基于水性树脂的土工布/聚合物复合衬里 【技术领域】
本发明涉及通过用聚合物水分散体处理土工布，随后蒸发掉水而制成的土工布/聚合物复合衬里。本发明的土工布/聚合物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。已开发出省水地家用器具。同样，工业界则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4,872,784；4,955,759；4,955,760；5,049,006；5,062,740；5,421,677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，从而形成含聚氨酯液态填料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。由于同样的原因，在湿表面上或每当临下雨时也不可能施加反应性聚氨酯复合材料。
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/聚合物复合材料，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聚合物水分散体制备的土工布/聚合物复合材料，还涉及制备此种复合材料的方法。本发明的土工布/聚合物复合材料可作为衬里用于灌溉和废水的运河和沟渠、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的。
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/聚合物复合材料，由一种或多种以含水聚合物组合物基本上浸透的土工布组成，该组合物由分散在水中的有机聚合物组成，其固体含量约10～70wt％，并任选地含有粘度调节添加剂、聚结溶剂、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/聚合物复合材料的方法，涉及下列步骤：以含水聚合物组合物基本上浸透一种或多种土工布，该组合物由分散在水中的有机聚合物组成，其固体含量约10～70wt％，并任选地含有粘度调节添加剂、聚结溶剂、表面活性剂、交联剂、颜料、填料和其他添加剂；使湿的、被含水聚合物基本浸透的一种或多种土工布与某一表面达到共形并蒸发掉水从而形成土工布增强的聚合物复合材料。
出于环境的考虑，在许多聚合物应用中以水替代有机溶剂，例如，在涂料、粘合剂和粘结剂中。聚合物的水分散体，像醇酸类、丙烯酸类、苯乙烯-丁二烯-橡胶、聚氯乙烯、聚醋酸乙烯酯、天然橡胶、硅氧烷、聚乙烯、聚酯、聚氨酯等，有市售供应，可从像Rhoem & Haas、Witco、BASF、Bayer、DuPont、Sherwin Williams等公司获得。
聚合物的水分散体也常常被称作胶乳。不同类型的制造方法、性能和应用综述于，例如，“Encyclopedia of Polymer Science andEngineering”，第8卷，第647页，由John Wiley & Sons公司于1987年出版，K.O.Calvert，“Polymer Latices and theirApplications”，Applied Science Publishers，伦敦，1977，“水性聚氨酯”，作者：J.W.Resthauser和K.H.Nachtkamp，载于“Advances in Urethane Science and Technology”，第10卷，第121页(1987)中。
含氨酯和/或脲基团的适宜含水聚合物公开在，例如，美国专利4,408,008；4,501,852；4,701,480；4,724,095；4,826,894；4,879,322；4,925,885；5,043,435；和5,389,718中。
基于可水分散多异氰酸酯技术的含水聚合物的例子公开在美国专利5,191,012；5,212,230；5,221,710；5,372,875；和5,389,720中。
在蒸发水时，聚合物颗粒聚结而形成聚合物薄膜，该薄膜，取决于其化学本性，可提供非常好的耐水性。为进一步改进其对溶剂和水的耐受力，可引入某种在薄膜成形时或以后被活化从而引起聚合物交联的反应性基团。进一步的交联可通过加入反应性化学交联剂来实现，即，氮丙啶、可分散在水中的异氰酸酯等。需要的话，可加入例如在美国专利4,079,028中描述的所谓“缔合增稠剂”，以调节聚合物水分散体的粘度和流变学性质。
聚合物水分散体中使用的其他添加剂包括聚结溶剂、表面活性剂、颜料、填料等。为获得所要求的性能(即，硬度、柔性、耐磨性等)优选在施涂前将不同聚合物的水分散体掺混在一起(即，聚氨酯和丙烯酸类)。
合适的聚合物水分散体优选具有10～70％的固体含量，但更优选30～50％的固体含量。聚合物水分散体的固体含量可以是某一介于这些数值的任意组合之间的数量，包括所给出的数值在内。
可用于本发明的聚合物水分散体在2℃～50℃之间的温度形成连续聚合物薄膜，从而提供足够柔性，即至少5％的伸长，强度性能，即至少200psi的抗张强度和良好耐磨性。其他希望的性能包括低吸水性，即小于10％，优选小于5％，和符合ASTM D3137的优异水解稳定性。
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，例如，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、热定形或树脂粘合的织品。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次要用途。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。
土工布应具有使它们容易被含水聚合物润湿的表面张力。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(one-component)多相液态聚氨酯组合物。一种或多种土工布可与含水聚合物组合使用。土工布/聚合物复合材料衬里的最终厚度可由土工布的选择(层数和单层的厚度)以及含水聚合物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，可将预剪裁的土工布片材浸没在聚合物水分散体的浴中，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聚合物水分散体的浴，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。
在本发明的优选实施方案中，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聚合物水分散体。不要求混合室，聚合物水分散体直接计量加入到槽中。然而，如果要计量加入交联剂或任何其他前面提到的添加剂并与聚合物水分散体连续混合，则希望有多于一个储槽。这些储槽借助软管连接到混合室。诸组分到混合室的供料速率将随着特定配方和那一时刻形成的具体增量面积所要求的料量而变化。诸组分在混合室中进行混合。
从混合室，可将含水聚合物组合物施涂到一幅或多幅土工布上。可将土工布从装有含水聚合物组合物的储槽中经过可调节的口型拉出。口型的开口提供含水聚合物组合物在土工布上的均匀分布，决定多少含水树脂被配置到土工布上，也控制着浸透含水聚合物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，然后固化而形成土工布/聚合物复合衬里。浸透含水聚合物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，可利用市售供应的喷涂设备将含水聚合物组合物喷涂到土工布上。可将此种浸透含水聚合物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，然后再在其上喷涂含水聚合物组合物。优选的是，将表面带有仍处于液态的含水聚合物组合物的土工布用辊筒滚轧，例如，用涂漆辊滚轧，从而使含水聚合物分散体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，可将含水聚合物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含水聚合物组合物，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。
上面描述的组合物优选能在合理的时间内发生固化，而通常不依靠外部加热，并且优选在2℃～50℃之间的温度条件下。
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(以固体为基准计)可多可少，但通常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，几层浸透含水聚合物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。
本发明将通过下面的例子进一步说明，但本发明不限于此。
实施例：
下面的组分被用于诸工作实施例中：
含水聚合物A：
BAYHYDROL 123，一种脂族聚碳酸酯-氨酯树脂在水/N-甲基-2-吡咯烷酮中的阴离子分散体(拜尔聚合物公司，LLC供应)。 pH 7.0-9.0 固体(wt.％) 35±2 粘度@25℃(mPa.s) 50-400
含水聚合物B：
BAYHYDROL 140 AQ，一种脂族聚酯-氨酯树脂在水/甲苯中的阴离子分散体，拜尔聚合物公司(LLC)供应。 pH 6.0-8.0 固体(wt.％) 40±2 粘度@25℃(mPa.s) 100-700
含水聚合物C：
丙烯酸粘结剂ACRYGEN D-471，由OmNova供应。
土工布A：
TYPAR-3301，纺粘聚丙烯，3oz/yd2，12密耳厚(Reemay)。
土工布B：
TREVIRA纺粘型1620，聚酯，非织造布，热粘合，5.7oz/yd2，37密耳厚(Fluid Systems)。
实施例1
将一片土工布A(1平方英尺，9.9g)铺在聚乙烯片材上。在其上倾倒含水聚合物A(100g)并利用小塑料涂漆辊将其分布均匀。随后，将一片土工布B(1平方英尺，24.2g)铺在涂布的土工布A片材(光面朝上)的顶面上并用辊筒滚轧。在土工布B的顶面上再倾倒100g含水聚合物A并再次用辊筒滚轧使其分布均匀。将样品裁切成两个0.5平方英尺的样品；一个样品(记做实施例1a)放在室温(20℃)下后固化7日；另一个在80℃下后固化24h(记做实施例1b)。测试该复合材料的物理性能，结果总括在下表I中。
实施例2
将一片土工布A(1平方英尺，9.9g)铺在聚乙烯片材上。在其上倾倒含水聚合物B(100g)并利用小塑料涂漆辊将其分布均匀。随后，将一片土工布B(1平方英尺，24.2g)铺在涂布的土工布A片材(光面朝上)顶面上并用辊筒滚轧。在土工布B的顶面上再倾倒100g含水聚合物C并再次用辊筒滚轧使其分布均匀。将样品裁切成两个0.5平方英尺的样品；一个样品(记做实施例2a)放在室温(20℃)下后固化7日；另一个在80℃下后固化24h(记做实施例2b)。测试该复合材料的物理性能，结果总括在下表I中。
实施例3
将一片土工布A(1平方英尺，9.9g)铺在聚乙烯片材上。在其上倾倒含水聚合物C(100g)并利用小塑料涂漆辊将其分布均匀。随后，将一片土工布B(1平方英尺，24.2g)铺在涂布的土工布A片材(光面朝上)顶面上并用辊筒滚轧。在土工布B的顶面上再倾倒100g含水聚合物C并再次用辊筒滚轧使其分布均匀。将复合材料(实施例3)放在室温(70℃)下后固化7日，随后测试其物理性能，结果总括在下表I中。
在下表I中，抗张强度是按照ASTM D3489-96测定的；伸长是按照ASTM D3489-96测定的；口型“C”撕裂强度是按照ASTM D624-98测定的并且剥离强度是按照ASTM D5308G92测定的平均值。
表I 实施 例 抗张强度 (psi) 伸长 (％) 口型“C”撕 裂强度 (lbf/in) 剥离强度 (lbs/in) 1a 4241 62 678 3.72 1b 3097 63 595 6.32 2a 4733 63 837 4.03 2b 3457 62 721 4.35 3 2471 66 862 未测定
正如从表I中看出的，即便当与在高温下后固化的那些(实施例1b和2b)相比时在室温下后固化的本发明的那些复合材料(实施例1a和2a)也显示出卓越性能，这一结果非常有利于那些不能在高温，即80℃固化的露天应用(例如，铺衬运河)。
虽然在上面为了说明的目的已详细描述了本发明，但应理解为，这些细节仅仅为了说明本发明，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。