加合物或异氰酸酯-链端预聚物中的固态异氰酸酯-反应性化合物，任选的催化剂、粘度调节添加剂、溶剂、表面活性剂、交联剂、颜料、填料和其他添加剂使该多相液态聚氨酯浸渍的一种或多种土工布与某一表面达到共形并对多相液态聚氨酯浸渍的土工布加热或加溶剂从而形成土工布增强的聚氨酯复合材料。
本文中使用的术语“土工布/聚氨酯”复合材料旨在包括土工布/聚氨酯/聚脲复合材料和土工布/聚脲复合材料。术语“多相”在这里用来指分散在连续液体相中的固体颗粒。在单组分多相液态聚氨酯组合物中，分散的固体将包含能与连续液体相中存在的官能团起反应的官能团。
分散的固体中的官能团与连续液体相中的官能团之比可选择为，使每当在这两相之间发生反应时生成一种包含氨酯或脲，或者氨酯和脲基团的固体聚合物。只要这两相(固相和液相)保持分开就不会或很少发生反应，但每当固体转而溶解在液相中时，就将发生反应生成固体聚合物。加热或加入合适的溶剂可诱导此种溶解。
单组分多相液态聚氨酯组合物是现有技术中公知的，是固态异氰酸酯分散在液态多元醇或液态氨基链端多元醇中，或者固态多元醇或胺分散在液态异氰酸酯、异氰酸酯加合物或异氰酸酯-链端预聚物中。有关这两种类型多相液态聚氨酯组合物可见诸于，例如，美国专利5,142,0145,138,0115,124,4473,488,3024,390,6784,483,9744,442,2804,619,9854,667,0084,757,1055,091,4975,091,497和5,574,123。
有关采用以胺稳定化的固态多异氰酸酯的技术的参考文献载于FSK/SPI的会议论文集“Polyurethane World Congress 1987”，1987-09-29～10-02，Aachen，联邦德国，第316～322页和“ThirdAnnual International Lonference on Crosslinked Polymers”，Luzefn，瑞士，1989-05-29～31，第139～151页。适宜的固态异氰酸酯的例子可见诸于美国专利4,483,974，包括但不限于，1，5-萘二异氰酸酯、3，3’-二异氰酸根合-4，4’-二甲基-N，N’-二苯基脲、二聚1-甲基-2，4-二异氰酸根合苯、二聚4，4’-二异氰酸根合二苯甲烷和3，3’-二甲基-4，4’-二异氰酸根合联苯。也公开了“胺稳定剂”和代表连续液相的含羟基和/或氨基基团的化合物。美国专利4,4422804,619,9854,667,0084,757,1055,091,4975,091,497和5,574,123公开了固态异氰酸酯分散在液态羟基和/或胺链端的化合物中的分散体。
合适的含有固态异氰酸酯-反应性化合物(胺和/或羟基链端的)分散在液态异氰酸酯或酚类封闭的异氰酸酯相中的单组分多相液态聚氨酯组合物公开在，例如，美国专利3,488,3024,390,6785,142,0145,138,011和5,124,447中。
美国专利3,488,302公开适宜的液态、异氰酸酯链端的预聚物和固态多羟基化合物，其中以季戊四醇和甘露醇较为优选。该’302专利要求活性氢与异氰酸酯端基之比介于2/1～100/1或更高，优选5/1～30/1。这些常温稳定的多相组合物可用作腻于和密封剂并可以带状物或涂料形式施加，和通过热固化而牢固地粘合在表面上。过量的多元醇起填料的作用。
美国专利4,390,678公开一种非常类似的组合物，然而，固态羟基化合物相中的羟基基团对异氰酸酯-链端预聚物液相中的NCO的数量比被限制在小于2∶1。这些组合物也在常温保持稳定，而在加热固化后形成固态聚氨酯聚合物。
美国专利5,142,0145,138,011和5,124,447采用酚封端的异氰酸酯或异氰酸酯预聚物作为液相，并用固态聚胺或聚胺盐作为固态分散相。这些组合物也在常温下稳定和可通过加热或加入溶剂而固化生成固态聚氨酯/脲聚合物。
在用于成形土工布/聚氨酯复合材料之前，也可根据需要将粘度调节添加剂、表面活性剂、颜料、填料和其他本领域公知的添加剂加入到单组分多相液态聚氨酯组合物中。
这里所使用的术语“土工布”指的是由天然或合成纤维制成的任何织造或非织造多孔毯或垫。土工布可由各种各样合成材料生产，例如由聚丙烯、聚酯、尼龙、聚氯乙烯和聚乙烯生产，或者由天然纤维生产，例如由黄麻和棉花生产。它们可采用单丝纱或者切膜扁丝来机织，或者是非织造针刺、热定形和树脂粘合的织物。土工布在美国有许多制造商市售供应。正如本领域技术人员所知，土工布主要用来铺衬土壤表面。此种衬里可在铺衬屋面、池塘、水库、填埋场和地下储罐、运河或水渠方面具有辅助应用。这里所使用的术语“沟渠”和“运河”彼此通用，可以指任何载液体的表面。
本发明优选的是，本发明中使用的土工布至少之一比较厚，具有“较蓬松”的构造，因此能像海绵似地吸收该单组分多相液态聚氨酯组合物。一种或多种土工布可与单组分多相液态聚氨酯组合物组合使用。土工布/聚合物复合衬里的最终厚度可由土工布的选择(层数和单层的厚度)以及单组分多相液态聚氨酯组合物的施涂量来确定。
优选将含水聚合物的粘度调节到在施涂到土工布基材上以后，即便在垂直表面也不流走的程度。
在本发明的最简单的实施方案中，可优选将预剪裁的土工布片材浸没在单组分多相液态聚氨酯组合物的浴中，随后将浸透的土工布施加到待衬表面上。
也可将一幅或多幅土工布连续拉过单组分多相液态聚氨酯组合物的浴，裁剪至规定的尺寸并铺在待衬表面上。如果要求复合材料具有一致的厚度，则可在裁剪之前将浸透的土工布拉过口型或辊筒。
在本发明的一种实施方案中，土工布/聚合物复合衬里可采用例如美国专利5,639,331(“’331专利”)中描述的机器来制备。’331专利公开了一种可移动沟渠铺衬设备，包括供应原料如树脂、催化剂、颜料或其他添加剂用的储槽。
在该实施方案最简单的模式中，只需要一个储槽来容纳单组分多相液态聚氨酯组合物。不要求混合室，直接将单组分多相液态聚氨酯组合物计量加入到槽中。然而，如果要计量加入使组合物固化的溶剂或任何其他前面提到的添加剂并与单组分多相液态聚氨酯组合物连续混合，则希望有多于一个储槽。
可将土工布从装有单组分多相液态聚氨酯组合物的储槽经过可调节的口型拉出。口型的开口提供单组分多相液态聚氨酯组合物在土工布上的均匀分布，决定多少单组分多相液态聚氨酯组合物被配置到土工布上，也控制着浸透聚氨酯的土工布复合材料的厚度。浸透聚氨酯的土工布随后被剪切到要求的长度并铺在待衬区域使之与该表面共形，然后优选地通过加热或加入溶剂而固化形成土工布/聚合物复合衬里。单组分多相液态聚氨酯组合物浸透的土工布衬里按照使它们在一定程度上搭接的方式铺设，以保证在固化后获得一种无缝永久柔性复合衬里。
在本发明另一种实施方案中，将单组分多相液态聚氨酯组合物利用例如市售供应的喷涂设备喷涂到土工布上。
可将此种单组分多相液态聚氨酯组合物浸透的土工布铺在待衬表面使之与该表面共形，并使其固化形成土工布/聚合物复合材料。也可先将土工布裁切成一定尺寸，随后铺在待衬区域，然后再在其上喷涂单组分多相液态聚氨酯组合物。优选的是，将表面带有仍处于液态的单组分多相液态聚氨酯组合物的土工布用辊筒滚轧，例如，用涂漆辊，从而使单组分多相液态聚氨酯组合物透过土工布一直渗透到待衬表面。
在本发明另一种实施方案中，可首先将单组分多相液态聚氨酯组合物喷涂到混凝土衬砌的沟渠的破裂混凝土表面，并在其上铺上土工布，以便土工布吸收仍处于液态的单组分多相聚氨酯组合物，从而形成浸透的复合材料，其被固化形成固体却又柔性的聚氨酯/土工布复合材料。
上面描述的组合物借助外部加热或通过加入适当溶剂在合理长的时间内完成固化。
土工布/聚合物复合材料的厚度可在宽范围内变化，但优选介于40μm～500μm厚。
聚合物在土工布上的施涂量可多可少，但每平方米施涂的聚合物的量优选介于0.2kg～20kg，更优选0.5kg～5kg。聚合物的施涂量可以介于这些数值的任意组合之间，包括给出的数值在内。
需要的话，几层单组分多相液态聚氨酯组合物浸透的土工布可彼此重叠地施加，从而获得一种具有较高强度和尺寸稳定性的复合材料。这是铺衬土质运河或沟渠的优选模式。
具体实施例方式
实施例本发明将通过下面的实施例进一步说明，但本发明并不限于此。下面的组分被用于实施例中PU组合物A一种单组分多相液态聚氨酯组合物按照美国专利4,483,974(实施例2)采用下面的组分制成250g线型聚丙二醇醚，MW＝20000.15g乙二胺“胺稳定剂”43.8g二聚的细颗粒甲苯二异氰酸酯22.25g 2，4-/2，6-二氨基-3，5-二乙基甲苯异构体混合物(65/35)“DETA”0.5g二月桂酸二甲基锡，商品名FOMREZ UL-28，由Witco公司(纽约)市售供应(催化剂，用于替代美国专利4,483,974(实施例2)中使用的辛酸铅溶液)。
PU组合物B一种单组分多相液态聚氨酯组合物按照美国专利3,488,302(实施例1)制成。预聚物由下列组分制备183.7g MONDUR TD-80，甲苯二异氰酸酯，含有约80wt％的2，4-异构体和20wt％的2，6-异构体(由Bayer Polymers LLC市售供应)，以及1000g PPG 2000，线型聚丙二醇醚，MW＝2000。
该预聚物是这样制备的在80℃、干燥氮气流和搅拌下的烧瓶中，将甲苯二异氰酸酯加入到多元醇中。反应时间为2h。NCO-含量经测定是3.6％。此后，将材料冷却至室温。向该预聚物中加入下列化合物并搅拌至形成细腻稳定的悬浮体。
340g季戊四醇(精细研磨的)，和59.2g胶态二氧化硅将该产物存放在干燥氮气下的密闭容器中。
土工布A
TYPAR-3301，纺粘聚丙烯，3oz/yd2，12密耳厚(Reemay)。
土工布BTREVIRA纺粘型号1620，聚酯，非织造布，热粘合的，5.7oz/yd2，37密耳厚(Fluid Systems)。
实施例1将一片土工布B(1平方英尺，24.2g)光面朝下地放在聚乙烯片材上。在土工布B上倾倒PU组合物A(250g)并利用小塑料涂漆辊将其分布均匀。随后，将一片土工布A(1平方英尺，9.9g)铺在涂布的土工布B片材顶面上并用涂漆辊滚轧，直至液态组合物浸透上面的片材。随后，使样品在150℃下后固化2h。获得的土工布/聚氨酯复合材料具有下表I所载物理性能。
表I
实施例2将一片土工布B(1平方英尺，24.2g)光面朝下地放在聚乙烯片材上。在土工布B上倾倒PU组合物B(250g)并利用小塑料涂漆辊将其分布均匀。随后，将一片土工布A(1平方英尺，9.9g)铺在涂布的土工布B片材顶面上并用涂漆辊滚轧，直至液态组合物浸透上面的片材。随后，使样品在150℃下后固化2h。获得的土工布/聚氨酯复合材料具有下表II所载物理性能。
表II
虽然在上面为了说明的目的已详细描述了本发明，但要知道，这些细节仅仅为了说明的目的，并且本领域技术人员在不偏离本发明实质和范围的条件下可制定出各种变换方案。本发明的范围由所附权利要求决定。
权利要求
1.一种土工布/聚氨酯复合材料，包含一种或多种以单组分多相液态聚氨酯组合物基本上浸透的土工布，该组合物包含i)分散在液态异氰酸酯-反应性化合物中的含异氰酸酯基团的固体，或者ii)分散在液态异氰酸酯、异氰酸酯加合物或异氰酸酯-链端预聚物中的固态异氰酸酯-反应性化合物，任选的催化剂、粘度调节添加剂、溶剂、表面活性剂、交联剂、颜料、填料和其他添加剂。
2.一种包含权利要求1的土工布/聚氨酯复合材料的灌溉运河和沟渠用衬里。
3.权利要求1的土工布/聚氨酯复合材料，具有至少约5％的伸长和至少约200psi的抗张强度。
4.权利要求1的土工布/聚氨酯复合材料，其中吸水小于约10wt％。
5.权利要求1的土工布/聚氨酯复合材料，其中所述一种或多种土工布包括至少一种较厚、较像海绵状的土工布。
6.权利要求1的土工布/聚氨酯复合材料，其中所述一种或多种土工布基本上浸透了单组分多相液态聚氨酯组合物，使得聚合物在复合材料中的量为每平方米土工布约0.2kg～约20kg聚合物。
7.权利要求1的土工布/聚氨酯复合材料，其中所述一种或多种土工布浸透了单组分多相液态聚氨酯组合物，使得聚合物在复合材料中的量为每平方米土工布约0.5kg～约5kg聚合物。
8.权利要求1的土工布/聚氨酯复合材料，其厚度为约40μm～约500μm。
9.一种成形土工布/聚氨酯复合材料的方法，包括下列步骤以单组分多相液态聚氨酯组合物基本上浸透一种或多种土工布，该组合物包含，i)分散在液态异氰酸酯-反应性化合物中的含异氰酸酯基团的固体，或者ii)分散在液态异氰酸酯、异氰酸酯加合物或异氰酸酯-链端预聚物中的固态异氰酸酯-反应性化合物，任选的催化剂、粘度调节添加剂、溶剂、表面活性剂、交联剂、颜料、填料和其他添加剂；使多相液态聚氨酯浸透的一种或多种土工布与某一表面达到共形并且对多相液态聚氨酯浸透的土工布加热或加入溶剂从而形成土工布增强的聚氨酯/聚脲复合材料。
10.权利要求9的方法，其中所述复合材料是灌溉运河和/或沟渠用衬里。
11.权利要求9的方法，其中所述复合材料具有至少约5％的伸长和至少约200psi的抗张强度。
12.权利要求9的方法，其中所述一种或多种土工布包括至少一种较厚、较像海绵状土工布。
13.权利要求9的方法，其中所述一种或多种土工布浸透了单组分多相液态聚氨酯组合物，使得聚合物在复合材料中的量为每平方米土工布约1kg～约20kg聚合物。
14.权利要求9的方法，其中所述一种或多种土工布浸透了单组分多相液态聚氨酯组合物，使得聚合物在复合材料中的量为每平方米土工布约2kg～约5kg聚合物。
15.权利要求9的方法，其中复合材料的厚度介于约40μm～约500μm。
16.在一种铺衬运河和沟渠的方法中，改良之处在于包括权利要求1的复合材料。
17.在一种铺衬运河和沟渠的方法中，改良之处在于包括按照权利要求9的方法制备的复合材料。
全文摘要
本发明涉及通过用单组分多相液态聚氨酯组合物浸透土工布，随后加热或加入溶剂固化成土工布/聚氨酯复合材料而制备的土工布/聚氨酯/聚脲和/或土工布/聚脲复合材料。本发明的复合材料可用于灌溉和废水的运河和沟渠的衬里、屋面膜、二道防渗层等。
文档编号C08G18/48GK1611528SQ200410075219
公开日2005年5月4日 申请日期2004年9月13日 优先权日2003年9月12日
发明者P·H·马库施, R·居特尔, T·L·塞克利克 申请人:拜尔材料科学有限责任公司