CN101511963A - 用于液体的表面保护膜 - Google Patents

Abstract

一种用于保护暴露水体的组合物和方法，所述组合物包含：5重量％－95重量％的有机硅聚合物；大于0重量％至90重量％的载体物质；和大于0重量％至20重量％的表面活性剂。所述方法包括向水面加入所述组合物以及使组合物形成铺展在水面上的液膜的步骤。所述膜能够有效地减少水从表面的蒸发。

Description

用于液体的表面保护膜

技术领域

本发明涉及一种用于液体的表面保护膜，特别是用于覆盖大片水体以防止蒸发的稳定的表面保护膜。

背景技术

人们需要保护稀缺的供水，这是一个重大的全球性环境问题。因此，对各种节水措施的关注度不断提升。特别是，通过蒸发而导致的水损耗是一个主要的关注领域。限制蒸发的措施包括：使用地下滴灌，以管道取代敞开式的灌溉渠道，以及将用水限制在蒸发保持为最低程度的时间段。

并且有数种产品已经被开发出来，以通过覆盖水面来减少水体的蒸发，所述产品例如为遮阳结构、塑料膜以及其它漂浮膜。然而，此类产品的广泛采用由于需要可观的初始投资费而受到限制。

此外人们还提出了化学单层(chemical monolayer)。它们是分散于水上的粉末。它们通常包含醇(例如十六烷醇或十八烷醇)，已知的是，所述醇能够通过在表面形成屏障而有助于阻止水分的蒸发。可以将诸如熟石灰之类的添加剂与醇混合，从而通过生成带电粒子来促进醇的自铺展。

基于醇的单层的根本缺陷在于膜通常在几天内降解，因此必须定期地再次运用这种单层以维持有效的防失水屏障。此外，试验显示，醇层只是部分成功地减少了蒸发，所报告的蒸发减少量小于30％。

因此，需要一种成本有效的组合物作为应用于液体的表面保护膜，其能够长时间地减少液体的蒸发损耗。

发明概述

有机硅或聚硅氧烷，是具有化学式[R₂SiO]_n的无机-有机聚合物，其中R＝有机基团，如甲基、乙基和苯基。这些物质由无机硅氧骨架(...-Si-O-Si-O-Si-O-...)构成，该无机硅氧骨架具有连接到四配位的硅原子上的有机侧基。在某些情形下，有机侧基可以用来将两个或多个这样的-Si-O-骨架连接在一起。通过改变-Si-O-链长、侧基和交联情况，可以合成具有多种性质和组成的多种有机硅。它们的坚度可能不同，可以为液体、凝胶、橡胶乃至硬塑料。最常见的类型是线性聚二甲基硅氧烷或PDMS。已知这些聚合物是疏水的(抗水的)、并且具有很好的丝滑触感，因此它们被应用于诸如化妆品、除臭剂和剃须膏之类的个人护理产品中。

本申请人发现，硅基聚合物(包括有机硅基聚合物)具有用作大型液体表面的保护物的潜力，如用于敞开的储水设施(例如水库或堤坝)。

然而，高分子的有机硅聚合物的主要不利方面在于：其不能够充分地铺展在大片水体上，并且在水面上的铺展速率较慢。

尽管聚硅氧烷在水面上的自铺展能力有限，然而可以向有机硅聚合物成分中添加其它化合物，以促进该聚合物均匀地铺展在液体表面上。聚硅氧烷的交联度越高，所形成的聚合物表面膜就越厚，预计这样会在液/气界面上提供更好的热质传递屏障。

在本发明的一个方面，提供了一种用于保护水体的组合物，其包含：5重量％-95重量％的有机硅聚合物；0％至90重量％的载体物质；和大于0％至20重量％的表面活性剂。

本申请人发现，添加由双极性基分子构成的表面活化剂或表面活性剂，不仅对有机硅聚合物的铺展能力具有极大的促进作用，而且对硅氧烷在水面上的铺展速率也有极大的促进作用。为了实现高水平且高速率地铺展在水体表面上，理想的是，表面活性剂的添加量达到使之可以与有机硅聚合物在环境温度下形成可混溶的溶液。优选地，表面活性剂的含量为0.2重量％-20重量％、更优选为0.5重量％-10重量％、并且最优选为0.5重量％-5重量％。

优选地，该组合物还包含大于0重量％的载体物质。为了提高有机硅聚合物与表面活性剂的混合程度，优选地，在与有机硅聚合物混合之前，先将表面活性剂与相容的载体混合。载体共混物中的表面活性剂的含量可以为至多20重量％、但更通常为5重量％-20重量％、并且优选为大约10重量％。载体物质优选为疏水的，并且优选的是，其选自矿物油、植物油或它们的混合物。除了作为表面活性剂的载体之外，所述油(矿物油或植物油)还可以单独与有机硅混合以降低组合物的成本。所述油的加入还能够提高有机硅聚合物在水面上的铺展性。优选地，矿物油或植物油的总含量为5重量％-90重量％、并且更优选为5重量％-75重量％。

在本发明的上下文中，植物油是得自于植物的产品，其通过从种子或果实中提取油而获得。在环境温度下，植物油呈液态，并且包括低芥酸菜子油、葵花籽油、红花油、芥末油、棉籽油和花生油，植物油还包括棕榈油、亚麻籽油、桐油和蓖麻油。

矿物油是蒸馏石油以制备汽油这一过程的副产品。可供使用的有轻质矿物油或重质矿物油。为了在本发明中发挥作用，所述矿物油的粘度应该在下面所规定的优选粘度范围内。包括白油和石蜡油在内的多种产品在商业上都被描述为矿物油，本领域技术人员熟知该技术术语。

可以对基于有机硅的聚合物膜进行化学修饰以提高膜对填料的粘附性。在极端的环境下，还可以向组合物中添加UV添加剂或其它聚合物稳定剂。

本发明所使用的有机硅聚合物优选为聚有机硅氧烷，例如聚二甲基硅氧烷。聚合物在给定温度下的物理形态可以改变，这取决于聚有机硅氧烷链中重复单元的数目和聚合物链之间的交联程度。通过逐渐地增加聚有机硅氧烷(如聚二甲基硅氧烷)的交联程度，可以形成固体弹性体和树脂。本发明中使用的硅聚合物优选呈液体形式，并且该产品在与液体表面接触时会分散成膜。有机硅聚合物液体通常是二甲基硅氧烷的直链聚合物。为了便于应用，在应用时的大气温度(视为环境温度)下，液体粘度优选为小于1000厘斯，并且更优选为介于50厘斯至1000厘斯之间。

优选地，二甲基硅氧烷为类似于Dow Corning“200 Fluid”的类型。优选地，聚硅氧烷是组合物中的主要成分，即大于50％。

在第一实施方式的一个优选方面，为了促进组合物的输送，可以将上述组合物与惰性颗粒物混合。可以将成膜组合物吸附到颗粒物上，以形成易于处理和储存的稳定的块体材料。适用的颗粒物的例子包括碳酸钙、滑石以及细微的煤炭颗粒、飞尘或空心微球(填充有惰性的空气或气体的轻质、惰性的空心球体，可以由飞尘形成)。这些例子并未穷举地列出所有适合的填料，还可以添加其它填料，对这些填料的选择可基于成本、密度、疏水性、对成膜组合物的惰性、它们覆盖和粘附到组合物上的能力和遇水释放组合物的能力。填料还可以具有其它所需的功能性质。例如，表面膜还可作为昆虫抑制剂，尤其是蚊虫抑制剂。表面保护膜的双重功能解决了水保护以及公共健康这两方面的需求。所述抑制剂可以呈液体形式、或者可以是填料的一部分、或者结合到填料上。例如，硫和含硫物质是已知的驱蚊材料。

本发明的第二实施方式提供了一种用于保护液体表面的方法，其包括如下步骤：

以0.3g/m²至90g/m²的比率将成膜组合物施加到液体表面，所述成膜组合物包含有机硅基聚合物，其中成膜组合物形成了铺展在所述液体表面上的基本上连续的保护膜。

优选地，成膜组合物还包含大于0重量％至20重量％的表面活性剂。表面活性剂可以在与有机硅基聚合物混合之前，就被事先加入到矿物油或植物油载体中。组合物中矿物油或植物油的含量优选为大于0重量％至90重量％，其中矿物油或植物油可与表面活性剂一同加入、或与表面活性剂分开加入。

液体表面积优选较大，例如储水设施(例如水库或堤坝)。可以从液体区域的周边施加组合物，或从空中进行投放，例如通过诸如作物喷粉机之类的飞机进行投放。

优选的是，基于有机硅聚合物的连续膜抑制或控制液/气界面上的热质传递速率，从而减少液体的蒸发。有机硅基聚合物连续膜可以含有活性成分，所述活性成分能够保护液/气界面不受昆虫的侵扰。

对于液体组合物来说，有机硅基聚合物组合物的施用比率优选为大约0.3g/m²至50g/m²、更优选为大约0.3g/m²至30g/m²、甚至更优选为0.3g/m²至10g/m²、最优选为大约0.3g/m²至1.0g/m²。

与基于醇的膜相比较，有机硅基聚合物组合物具有相对较低的施用比率和相对较高的稳定性，从而能够以成本有效的方式形成表面保护膜。此外，由于该组合物基本上是无机的，因此与基于石油的膜相比较，该组合物的价格会保持相对稳定。

应认识到，可以将该表面保护膜施加到一系列的液体表面上以抑制或控制液/气界面的热质传递，或形成阻挡气体环境的物理屏障和/或化学屏障。例如，可以将有机硅基聚合物组合物施加到可氧化的液体上，以防止或减少氧化的发生。

具体而言，包含有机硅基聚合物的组合物具有许多所需的性质，至少其中一些性质是意想不到的，包括：

a)易于施用(以液体形式施用)，可以从水库的岸边投放、或者坐船投放、或者从空中喷洒；

b)自然漂浮而无需额外的浮力(比重小于1.0)；

c)易于在液面上自铺展，即使在处于暴露的水体上时受到巨大的波浪压力的情况下仍是如此；

d)机械强度高，并且即使膜破裂，其也易于再次成膜，从而维持了膜的完整性和功能性；

e)耐高温、耐氧化并且耐紫外线分解；

f)透明并具有高的氧气透过率，因此对水面下的水生生物的影响很小；

g)被归为无害产品，因此可以安全地用于饮用水体；和

h)至少数周内保持有效。

具体实施方式的详述

在本发明的研发过程中，本申请人着手研制了具有多种所需特征的成膜组合物。优选地，该组合物具有充分的铺展能力，能够在大片水体上形成柔顺的单层膜。优选地，单层膜应在较长时间内保持柔顺，并且该单层膜应该要减少蒸发。理想的是，该单层膜还能够用于控制蚊子或臭味。此外，其应该是惰性的，能够耐紫外辐射和耐氧化，并且对环境无毒害作用。

为了评价各种液体的铺展能力，本申请人开发出了如下的简单测试。将一个500mm×200mm的矩形水箱部分地装水，并将精细研磨的胡椒粉撒在水面上。胡椒粉均匀地覆盖在水面上。当用吸管将一滴制剂分别施加到水箱的一端时，记录胡椒粉膜被挤压到水箱另一端的时间。

开始，本申请人测试了许多矿物油、植物油和可从商业途径获得的硅氧烷，以测定它们用作成膜层的适宜性。如表1所示，本申请人发现，有机硅聚合物、矿物油和植物油它们本身并不会自发地铺展在水面上。

表1

 

产品类别	典型产品	是否自铺展？
			植物油	橄榄油、花生油、低芥酸菜子油、葵花籽油、芝麻油、芥籽油、棕榈油、棉籽油	否
矿物油	各种被描述为矿物油的产品，白油或石蜡油	否
			有机硅(Dow Corning 200Fluids)	各种粘度在50cts至10,000cts范围内的有机硅	否

为了提高上述化合物的铺展能力，本申请人尝试使用了事先与有机硅或矿物油或植物油混合在一起的表面活性剂。此类化合物在市场上作为消泡剂或防泡剂类的化合物销售。

首先测试这些表面活性剂作为成膜层的适宜性，测试结果如表2所示。

本申请人对18种可从商业途径获得的消泡剂进行了多项铺展能力测试，如上所述，这些消泡剂是表面活性剂和载体物质的共混物。在这些化合物与矿物油或植物油混合时，观察到缓慢的铺展效果，因此推断出：除非堤坝很小，否则表面活性剂/油共混物并不适合用作水面上用的成膜组合物。

对可从Dow Corning公司以“200 Fluid”购得的有机硅聚合物(PDMS)样品以及矿物油和低芥酸菜子油进行测试，所用的铺展能力测试规则如上文所述，并且对胡椒粉移动到水箱一端的时间进行计时。对油和有机硅的组合以及其与油/表面活性剂型消泡剂的组合进行了测试，所述消泡剂为Mera Chemicals公司销售的SIL D850，其含有大约10重量％的在矿物油载体中的表面活性剂。该表面活性剂是琥珀酸二(2-乙基己基)酯磺酸钠。结果如表2所示。

表2

在向油/表面活性剂共混物中加入有机硅聚合物PDMS时，获得了显著得多的铺展效果—其充分地覆盖了大片水体。事实上，对于有机硅聚合物含量低至5重量％的成膜组合物来说，其铺展能力和速率也达到了可接受的程度。与此相反，由95％的有机硅聚合物和5％的表面活性剂-油混合物构成的共混物同样是非常有效的。

此外还观察到，包含有机硅聚合物和位于有机硅载体中的表面活性剂(即，有机硅基消泡剂)的成膜组合物并不能产生可接受的铺展能力。

适用于本发明的合适的表面活性剂如下面的表3所示。

表3

 

活性成分	商品名
		壬基酚聚氧乙烯醚	Teric N9
辛基酚聚氧乙烯醚	Triton X-114
		合成醇的聚醚衍生物	Teric BL8
四甲基癸炔二醇	Surfynol 104H
		烷基聚氧乙烯醚的磷酸酯	Teric 305
烷基多糖	Alkadet 15
		烷基糖苷	Terwet 3001
琥珀酸二(2-乙基己基)酯磺酸钠	Silfax T2
		调聚物B单醚和聚乙二醇	Zonyl FSO Fluorosurfactant
聚亚烷基二醇和聚烷氧基酯的混合物	Clerol FBA 5074
		改性聚醇酯(polyalcoxyester)，非离子型	Clerol FBA5059K
聚亚烷基二醇的组合	Foamstop SIN 365
		聚亚烷基二醇和酯的组合	Foamstop SIN 365
磷酸二(乙氧基烷基)酯	Generic

对适用于本发明的合适的表面活性剂的列举并非是穷尽的。也可以使用其它的表面活性剂，只要它们能与矿物油或植物油载体混溶、并且得到的表面活性剂组合物能与使用的有机硅聚合物(优选为PDMS)混溶即可。

不受理论的约束，由于有机硅以及油/表面活性剂共混物(即消泡剂)都具有低表面张力，因此推测当它们混在一起时有累加效应，使得表面张力进一步减小，从而使其能够非常快速地铺展。或者，在有机硅分子和消泡剂的分子之间可能存在有化学斥力。

在与消泡剂或消泡剂/油混合物掺混时，具有较低粘度有机硅似乎比那些粘度较高的有机硅更易于铺展。例如，粘度为50厘斯(cts)的Dow Corning“200 fluid”聚二甲基硅氧烷(PDMS)比粘度为1000cts的聚二甲基硅氧烷易于铺展。粘度高于约10,000cts的有机硅由于铺展速度慢且难以混合，因此不适用于大片水体。

例外的是，对于相对较小规模的水体而言，粘性产品可能有利于配置投配单元(dosing unit)。例如，可以设置小的投配单元，其在(例如)3个月的时期内一直自动地投放少量产品于水中。在此情形下，使用粘性产品是有利的，这样可以使投配速率非常缓慢。即使具有相对较高的粘度，该产品通常仍能够覆盖大多数的游泳池。

有机硅、尤其是PDMS的益处之一在于：其粘度并不随着组合物的操作温度的变化而发生大的变化。这使得自动投配单元的投配精度相当高。

作为改进，可以在共混物中引入十六烷醇或十八烷醇、或者引入十六烷酸和十八烷酸(cetyl and stearyl acid)的衍生物。这些衍生物可以是碱金属、碱土金属和其它金属的盐，或者可以是硬脂酸酯。这些是多年来已知的用于减少蒸发的产品。就它们本身来说，其主要缺点是它们难以应用(为蜡质薄片)，它们对强风或波浪作用的适应力差(并因此会聚积在水体的一侧)，并且它们会很快降解以致于几乎必需每天都重新投放。尽管它们在单独使用时通常会迅速降解，但本申请人发现，它们似乎在某种程度上能够改善和促进有机硅共混物的效力和使用寿命(如上文所描述)。当将其以(例如)至多5重量％的水平、优选以至多2重量％的水平熔入共混物中时，它们还会提高共混物的稳定性，即，将产品成分发生物理分离的情况降至最低程度。当产品通过投配单元施加时，这是有利的，因为此时该产品必须是均匀的。

除了易于铺展，还需要所形成的膜能够有效地控制蒸发。为了测试对蒸发的控制情况，使用部分盛有水的600mm×600mm的方形容器，并且通过吸管加入0.2ml的各种制剂。十天后测量水平面降低或下降的量，并与对照容器中的下降情况进行比较。各种有机硅/表面活性剂/油共混物的结果如表4所示。

表4

可见，本发明的成膜组合物的使用改善(即，降低)了蒸发速率。

蚊虫控制

本申请人还发现，该膜破坏了蚊子的生命周期。雌蚊通常在水面产卵，并且这些卵在几天后孵化为幼虫。基于有机硅的膜能够从三个方面对该周期产生潜在的影响：

●由于有机硅的表面张力很低(大约是水表面张力的一半)，因此蚊卵难以悬浮在水面上；

●有机硅在水面形成了物理屏障，从而使刚孵化出的幼虫难以呼吸；

●可以向混合物中引入诸如香茅油或桉树油之类的驱虫剂，从而进一步驱赶蚊子。

臭味控制

基于有机硅的膜还可以混有其它成分以有助于减轻臭味。例如，本申请人发现，该制剂与萜类化合物相容，而后者通常用于吸收或掩盖臭味。在实验室试验中，我们观察到，当基于有机硅的膜混有萜类化合物时，臭味得到减轻。

应理解到，本说明书中所公开和限定的发明涵盖了所提及的两个或多个单独特征的所有可供选用的组合。所有这些不同的组合构成了本发明的多个可替换的方面。

Claims (18)

1.一种用于保护水体的组合物，包含：

5重量％-95重量％的有机硅聚合物；

0重量％至90重量％的载体物质；以及

大于0重量％-20重量％的表面活性剂。

2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述载体物质为矿物油或植物油。

3.根据权利要求1所述的组合物，其中所述聚合物为聚有机硅氧烷。

4.根据权利要求3所述的组合物，其中所述聚合物为二甲基硅氧烷聚合物。

5.根据权利要求1所述的组合物，其中所述表面活性剂的含量为0.5重量％-20重量％。

6.根据权利要求1所述的组合物，其中所述表面活性剂的含量为0.5重量％-10重量％。

7.根据权利要求2所述的组合物，其中所述矿物或植物油的量在5重量％-90重量％的范围内，更优选在5重量％-75重量％的范围内。

8.根据权利要求2所述的组合物，其中所述矿物或植物油的量为5重量％-75重量％。

9.根据权利要求1所述的组合物，其中所述组合物在环境温度下是液体。

10.根据权利要求1所述的组合物，该组合物在环境温度下的粘度为50厘斯至1000厘斯。

11.一种用于保护液体表面的方法，包括如下步骤：

以0.3gm/m²至90gm/m²的比率将包含有机硅基聚合物的成膜组合物施加到所述的液体表面，其中所述成膜组合物形成铺展在所述液体表面上的基本上连续的保护膜。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述成膜组合物进一步包含：

5重量％-95重量％的有机硅聚合物；

大于0重量％-90重量％的载体物质；以及

大于0重量％-20重量％的表面活性剂。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述组合物为液体组合物。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述表面活性剂的含量为0.2重量％-20重量％。

15.根据权利要求12所述的方法，所述载体物质为矿物油或植物油，并且所述载体物质的含量在5重量％-90重量％的范围内。

16.根据权利要求13或14所述的方法，其中在用所述有机硅聚合物来形成所述成膜组合物之前，将所述表面活性剂与所述载体物质混合。

17.根据权利要求12所述的方法，其中所述连续的保护膜保护液/气界面不受昆虫侵扰。

18.根据权利要求11所述的方法，其中以介于0.3克/平方米至50克/平方米之间的比率将所述组合物施加到所述表面。