САМОНЕСУЩАЯ СИНТЕТИЧЕСКАЯ ПОЛИМЕРНАЯ ВОДОНЕПРОНИЦАЕМАЯ МЕМБРАНА СО СВОЙСТВАМИ САМОВОССТАНОВЛЕНИЯ
SELF-SUPPORTING SYNTHETIC POLYMERIC WATERPROOF MEMBRANE WITH SELF-REPAIRING PROPERTIES

Задача изобретения
Настоящее изобретение, самонесущая синтетическая полимерная водонепроницаемая мембрана со свойствами самовосстановления, относится к синтетической мембране, применяемой в строительном секторе. Эта самонесущая мембрана может быть монослойной или многослойной. В состав монослойной мембраны входят термопластичные полимеры, материалы на основе глин смектитового типа и суперпоглощающие полимеры (СПП), причем мембрана является самонесущей, то есть она не снабжена вспомогательным слоем типа геотекстильной, армирующей или геосинтетической дренажной сетки, действующим как опорный слой для монослойной мембраны. Также описанная монослойная мембрана может быть снабжена другими геосинтетическими вспомогательными слоями, что приводит к многослойной мембране, состоящей из по меньшей мере двух слоев, предпочтительно трех слоев, причем внешние геосинтетические слои имеют состав, подобный тому, который существуют в настоящее время, а средний слой имеет состав, указанный выше и являющийся объектом настоящего изобретения.
Настоящее изобретение, самонесущая самовосстанавливающаяся синтетическая мембрана, относится к области строительных работ, гидроизоляции крыш и подземных сооружений (полы, стены и т.п.), а также к области гражданских строительных работ, герметизации мусорных свалок, каналов, туннелей, водохранилищ, дорог, стен, мостов и т.п.
Уровень техники
В настоящее время для изготовления водонепроницаемых мембран используют синтетические материалы (полимеры), например, такие как полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), поливинилхлорид (ПВХ), сополимер этилена, пропилена и диенового мономера (ЭПДМ), битум и т.п. и/или их комбинации, в смеси с небольшим количеством добавок.
Также используют комбинации различных геосинтетических материалов, как в случае «бентонитовых покрытий», которые изготовлены из геокомпозитов, то есть продуктов, образованных из комбинации различных геосинтетических материалов, например, геотекстиль-бентонит-геотекстиль, геотекстиль-бентонит-пластиковая мембрана и т.п., все из которых содержат бентонитовый порошок, расположенный между другими слоями геосинтетических материалов, в результате чего получают системы гидроизоляции на основе бентонита для строительных работ и возведения гражданских инженерных сооружений.
Эти синтетические или природные материалы (ПЭ, ПП, ПВХ, ЭПДМ, битум и т.п.), которые используют в качестве сырья для изготовления водонепроницаемых мембран, предназначенных для установки при работах, должны обладать следующими свойствами: высокой степенью водостойкости, отличными механическими свойствами и высокой долговечностью, среди прочего. Существующие водонепроницаемые мембраны обладают крайне низкой водопоглощающей способностью и, благодаря данному свойству, их используют для этих применений. Кроме того, они не обладают никаким поглощающим эффектом и, следовательно, не набухают при контакте с водой.
Одно из основных ограничений водонепроницаемых мембран состоит в их полной неспособности сохранять водонепроницаемость после их повреждения, поскольку они не могут препятствовать утечке текучей среды, которую они содержат, после того как произошло это повреждение.
Различные продукты на основе бентонита также используют в качестве водонепроницаемых барьеров, как для возведения гражданских инженерных сооружений, так и для строительных работ, например:
• раствор или суспензия из бентонита для предотвращения оседания в конструкции туннелей или для заполнения трещин;
• гидроизоляционные покрытия на основе бентонита, включающие геомембрану (водонепроницаемую мембрану с основной функцией поддержки прикрепленного слоя бентонита);
• геокомпозиты, включающие бентонит, инкапсулированный между одним или двумя слоями тканого геотекстиля.
Для этих продуктов требуется независимое производство геосинтетических материалов, которые затем механически соединяют, например, путем сварки, сшивания или склеивания, например, для поддержки изолирующего компонента. Таким образом, эти производственные процедуры ограничивают размер мембран.
В существующем уровне техники известен натриевый бентонит или монтмориллонит, который представляет собой глину трехслойного филлосиликатного типа (Фиг. 1) смектитовой группы, структура которой образована слоем октаэдрических единиц, в основном, из алюминия в форме сетки, расположенным между двумя плоскостями тетраэдров из кремния (Si), которые включают простые или гидратированные компенсирующие катионы.
Основной структурной особенностью глины смектитового типа является то, что как вода, так и другие полярные молекулы, включая органические молекулы, могут проникать в межслойное пространство, вызывая расширение сетки. Это явление связано с тем, что параллельные слои в этой группе глин соединены силами Ван-дер-Ваальса и другими электростатическими силами. Такая структура делает их идеальными для использования в качестве гидроизоляционных барьеров. В частности, семейство натриевых бентонитовых глин является наиболее подходящим для этого применения, так как они обладают способностью увеличивать свой объем в несколько раз при контакте с водой, хотя также используют и кальциевые бентониты или смеси кальциевых и натриевых бентонитов.
Бентонит имеет большое процентное содержание монтмориллонита. Различные типы бентонитов классифицируют в соответствии с присутствующими катионами и их процентным содержанием. В промышленных применениях было показано, что гекторит в некоторых случаях превосходит бентонит (в первую очередь, монтмориллонит) из-за своей способности к набуханию и диспергируемости. Это объясняют меньшим размером частиц в нем.
В дополнение к природным смектитам существуют и другие синтетические альтернативы, такие как лапонит (синтетический гекторит), фторгекториты или фторидные мусковиты, которые могут поглощать воду и набухать аналогично смектитам. Существуют глины с активированием натрия (кальциевый бентонит для получения натриевых бентонитов).
Основное ограничение, связанное с гидроизоляционными барьерами, которые содержат порошок бентонита, заключается в том, что они относятся к системам гидроизоляции с различными слоями геосинтетических материалов, при этом необходимо, чтобы бентонит был прикреплен, поддержан и/или заключен между слоями, составляющими систему, такими как: геотекстили, геомембраны, геосети или их комбинации; посредством этого обеспечивают сцепление порошка бентонита и предотвращают его миграцию и/или рассеивание во время установки и после нее.
Кроме того, суперпоглощающие полимеры (СПП) или суперабсорбирующие полимеры представляют собой полимеры, которые могут поглощать и удерживать очень большие количества жидкости по сравнению с их собственной массой. Водопоглощающие полимеры, которые классифицируют как гидрогели, когда они имеют сетчатую структуру, поглощают водные растворы посредством образования водородных связей с молекулами воды. Емкость СПП при поглощении воды является фактором ионной концентрации водного раствора.
Суперпоглощающие полимеры с сетчатой структурой низкой плотности обычно имеют более высокую абсорбирующую способность и в большей степени набухают. Эти типы СПП также образуют более мягкий и липкий гель. Полимеры с сетчатой структурой высокой плотности обладают меньшей абсорбирующей способностью и в меньшей степени набухают, но при этом прочность геля выше, а форма частиц может сохраняться даже при среднем давлении.
В основном, СПП находят применение в одноразовых гигиенических продуктах, таких как, например, детские подгузники, защитное нижнее белье для взрослых и гигиенические прокладки. СПП также используют для блокирования проникновения воды в подземные силовые электрические кабеля или кабеля связи, в сельскохозяйственных влагоудерживающих средствах, для контроля разливов водных текучих сред и сточных вод, а также для производства искусственного снега.
Акриловые полимеры или суперпоглощающие полимеры (СПП) в их сухом состоянии напоминают закрученную спираль (Фиг. 2). Когда эти молекулы помещают в воду, то образуются мостиковые водородные связи с окружающей водой (НОН), что приводит к тому, что эти молекулы раскручиваются и выпрямляются (Фиг. 3).
-
+
Когда молекулы выпрямляются, они увеличивают вязкость окружающей текучей среды. Химия суперабсорбента требует двух обстоятельств: добавления небольших молекул, которые поперечно соединяют полимерные нити, образуя сеть (сетчатую структуру), и частичной нейтрализации карбоксильных групп (-СООН) вдоль основной полимерной цепи (-COONa).
Молекулы воды притягиваются к сетке за счет диффузионного градиента, который образуется в результате нейтрализации натрия в основной полимерной цепи. Полимерные цепи пытаются выпрямиться, но ограничены из-за сетчатой структуры. Таким образом, частицы расширяются, когда вода проходит внутрь сетки (Фиг. 4).
Молекулы воды прочно связываются с карбоксилатными ионами сетки суперпоглощающего полимера посредством мостиковых водородных связей. Многие растворимые металлы также имеют тенденцию к ионному обмену с натрием вдоль основной полимерной цепи и удерживаются при этом, поэтому полиакрилаты могут быть использованы в качестве секвестрантов или хелатообразующих агентов в некоторых моющих средствах для использования в жесткой воде. Внешний вид молекулы суперабсорбента более подробно показан на Фиг. 5, а внешний вид сетки суперпоглощающего полимера в большем масштабе подробно показан на Фиг. 6.
Аналогично, в существующем уровне техники могут быть мембраны, в состав которых входят термопластичные полимеры, глины смектитового типа и суперпоглощающие полимеры, содержащие пластификатор. Пластификатор представляет собой материал, который включен в пластик для облегчения его обработки и повышения его гибкости. При использовании пластификатора в композиции происходит уменьшение следующих параметров:
- вязкости в расплавленном состоянии,
- модуля упругости и
- температуры (Tg) стеклования пластика.
Поэтому пластификаторы включают в композицию, в основном, чтобы:
- облегчить преобразование материала,
- увеличить ударопрочность,
- увеличить гибкость,
- улучшить пластичность и прочность полимеров и
- уменьшить твердость и хрупкость.
Однако в дополнение к вышеупомянутым преимуществам использование пластификаторов влечет за собой определенные недостатки, такие как:
- Проблемы токсичности: например, высокотоксичные полихлорированные бифенилы больше не используют в качестве пластификаторов. Сложные эфиры фталевой кислоты, такие как ДОФ, могут быть экстрагированы из крови, хранящейся в пакетах и пробирках из пластифицированного ПВХ. Эти ароматические сложные эфиры также могут выделяться из чехлов для автомобильных сидений, изготовленных из ПВХ, под действием тепла.
- В результате потери пластификатора пластмассовый материал превращается в хрупкий материал, не подходящий для цели, для которой он был изготовлен, поскольку это очень сильно сокращает срок его службы.
- Некоторые пластификаторы, которые используют в производстве пластмасс, являются опасными, например, «ди-2-этилгексилфталатные» пластификаторы, которые оказались канцерогенными для животных при лабораторных испытаниях, и этот продукт в настоящее время считают потенциально канцерогенным.
Таким образом, объектом настоящего изобретения является самонесущая монослойная мембрана, в состав которой входят термопластичные полимеры, глины смектитового типа и суперпоглощающие полимеры без какого-либо пластификатора, чтобы избежать связанных с ним недостатков.
Подробное описание изобретения
Свойство самовосстановления самонесущих водонепроницаемых мембран, которые являются объектом настоящего изобретения, обусловлено смешиванием термопластичных полимеров, филлосиликатных глин смектитового или бентонитового типа и суперпоглощающих полимеров (СПП) в различных процентных соотношениях.
В настоящем изобретении рассмотрены следующие филлосиликатные глины смектитового типа: монтмориллонит (бентонит), бейделлит, нонтронит, лапонит, фторгекториты и т.п.
Термопластичные полимеры могут представлять собой полиэтилен, полипропилен, сополимеры этилена и винилацетата (ЭВА) и т.п.
Аналогично, суперпоглощающие полимеры могут представлять собой гидрофильные смолы (полимеры на основе крахмала, полиакрилаты, поливиниловый спирт, ПВА, PVOH) и т.п., а также сшитую натрийкарбоксиметилцеллюлозу, полимеры полиакриловой кислоты, сшитый поливиниловый спирт, альгинат кальция, графт-сополимеры крахмала и акрилата натрия.
Таким образом, целью настоящего изобретения является обеспечение самонесущих водонепроницаемых мембран со свойствами самогерметизации и, следовательно, способностью самовосстановления, для этого они должны обладать значительной набухаемостью и водопоглощающими свойствами; цели достигают путем добавления различных количеств бентонитовой глины к полимеру (от 1 масс. % до 95 масс. %) и, в частности, путем добавления поглощающего полимера, без необходимости использовать при этом другие слои для соединения, поддержки или ограничения порошка бентонита, и таким образом получают монослойный или многослойный продукт, изготовленный в едином и непрерывном процессе получения мембраны, которая самогерметизируется при возникновении в ней повреждения (гидроизоляция).
Свойство мембраны быть самонесущей, обусловленное ее составом, без использования армирующих материалов в слое, который образует мембрану, являющуюся объектом настоящего изобретения, позволяет монослойной мембране поддерживать саму себя, то есть не требуются армирующие материалы, введенные в ее состав, как имеет место в существующем уровне техники, когда в монослойных мембранах, которые не являются самонесущими, используют дренажные геотекстильные материалы или геокомпозиты (геодрены), которые служат опорным слоем для монослойной мембраны. Очевидно, что монослойная мембрана, являющаяся объектом настоящего изобретения, может быть снабжена, в соответствии с ее применением, другими вспомогательными геосинтетическими слоями, такими как, например, водонепроницаемая геомембрана, геотекстили или дренажный геокомпозит (геодрен), которые выступают в качестве опорного слоя монослойной мембраны. Очевидно, что монослойная мембрана, являющаяся объектом настоящего изобретения, может быть снабжена, в соответствии с ее применением, другими геосинтетическими вспомогательными слоями, такими как, например, водонепроницаемая геомембрана, геотекстили или дренажный геокомпозит (геодрен). Как упоминалось ранее, эти вспомогательные слои включены в герметизирующее решение монослойной мембраны, являющейся объектом настоящего изобретения, из-за их особых функций, которые обеспечивают защиту или фильтрацию (геотекстили) или дренаж (геодрены).
Любые повреждения, которые могут возникать в водонепроницаемых мембранах, приводят к тому, что они теряют свою главную характеристику - водонепроницаемость. Эти повреждения могут происходить во время установки из-за воздействия различных используемых машин (экскаваторы, вилочные погрузчики, грузовые автомобили и т.п.), из-за различных неровностей местности (острые предметы, камни и т.п.) и т.п., и даже после установки из-за воздействия животных, растений и т.п.
Таким образом, объект настоящего изобретения представляет собой, согласно вышеизложенному, самонесущую водонепроницаемую мембрану со свойствами самовосстановления в соответствии с п. 1 формулы изобретения. Указанная мембрана может иметь разные конструкции и может быть образована одним слоем, то есть может представлять собой монослойную мембрану, или может быть образована двумя или более слоями, то есть может представлять собой многослойную мембрану.
Самонесущая монослойная мембрана состоит из одного слоя, и в ее состав входят смеси следующих компонентов в различных количествах:
• полиолефиновые термопластичные полимеры, включающие: полиэтилены, полипропилены, сополимер ЭВА или соединения со сходными характеристиками;
• суперпоглощающий полимер (СПП), выбранный из группы, включающей: гидрофильные смолы (полимеры на основе крахмала, полиакрилаты, поливиниловый спирт, ПВА, PVOH) и т.п., а также сшитую натрийкарбоксиметилцеллюлозу, полимеры полиакриловой кислоты, сшитый поливиниловый спирт, альгинат кальция, альгинат кальция, графт-сополимеры крахмала и акрилата натрия или соединения со сходными характеристиками; и
• неорганические наполнители или их комбинации, например, такие как филлосиликатные глины смектитового типа, монтмориллонит (бентонит), бейделлит, нонтронит, лапонит, фторгекториты и т.п., неорганические пигменты (сажа, оксиды титана и т.п.).
Результатом этих смесей является самовосстанавливающаяся монослойная мембрана, которая способна загерметизировать повреждение (отверстие, трещину и т.п.) в мембране, тем самым предотвращая вытекание текучей среды (воды и т.п.), содержащейся в ней.
Многослойная мембрана также является самовосстанавливающейся мембраной, образованной в этом случае двумя или более слоями, где один из слоев, обычно внутренний слой, выполнен как самонесущая монослойная мембрана, описанная выше, а другие слои могут быть выполнены таким же образом, как современные водонепроницаемые мембраны, так что, если в водонепроницаемой мембране возникает повреждение в виде отверстия или трещины, то оно может быть загерметизировано благодаря свойствам самовосстановления внутреннего слоя за счет его особого состава, который, как упомянуто выше, включает термопластичные полимеры (ТПО), бентонитовые глины и суперпоглощающие полимеры (СПП), при контакте с водой.
Кроме того, мембраны, являющиеся объектом настоящего изобретения, независимо от того, являются ли они самонесущими монослойными мембранами по п. 1 формулы изобретения или многослойными мембранами, которые включают в себя самонесущую монослойную мембрану по п.1 формулы изобретения, могут быть соединены друг с другом, например, путем сварки, с получением объединенных мембран.
Компоненты, входящие в самовосстанавливающуюся монослойную мембрану и самовосстанавливающуюся многослойную мембрану, включают:
а) пластиковые компоненты, изготовленные из термопластичных материалов:
i) такие как термопластичные полиолефины, которые включают: полиэтилен, полипропилен, сополимер ЭВА и т.п.
ii) суперпоглощающие полимеры (СПП), гидрофильные смолы (полимеры на основе крахмала, полиакрилаты, поливиниловый спирт, ПВА, PVOH) и т.п., а также сшитая натрийкарбоксиметилцеллюлоза, полимеры полиакриловой кислоты, сшитый поливиниловый спирт, альгинат кальция, графт-сополимеры крахмала и акрилата натрия;
б) неорганические компоненты, образованные филлосиликатными глинами смектитового типа, которые включают: монтмориллонит (бентонит), бейделлит, нонтронит, лапонит и фторгекториты, в количестве от 1 масс. % до 95 масс. % от общей массы композиции, или образованные смесями натриевого бентонита с другими неорганическими наполнителями, такими как карбонаты, бикарбонаты, сульфаты и т.п.
Также можно добавлять различные количества соединений, улучшающих совместимость, в указанную выше смесь для образования мостиков или связей между различными компонентами смеси (пластиковые и минеральные наполнители) для достижения хорошей смешиваемости. Они включают стабилизаторы, наполнители, вулканизирующие соединения, ускорители вулканизации, красители, агенты, которые предотвращают образование электростатических зарядов, технологические вспомогательные средства, антиоксиданты, поглотители ультрафиолетового света, огнезащитные соединения, пенообразующие агенты и другие смоляные ингредиенты.
Монослойная мембрана, несмотря на отсутствие пластификатора в своем составе, имеет особенности с точки зрения вязкости, модуля упругости, температуры стеклования, ударостойкости, гибкости, пластичности и прочности, твердости, хрупкости и других свойств, то есть всех тех свойств, которые подвергаются модифицированию пластификаторами, и эти свойства даже лучше, чем у пластмасс, в составе которых использованы пластификаторы; поэтому нет необходимости включать пластификаторы в состав монослойной мембраны. Самонесущую монослойную мембрану, являющуюся объектом настоящего изобретения, получают с помощью процесса экструзии с последующим каландрированием. Аналогично, монослойную мембрану, например, образованную одним или двумя внешними слоями, геомембранами, связанными с монослойной мембраной, заявленной в п. 1 формулы изобретения, с образованием геокомпозита, также изготавливают с использованием процедуры экструзии без необходимости последующей обработки или какой-либо последующей манипуляции.
Схематически это экструзионно-каландрирующее оборудование включает:
• подающее оборудование для экструдера, способное прикладывать нагрузку к пластику от 1% до 95% по массе;
• экструдер(ы);
• оборудование для совместной экструзии, с помощью которого можно получать как монослойные, так и многослойные мембраны, которые включают монослойную мембрану по п. 1 формулы изобретения;
• головку с минимальной шириной от 0,25 м;
• каландр с одним или более валами;
• намоточные машины;
• конвейеры.
Мембраны, описанные в настоящей заявке, монослойные или многослойные (Фиг. 7), полученные в соответствии с процедурой совместной экструзии, могут иметь толщину от 0,01 мм до 20 мм, однако наиболее распространенная толщина этих мембран находится в интервале от 1,00 мм до 5,00 мм.
Аналогично, самонесущая монослойная мембрана, являющаяся объектом настоящего изобретения, может иметь высоту до 12 метров благодаря ее составу и способу ее изготовления.
Описание чертежей
В дополнение к данному описанию и для лучшего понимания признаков настоящего изобретения, к настоящему описанию прилагается набор чертежей в качестве его неотъемлемой части, где в иллюстративном виде, а не в качестве ограничения представлено следующее:
на Фиг. 1 схематически показана структура натриевого бентонита, или монтмориллонита, которая образована октаэдрическими единицами, в основном, из алюминия в форме сетки, расположенными между двумя плоскостями тетраэдров из кремния (Si), которые включают простые или гидратированные компенсирующие катионы;
на Фиг. 2 схематически показан суперпоглощающий полимер в сухом состоянии, имеющий форму закрученной спирали;
2
на Фиг. 3 схематически показана процедура смешивания молекулы суперпоглощающего полимера в сухом состоянии, когда его помещают в воду (НO);
2
на Фиг. 4 схематически показана процедура смешивания сетки суперпоглощающего полимера в воде (НO);
на Фиг. 5 схематически показана молекула суперабсорбента;
на Фиг. 6 схематически показана сетка суперпоглощающего полимера;
на Фиг. 7 показана многослойная мембрана, являющаяся объектом настоящего изобретения.
Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Предпочтительный вариант осуществления объекта настоящего изобретения будет описан ниже, хотя настоящее изобретение не ограничено этим конкретным примером.
Композиция, которая включает следующие компоненты, была использована для производства и получения самонесущих самовосстанавливающихся мембран:
3
3
• смолы из термопластичных полиолефинов (ТПО) с плотностью от 0,820 г/см до 0,940 г/см;
• натриевый бентонит;
• полиакрилат натрия в качестве СПП;
• углеродная сажа Masterbatch и другие добавки, за исключением пластификаторов и смазочных материалов.
Эта композиция была обработана в двухвальной машине (экструдере) с одинаковым направлением вращения валов, прикрепленной к плоской головке; составы мембраны 1 и мембраны 2 показаны в следующих двух таблицах (Таблица 1 - Мембрана 1 и Таблица 2 - Мембрана 2).
Расплавленный материал вытекает в виде мембраны из головки экструзионной машины. Эту горячую, расплавленную мембрану пропускают через валы каландра, где мембрану подвергают соответствующему процессу охлаждения. Как только полученная мембрана в достаточной мере охладится, ее наматывают на катушку.
В результате получили рулоны разной длины и ширины, составляющими до 12 метров.
Полученные мембраны имеют толщину в интервале от 1,00 до 5,00 мм.
На Фиг. 7 показан пример многослойной мембраны, являющейся объектом настоящего изобретения, в которой имеется самонесущий средний слой (2) по п. 1 формулы изобретения, с по меньшей мере одним внешним гидрофобным слоем (1) с каждой стороны, без глины или водопоглощающих полимеров, и имеющим толщину в интервале от 1% до 75% от общей толщины. Самонесущий средний слой предпочтительно имеет толщину, составляющую от 25% до 99% от общей толщины; кроме того, внешние слои (1) служат в качестве армирующих слоев. Указанный армирующий слой или слои могут включать по меньшей мере одну армирующую сетку, которая может быть изготовлена из различных материалов, таких как сложный полиэфир, стекловолокно, полипропилен или их комбинации.