CN112739736B - 用于保水应用的亲水性聚氨酯泡沫 - Google Patents

用于保水应用的亲水性聚氨酯泡沫 Download PDF

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Abstract

公开了一种亲水性聚氨酯泡沫，所述亲水性聚氨酯泡沫从具有指定异氰酸酯和氧乙烯含量的基于二苯甲烷的准预聚物产生。所述泡沫具有异常良好的保水能力，即使在压缩力下也如此。以水饱和时，它们也显示出至多中等的溶胀。所述泡沫可用作水容纳系统(如绿色屋面或蓝色屋面系统)的层。

Description

用于保水应用的亲水性聚氨酯泡沫
本发明涉及一种亲水性泡沫、一种用于产生该亲水性泡沫的方法和含有亲水性泡沫组分的水管理系统。
聚集在建筑物或其它构筑物的屋面上或其它巨大水平表面(例如车道和停车构筑物)上的降水经常排入当地的下水道系统中。这可能给下水道系统带来压力，或甚至超出下水道系统的容量，特别当出现暴雨或雪或冰快速融化时。这可能导致洪水、排放未处理的径流和其它问题。
响应于这些问题，已经提出捕获这种水的一些或全部，从而使水根本不送入下水道系统，或者还可以历经延长的时间段更逐渐地排出。
因此，正在开发所谓“蓝色”和“绿色”屋面结构。“蓝色”屋面结构包括积水机构，所述积水机构捕获并保持水，从而使水以受控速率随时间推移释放。“绿色”屋面结构捕获水并将至少一些水提供给其中栽种有活植物的植被层。植被在新陈代谢过程中利用水，此外还通过蒸腾作用使水消散返回大气。蓝色屋面系统和绿色屋面系统往往还包括用于受控排放超过植被可以利用或超过系统存储容量的水的机构。
所捕获的水往往固定化；通常不希望在建筑结构的顶部上有大量积水。此外，屋面结构的上表面应是承重的以耐受步行交通(例如，用于维修和保养)；建筑机械(如HVAC、电力和其它系统等)、休闲甲板、支撑结构和设备的重量；以及在绿色屋面的情况下，土壤、其容器和植被的重量。
已经提出了亲水性泡沫用于固定所捕获的水。这些泡沫充当吸收并保持水的“海绵”。在蓝色屋面系统中，亲水性泡沫在整个或部分的屋面结构中形成连续或不连续层。由于这些泡沫柔软且可压缩，因此通常直接或间接在亲水性泡沫的顶部上构造硬的承重层，从而屋面结构可以承受重量，而不损坏泡沫层。在绿色屋面系统中，亲水性泡沫层通常再次位于其它屋面结构下方，所述其它屋面结构可包括这种承重层以及上部植被层。
当亲水性泡沫层被掩埋时，它必须承受上覆结构的重量。因此，泡沫往往处于某种压缩状态下。像许多海绵材料一样，已提出用作这种亲水性泡沫层的亲水性泡沫倾向于置于压缩力下之时释放水。这降低了其持水能力。
想要一种亲水性聚氨酯泡沫和构造层材料，其表现出高持水能力并且甚至处于压缩力下之时也保持大部分的这种持水能力。进一步想要提供一种多层结构，所述多层结构能够在它的一个或多个层中吸收水并保持所吸收的水，甚至这种类层处于压缩下之时也如此，并且进一步想要提供一种包括这种多层结构的水管理系统。
在一个方面，本发明为一种亲水性聚氨酯泡沫，其是反应混合物的反应产物，所述反应混合物包含：
a)水，
b)准预聚物，所述准预聚物具有以重量计5％至15％的异氰酸酯含量并且基于所述准预聚物的重量，含有55至75重量百分比的氧乙烯单元，所述准预聚物是以下者的反应产物：i)羟基封端的环氧乙烷聚合物或其两者或更多者的混合物，其中基于所述羟基封端的环氧乙烷聚合物或其混合物的重量，所述羟基封端的环氧乙烷聚合物或其混合物具有至少90％的平均氧乙烯含量，具有为2至2.5的数均标称羟基官能度，并且具有至少350的数均羟基当量；以及ii)过量的有机聚异氰酸酯，所述有机聚异氰酸酯包含至少80重量％的二苯基甲烷二异氰酸酯，其中至少60重量％的二苯基甲烷二异氰酸酯是4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯，其中组分b)按足以提供0.5至50的异氰酸酯指数的量存在；以及
c)一种或多种表面活性剂。
在第二方面，本发明是一种产生亲水性聚氨酯泡沫的方法，所述方法包括：
A.形成反应混合物，所述反应混合物包含：
a)水，
b)准预聚物，所述准预聚物具有以重量计5％至15％的异氰酸酯含量并且基于所述准预聚物的重量，含有55至75重量百分比的氧乙烯单元，所述准预聚物是以下者的反应产物：i)羟基封端的环氧乙烷聚合物或其两者或更多者的混合物，其中基于一种或多种羟基封端的环氧乙烷聚合物或其混合物的重量，所述羟基封端的环氧乙烷聚合物或其混合物具有至少90％的平均氧乙烯含量并且具有至少350的数均羟基当量；以及ii)过量的有机聚异氰酸酯，所述有机聚异氰酸酯包含至少80重量％的二苯基甲烷二异氰酸酯，其中至少60重量％的二苯基甲烷二异氰酸酯是4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯，其中组分b)按足以提供0.5至50的异氰酸酯指数的量存在；以及
c)一种或多种表面活性剂；以及
B.使步骤A中形成的所述反应混合物固化。
在第三方面，本发明是一种准预聚物，其具有以重量计5至15％的异氰酸酯含量并且基于所述准预聚物的重量，含有55至75重量百分比的氧乙烯单元，所述准预聚物是以下者的反应产物：i)羟基封端的环氧乙烷聚合物或其两者或更多者的混合物，其中基于一种或多种羟基封端的环氧乙烷聚合物或其混合物的重量，所述羟基封端的环氧乙烷聚合物或其混合物具有至少90％的平均氧乙烯含量并且具有至少350的数均羟基当量；以及ii)过量的有机聚异氰酸酯，所述有机聚异氰酸酯包含至少80重量％的二苯基甲烷二异氰酸酯，其中至少60重量％的二苯基甲烷二异氰酸酯是4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯。
本发明还是一种单层或多层垫，其中该垫包括至少一层本发明第一方面的亲水性聚氨酯泡沫和/或根据本发明第二方面产生的亲水性聚氨酯泡沫。
本发明还是一种水容纳系统，其包含本发明的亲水性聚氨酯泡沫。该水容纳系统可以是例如蓝色屋面、绿色屋面、蓝绿色屋面或用于捕获并容纳落到其它构筑物(例如露天停车场(parking lot)、室内停车场(parking garage)、柏油路面、车道、桥梁等)上和/或从其它构筑物上流下的雨水的系统。
在具体方面，本发明的水容纳系统包括至少一个水阻隔层；至少一层本发明的亲水性聚氨酯泡沫，其直接或间接在该水阻隔层的至少一部分的顶部上；以及至少一个顶表面层，其直接或间接在该亲水性聚氨酯泡沫层的至少一部分的顶部上，该水容纳系统包括用于将沉积在该顶表面层上的水排至该亲水性泡沫层的装置。
附图是本发明的水容纳的一个实施方式的横截面图。
准预聚物是包括二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)的有机聚异氰酸酯与一种或多种环氧乙烷聚合物的反应产物。当存在时，有机聚异氰酸酯(具有约125的异氰酸酯当量的MDI除外)可以具有例如至多300或至多200的异氰酸酯当量。
“准预聚物”意指反应产物是游离(未反应的)有机聚异氰酸酯和异氰酸酯封端的预聚物分子的混合物，所述预聚物分子在聚醚和有机聚异氰酸酯分子的反应中形成。游离有机聚异氰酸酯的量可以占预聚物的总重量的例如至少5％、至少10％、至少15％或至少20％至其多达50％、多达35％、多达30％或多达25％。
MDI占有机聚异氰酸酯的重量的至少80％。MDI可以占其至少85％、至少90％或至少95％，并且可以占其至多100％或至多99％。MDI含有4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯(4,4′-MDI)或其与2,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯(2,4′-MDI)的混合物。至少60％、至少70％、至少75％或至少80％重量的MDI可以为4,4'-异构体。4,4'-异构体可以占MDI的重量的至多100％、至多99％或至多98％。
在一些实施方式中，有机聚异氰酸酯可以具有1.95至2.15、优选地1.95至2.05的数均异氰酸酯官能度，以及为123至128、优选地124至126的异氰酸酯当量。
有机聚异氰酸酯可以含有至多20重量％，优选地至多10重量％、至多5重量％或至多2重量％的其它含异氰酸酯的化合物，但任何或所有的这些其它化合物可以不存在。其它含异氰酸酯的化合物的示例包括2,2’-二苯基甲烷二异氰酸酯(其往往以非常小的水平存在于市售MDI产品中)、具有三个或更多个环的聚亚苯基聚亚甲基聚异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、一种或多种脂肪族聚异氰酸酯等，以及含有例如缩二脲、脲基甲酸酯、脲、聚氨酯、异氰脲酸酯和/或碳化二亚胺键中任何一者或多者的含异氰酸酯的化合物。
有机聚异氰酸酯可以含有至少60重量％、至少70重量％或至少80重量％的4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯。
最优选的有机聚异氰酸酯是一种MDI产物，其含有至少60重量％、至少70重量％或至少80重量％的4,4'-MDI；至多40重量％、优选地至多30重量％或至多20重量％的2,4’-MDI；以及0至2重量％的其它异氰酸酯化合物。
羟基封端的环氧乙烷聚合物是环氧乙烷的均聚物，或环氧乙烷与一种或多种其它烯化氧、尤其1,2-环氧丙烷的羟基封端的无规或嵌段共聚物。羟基封端的环氧乙烷聚合物或其混合物具有基于一种或多种羟基封端的预聚物的重量至少90％的平均氧乙烯含量，具有为2至2.5的数均标称羟基官能度并且具有至少350的数均羟基当量。当存在两种或更多种环氧乙烷聚合物时，这些氧乙烯含量、官能度和当量值适用于整个混合物，而不适用于该混合物内部所含的各自环氧乙烷聚合物。当存在环氧乙烷聚合物的混合物时，混合物的各自组分可以具有在这些值以内或之外的官能度和当量，前提条件是该混合物具有上述的氧乙烯含量值、官能度值和当量值。
环氧乙烷聚合物或混合物的氧乙烯含量相对于该聚合物或混合物的总重量是该聚合物或混合物中氧乙烯(-O-CH2-CH2-)单元的重量比的100％倍。环氧乙烷聚合物或混合物的氧乙烯含量可以是例如以重量计至少92％或至少94％，并且可以是至多100％、至多99％、至多98％或至多97％。
环氧乙烷聚合物或混合物的数均羟基当量可以是例如至少400或至少450，并且在一些实施方式中可以是至多2000、至多1500、至多1200、至多1000或至多750。通过以下方式确定当量：使用公知的滴定数测量聚合物的以mg KOH/g为单位的的羟基数，以及从羟基数根据关系当量＝56,100÷羟基数计算当量。平均标称羟基官能度可以是至少2.0或至少2.1，并且可以例如是至多2.4或至多2.3。
优选的是包括环氧乙烷均聚物作为环氧乙烷聚合物或作为环氧乙烷聚合物的混合物的组分。这种环氧乙烷均聚物具有例如至少350、至少400或至少450，和例如至多2000、至多1500、至多1200、至多1000或至多750的羟基当量。它可以具有标称羟基官能度2至4、尤其2至3，并且如果用作唯一的环氧乙烷聚合物，则具有标称羟基官能度2。当用作环氧乙烷聚合物的混合物的组分时，这种均聚物可以占该混合物的例如至少30重量％、至少40重量％、至少50重量％、至少60重量％、或至少70重量％。这种环氧乙烷均聚物可以是室温固体。
环氧乙烷与一种或多种其它环氧烷(尤其1,2-环氧丙烷)的共聚物是有用的环氧乙烷聚合物，前提条件是它或含有它的混合物具有上面指定的氧乙烯含量、羟基当量和羟基官能度。任何的这种共聚物优选地含有基于该共聚物的总重量，以重量计至少50％的氧乙烯基团。有特殊意义的共聚物是环氧乙烷和1,2-环氧丙烷的无规或嵌段共聚物，所述无规或嵌段共聚物含有50重量％至95重量％、优选地60重量％至95重量％的氧乙烯基团，以及对应地含有5重量％至50重量％，优选地5重量％至40重量％的2-甲氧基丙烯基团。
当形成准预聚物时，任选地存在支化剂和/或扩链剂。这种支化剂或扩链剂可以具有至多250或至多125的的羟基当量，并且在支化剂的情况下，可以具有每分子至少3个羟基，并且在扩链剂的情况下，可以恰好具有每分子两个羟基。如果这些试剂完全存在，则它们适当地以每100重量份环氧乙烷聚合物或其混合物至多5重量份、优选地至多2重量份的量存在。
一种或多种其它异氰酸酯反应性材料可以存在于产生准预聚物的反应混合物中，但如果存在的话，则优选地以少量存在，例如以每100重量份的环氧乙烷聚合物或其混合物至多5重量份、优选地至多2重量份存在。
在一些实施方式中，准预聚物是仅一种或多种聚异氰酸酯、一种或多种环氧乙烷聚合物与一种或多种支化剂和/或扩链剂的反应产物。在其它实施方式中，准预聚物是仅一种或多种聚异氰酸酯与一种或多种环氧乙烷聚合物的反应产物。在每种此类情况下，环氧乙烷聚合物最优选地是如上所述的环氧乙烷均聚物，或是由一种或多种如上所述的环氧乙烷均聚物和环氧乙烷与如前文所述的另一种烯化氧(尤其1,2-环氧丙烷)的一种或多种无规或嵌段共聚物组成的环氧乙烷聚合物混合物。
将聚醚(和任选的异氰酸酯反应性材料，如支化剂和扩链剂)的当量和氧乙烯含量以及有机聚异氰酸酯的量和当量一起选择，以在反应后产生准预聚物，所述准预聚物具有以准预聚物的重量计5％至15％的异氰酸酯含量并且以该准预聚物的重量计55％至75％的氧乙烯含量。异氰酸酯含量可以是至少6％或至少6.5％，并且可以是例如至多12％、至多10％或至多9％。
可以使用公知的滴定方法确定准预聚物的异氰酸酯含量。
准预聚物的氧乙烯含量方便地计算自一种或多种环氧乙烷聚合物的氧乙烯含量和反应性起始材料的重量，即，在产生准预聚物时所用的一种或多种环氧乙烷聚合物和有机聚异氰酸酯的重量，以及如可以使用的任何支化剂、扩链剂和/或其它异氰酸酯反应性材料的重量。
通过以下方式方便地制备准预聚物：混合如上所述的有机聚异氰酸酯和异氰酸酯反应性材料，并使所得的反应混合物经受异氰酸酯基团和羟基基团反应以形成聚氨酯键的条件。这种反应方便地在高温(例如60℃至180℃)并且优选地在惰性气氛(例如氮气、氦气或氩气)下进行。反应通常持续直到产物达到目标或恒定异氰酸酯含量为止，这表明起始材料的基本上所有的羟基基团均消耗。
可以在氨基甲酸酯催化剂(即，用于异氰酸酯基团与水和/或与羟基基团反应以形成氨基甲酸酯基团的催化剂)存在下进行形成准预聚物的反应。
此外，可以在氨基甲酸酯催化剂基本上不存在下产生准预聚物。在此类实施方式中，反应混合物优选地含有按重量计不超过百万分之1份的金属和不超过百万分之100份的胺化合物。所得的准预聚物相应地含有类似少量的此类物质(如果存在的话)。在此类实施方式中，一种或多种环氧乙烷聚合物优选地不是胺引发的，并且不另外含有如氨基甲酸酯催化剂那样展现活性的胺基。
通过使准预聚物与水在稳定泡沫的表面活性剂存在下反应，产生泡沫。
稳定泡沫的表面活性剂有助于稳定发泡过程期间形成的气泡，直到聚合物已经固化为止。如产生聚氨酯泡沫中常用的多种有机硅表面活性剂可以用于产生本发明的泡沫。优选在水中可自分散或可溶的表面活性剂。此类有机硅表面活性剂的示例是按商标TegostabTM(Th.Goldschmidt and Co.)、NiaxTM(GE OSi Silicones)和DabcoTM(AirProducts and Chemicals)可商业获得的。其它有用的表面活性剂包括环氧乙烷与环氧丙烷和/或环氧丁烷的嵌段共聚物，其中一个或多个聚(环氧乙烷)嵌段占嵌段共聚物总重量的35％至75％。此类嵌段共聚物可以具有一个或多个羟基。一种或多种表面活性剂可以按每100重量份的多元醇混合物0.25至5重量份或0.5至2.5重量份的量存在。
成泡沫反应混合物可以含有各种其它成分。此类其它成分可以包括例如一种或多种异氰酸酯反应性材料，例如多元醇、多胺和氨基醇。此类异氰酸酯反应性材料的示例包括扩链剂、交联剂、聚醚多元醇、胺封端的聚醚、聚酯多元醇等。如果存在此类附加的异氰酸酯反应性材料，则它们优选地以少量存在，例如以水和附加的异氰酸酯反应性材料的合计总重量的至多25％、优选地至多10％存在。可以不存在附加的异氰酸酯反应性材料。
成泡沫反应混合物可以含有氨基甲酸酯催化剂。适用的催化剂包括例如叔胺、环脒、叔膦、各种金属螯合物、酸性金属盐、强碱、各种金属醇盐和有机酸的酚盐与金属盐。含金属的催化剂的示例为锡盐、铋盐、钴盐和锌盐。最重要的催化剂为叔胺催化剂、环脒、锌催化剂和锡催化剂。叔胺催化剂的示例包括三甲胺、三乙胺、N-甲基吗啉、N-乙基吗啉、N,N-二甲基苄胺、N,N-二甲基乙醇胺、N,N,N',N'-四甲基-1,4-丁二胺、N,N-二甲基哌嗪、1,4-重氮双环-2,2,2-辛烷、双(二甲氨基乙基)醚、三亚乙基二胺和二甲基烷基胺，其中所述烷基含有4至18个碳原子。常常使用这些叔胺催化剂的混合物。
也可以使用例如二甲基乙醇胺(DMEA)或二甲氨基丙基胺(DMAPA)或充当自催化性多元醇的胺引发多元醇的反应性胺催化剂。
锡催化剂包括氯化锡、氯化亚锡、辛酸亚锡、油酸亚锡、二月桂酸二甲基锡、二月桂酸二丁基锡、蓖麻酸锡、式SnRn(OR)4-n的其它锡化合物，其中R为烷基或芳基，并且n为0至4，等等。如果使用的话，则锌催化剂和锡催化剂通常与一种或多种叔胺催化剂结合使用。
催化剂通常以少量使用，例如每种催化剂(如果存在的话)以每100重量份的准预聚物约0.0015至约5重量份或0.1至0.5重量份采用。可以省略催化剂。
成泡沫反应混合物还可以含有各种液态功能性成分，例如着色剂、杀真菌剂、杀虫剂、颜料、选择性除草剂等。如果存在的话，则这些成分优选地占反应混合物的总重量的至多10％或至多5％。
通过以下方式产生亲水性聚氨酯泡沫：混合诸成分以形成反应混合物并且使所得的反应混合物经受异氰酸酯官能性准预聚物和水(以及其它异氰酸酯反应性组分)反应以形成聚氨酯泡沫的条件。
选择诸成分的比例以提供0.5至50的异氰酸酯指数。异氰酸酯指数是向反应混合物(在任何反应之前)提供的异氰酸酯基与异氰酸酯反应基之比率的100倍，其中认为水具有两个异氰酸酯反应基。异氰酸酯指数可以为例如0.5至25、1至25、2至20或2至15。
反应混合物中的水指数可以是例如至少200、至少400、至少500或至少650，并且可以是例如至多20,000、至多15,000、至多12,000或至多10,000。水指数是向反应混合物(在任何反应之前)提供的水的当量与异氰酸酯基的当量之比率的100倍，其中再次认为水具有两个异氰酸酯反应基。
将水和准预聚物合并以形成反应混合物之前，使表面活性剂方便地与该水合并。或者，可以在将水和准预聚物混合的同时将表面活性剂与其它成分合并。可以将表面活性剂与一部分水合并，然后与剩余的水与准预聚物合并。
将水与准预聚物混合后，固化自发地发生，并且因此广泛范围的条件适合于进行该反应。固化温度可以低至0℃或高达例如100℃。接近室温的温度或略微升高的温度是完全适合的并且通常是优选的。因此，固化温度可以是至少15℃或至少20℃并且至多50℃、40℃或35℃。固化反应产生二氧化碳气体，后者形成小室并且随着固化发生使反应混合物膨胀。
可以在敞开的容器中进行固化步骤，其中正在升起的泡沫膨胀抵抗大气的重量和/或薄膜的重量。可以通过将反应混合物分配到其升起并固化的槽中来进行此类自由发泡过程。
可以替代地在封闭的容器(例如封闭的模具)中进行固化步骤，其中膨胀受空腔的内部尺寸约束，以产生大小和形状与模具空腔的大小和形状对应的泡沫。
可以通过以下方式进行固化步骤：将反应混合物分配到皮带或移动中的基材上，计量反应混合物至所需的厚度，然后在该皮带上或该基材上固化已计量的反应混合物以形成垫或卷料。
可以替代地使用泡沫喷涂方法就地形成亲水性聚氨酯泡沫，在所述泡沫喷涂方法中，合并反应混合物的各种成分并将所得的反应混合物喷涂到想要泡沫的表面上。
反应混合物中水的量远超出准预聚物的异氰酸酯基的量。因为这一点，固化的泡沫通常含有显著量的水分，所述水分可以至少部分地处于泡沫的小室中所含有的液体的形式。可以进行干燥步骤以移除这种过量水的一些或全部。
可以例如通过以下方式进行这种干燥步骤：使干燥气体穿过泡沫、允许泡沫静置在干燥气氛下和/或将泡沫加热到例如50℃至150℃的温度。可以进行干燥直到达到任何想要的含湿量为止。在一些实施方式中，进行干燥直到达到恒定泡沫重量为止，这标示从泡沫移除了残余水。
如根据ASTM D3574所测量，本发明的亲水性聚氨酯泡沫可以具有例如40kg/m3至144kg/m3的泡沫密度。本发明的显著优势在于易于获得80kg/m3和更低的泡沫密度。在一些实施方式中，泡沫密度为48kg/m3至80kg/m3或48kg/m3至64kg/m3。
亲水性聚氨酯泡沫吸收水。在10.16cm×10.16cm×2.54cm厚的泡沫样品上测量时，该泡沫优选地表现出至少150g水/2.54cm厚度的持水量。泡沫可以表现出至少165g水/2.54cm厚度或至少180g水/2.54cm厚度的持水量。
以水饱和时，泡沫优选地表现出至多150％、优选至多125％的溶胀。
通过以下方式各自测量持水量和溶胀度：在100℃干燥直线泡沫样品(约4英寸×4英寸×1英寸厚(10.16cm×1 0.16cm×2.54cm))直至获得恒定重量(至少15小时)，以及测量已干燥泡沫的尺寸和重量。然后将泡沫在22±3℃浸入水中至少12小时，取出，并在22±3℃静置在格栅上或沥干2小时以排出多余的水。然后将样品重新称重，并再测量它们的尺寸。将溶胀度计算为增加的体积(润湿的和沥干的样品的体积减去已干燥样品的体积)除以已干燥样品的体积。
持水量作为样品厚度的函数如下计算：
持水量(g/in)＝(重量2小时，干燥–重量干燥)÷厚度2小时，干燥
其中“重量2小时，干燥”是指在浸没并沥干2小时后的样品重量，“重量干燥”是浸没前已干燥样品的重量，并且“厚度2小时，干燥”是浸没并沥干2小时后样品的厚度。
本发明的亲水性泡沫的优点是其即使在经受压缩力时也保留已吸收水的能力。在泡沫用作水容纳系统的组件时，这个特征是非常有益的，在所述水容纳系统中，泡沫承受位于泡沫上方的一个或多个层或其它结构的重量。优选地，根据持水测量方法测量时，在施加75lb/ft2(3.591kPa)的压缩力下，泡沫保留至少90％、更优选地至少95％已吸收的水。在一些实施方式中，在施加150lb/ft2(7.182kPa)的压缩力下，泡沫保留至少75％已吸收的水。
按照与持水量相同的一般方式测量保水率。对浸没并沥干的样品称重及测量后，将样品置于连续的负载下3分钟。在施加并移走每个负载之后，测量泡沫的重量，其中重量损失归因于压缩泡沫所致的失水。将任何给定的压缩力下的保水率计算为浸没并沥干的泡沫的水重量的百分比，该百分比转而等于重量2小时，干燥-重量干燥。
由于这种甚至处于压缩力时也保持已吸收水的能力，本发明的泡沫因此在用作水容纳系统的组件时具有特别的益处。在这种水容纳系统中，进入系统的水通过例如排水、泵送或其它方式转移到亲水性聚氨酯泡沫组件，在后者处水被吸收并保留。水被可逆性吸收并且可以通过各种机制(例如在重力下；借助容纳系统的其它层和/或组件发生芯吸；干燥；等等)从亲水性泡沫组件移除。
本发明的水容纳系统可以是例如蓝色屋面、绿色屋面、蓝绿色屋面、或用于捕获并容纳落在其它构筑物(例如露天停车场、室内停车场、柏油路面、车道、桥梁等)上和/或从其它构筑物上流下的降水的系统。
在特定实施方式中，水容纳系统包含形式为该水容纳系统内部包含的一个或多个层或本体的本发明亲水性聚氨酯泡沫。如果为层形式，则亲水性聚氨酯泡沫的厚度可以是例如至少10mm、至少25mm或至少50mm并且例如是至多1米或更大、至多250cm、至多100cm、至多50cm或至多25cm。
水容纳系统可以包括至少一个顶表面层，其直接或间接在亲水性聚氨酯泡沫层的至少一部分的顶部上。该顶表面层，如在室外构筑物(如建筑物、露天停车场、车库、车道等)的情况下，可以向大气开放，从而使降水(例如雨、冰雹、雨夹雪和雪)落到它上面。亲水性泡沫可以直接或间接地承受顶表面层和/或如可能存在的任何中间层的一些或全部重量。
顶表面层的组成和结构当然将根据特定设备的功能来选择。顶表面层可以是例如人行道或车道。此类人行道或车道可以由例如混凝土、钢筋混凝土、石材、瓷砖、碎石、聚合物混凝土、钢、铝、其它金属、木材或其它合适的材料构筑。
顶表面层可以是植被层。这种植被层将至少包括土壤层，并且可能包含一个或多个用于保持土壤以及植被本身的容器(至少在生长季节期间)。土壤层和/或其容器可以直接位于亲水性聚氨酯泡沫的顶部。或者，一个或多个附加层或结构可以驻于顶表面层与亲水性聚氨酯泡沫层之间。这些附加层或结构可以包括各种结构层，例如用于顶层的支撑件，或其它结构特征或功能特征。
水容纳系统可以包括用于将落在顶表面层上的水排放到亲水性泡沫层的装置。在一些实施方式中，此类装置包括在那些层中的孔或其它开口，从而水穿过一个或多个层到达下方的亲水性聚氨酯泡沫。例如，当水容纳系统形成绿色屋面系统的全部或一部分时，水可以通过渗透穿过土壤和土壤容器(如果有的话)从顶部植被层排出至下面的亲水性泡沫层。在其它实施方式中，此类装置可以包括排水口或其它开口，所排水口或其它开口任选地联接至一根或多根导管，其中水可以通过所述导管向下流动到亲水性聚氨酯泡沫。
水容纳系统还可以包括至少一个水阻隔层，其直接或间接地在亲水性聚氨酯泡沫下面以捕获从亲水性聚氨酯泡沫渗透的水并防止它进一步向下渗透到下面的结构上。例如，在绿色或蓝色屋面中，这个水阻隔材料可以是例如屋面膜本身或其它阻隔层。
附图示出了本发明的水容纳系统的实施方式。水容纳系统9通常包括支撑结构1；任选的隔绝/根部阻隔结构2；水阻隔层3；排水层4；过滤器或分离织物5；生长介质层6和植被层7。本发明的亲水性聚氨酯泡沫形成排水层4的全部或一部分。
支撑结构1是支撑上覆结构的承载层。它可以是能够承受所叠加重量的混凝土、钢筋混凝土、木材、复合材料、有机聚合物或其它建筑材料性质的。它可以是例如屋面、铺装区域、地面或承载其它单元之重量的其它结构。
当存在时，任选的隔绝/根部阻隔结构2起到以下作用：防止水向下流到支撑结构1和/或防止来自植被层7中生长的植物的根穿抵并进入支撑结构1中。在所示的说明性实施方式中，隔绝/根部阻隔结构2包括防水膜2A和板隔绝层2B。防水膜2A通常是热塑性橡胶，如热塑性烯烃、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物或聚氯乙烯。板隔绝层2B可以是例如发泡的刚性聚合物板，例如发泡的聚苯乙烯、发泡的聚氨酯、发泡的聚异氰脲酸酯等。
水阻隔层3可以例如是如关于防水膜2A所描述的防水膜。
在所示的说明性实施方式中，排水系统4包括土工织物(即，半多孔织物)层4A，所述层的功能是促进水流入一个或多个排水装置(未示出)，其中可以借助所述排水装置，将水从水容纳系统移入下水道或其它系统中。排水装置可以包括任何排水系统或其它导管系统，通过该排水系统或其它导管系统，穿过排水系统4的水被从水容纳系统中移除。它可以由排水管、管道、沟槽或其它流体导管以及相关的流量管理设备(例如塞子、值测定仪(value)、泵、流量控制系统等)组成。
土工织物可以是例如美国国家公路与运输协会(American Association ofState Highway and Transportation Officials)1类或2类土工织物。合适的土工织物的示例是重量从50g/m2至500g/m2的聚丙烯织物，例如作为Optigreen Separation Fabric可商购获得。层4A是任选的，并且其功能可以由亲水性聚氨酯泡沫层4B执行。例如，可以生产在其底表面上具有一个或多个通道的亲水性聚氨酯泡沫层4B，所述通道形成水可以经其流过并从水容纳系统移除的路径。
在所示的说明性实施方式中，排水系统4还包括多孔织物4C和机械储库系统4D，前者各自是任选的，并且各自可以为亲水性泡沫层4B替代。机械储库系统4D可以是例如凹陷的片材或织物，其中水归集于所述凹坑中。此类凹陷的片材有时称为“蛋托”结构，并且可以用开口工程化，其中当凹坑已经填满时，多余的水可以经所述开口流到下方各层。
因此，排水系统4可以仅由亲水性聚氨酯泡沫层4B组成，或者可以包括这样的亲水性聚氨酯泡沫4B，其具有层4A、4C和4D中任何一者或多者以及如可能想要的其它任选层。
在所示的说明性实施方式中，水容纳系统9的层5是分离织物，所述分离织物起到防止土壤在水流过时下冲至下方各层的作用。因此，分离织物对水是多孔的，但具有小到足以防止土壤穿过的开口。分离织物5可以是如上所述的土工织物，或者其它织造或非织造的纤维材料。
层6是包含有机物质并且可能包含无机物质的生长介质层。层6优选地具有在每种情况下如根据ASTM E2399测量的在最大持水容量时至少35％的含湿量和在最大持水容量时至少6％的孔隙度。
提供以下实施例来说明本发明，但并不意图限制本发明的范围。除非另有指示，否则所有份数和百分比均以重量计。
实施例1和对比样品A至B
A.准预聚物形成
准预聚物(QP)1从如表1所示的成分产生。将环氧乙烷均聚物(多元醇A)熔化并与多元醇B合并。将混合物干燥至含湿量小于250ppm。将痕量的苯甲酰氯添加到干燥的多元醇上并且拌入。将一种或多种聚异氰酸酯单独地加热到50℃并且与一种或多种多元醇合并。将所得反应混合物在75℃于氮气下加热，直到获得恒定的异氰酸酯含量为止。随后，将准预聚物冷却至室温并且在氮气下储存。
QP-A和QP-B以相同的通用方式从表1中所列的成分产生。在QP-A的情况下，两种多元醇均为室温液体，因此无需熔化即可合并。
在每种情况下，根据ASTM D5155测量NCO含量。从起始材料的氧乙烯含量计算准预聚物的氧乙烯含量。从起始性异氰酸酯的4,4'-含量计算一种或多种异氰酸酯的4,4'-含量。所得值如表1中报告。
多元醇A是分子量1000的标称双官能环氧乙烷均聚物。它包含100％的氧乙烯基团，并且是室温固体。多元醇A作为CarbowaxTM1000多元醇可商购自陶氏化学公司(DowChemical Company)。
多元醇B是环氧乙烷与环氧丙烷的共聚物，其标称羟基官能度为3且数均分子量为约5,000g/mol。其含有75％的氧乙烯基团。多元醇B作为VORANOLTM CP-1421多元醇可商购自陶氏化学公司。
多元醇C是环氧乙烷与环氧丙烷的共聚物，其标称羟基官能度为2且数均分子量为约2,400g/mol。其含有64％的氧乙烯基团。多元醇A作为UCONTM PCL-270多元醇可商购自陶氏化学公司。
多元醇D是三羟甲基丙烷。
异氰酸酯A是98％的4,4'-MDI与2％的2,4’-MDI的混合物。其具有33.5％的异氰酸酯含量。异氰酸酯A作为ISONATETM125M聚异氰酸酯可商购自陶氏化学公司。
异氰酸酯B是50％的4,4'-MDI与50％的2,4'-MDI的混合物。其具有33.5％的异氰酸酯含量。异氰酸酯B作为ISONATETM50O,P聚异氰酸酯可商购自陶氏化学公司。
异氰酸酯C是80％的2,4-甲苯二异氰酸酯和20％的2,6-甲苯二异氰酸酯的混合物。
表1
Figure BDA0002987746200000171
*对比。
B.制备亲水性泡沫
分别从准预聚物1和A至B产生亲水性泡沫实施例1和对比泡沫A至B。
表面活性剂A是市售的泡沫稳定有机硅表面活性剂。
表面活性剂B是分子量为约2500并且标称羟基官能度为2的环氧乙烷/环氧丙烷嵌段共聚物。
将54.4份水、5份表面活性剂A和1份表面活性剂B共混以形成水相。在每种情况下，将39.7份的准预聚物与水相在室温混合，并用高速实验室混合器混合10-20秒。将所得的反应混合物倒入11.2cm×11.2cm×2.54cm的敞口模具中，并使其自由上升。在发泡完成后，允许泡沫静置10分钟。移除冠部以产生11.2cm×11.2cm×2.54cm的泡沫本体。
在进行特性测试之前，使泡沫在环境温度和湿度下调质过夜。如上所述测量持水量、保水率和溶胀度。
测试结果如表2中所指示。
表2
特性 实施例1 对比A* 对比B*
持水量(无施加压力，g/2.54cm厚度 194 123 228
保水率，％，在施加压力下如下：
-12.5lb/ft<sup>2</sup>(0.599kPa) 99 85 99
-50lb/ft<sup>2</sup>(2.394kPa) 97 72 86
-62.5lb/ft<sup>2</sup>(2.993kPa) 96 68 78
-75lb/ft<sup>2</sup>(3.591kPa) 94 62 68
-112.5lb/ft<sup>2</sup>(5.387kPa) 91 57 58
-150lb/ft<sup>2</sup>(7.182kPa) 81 50 46
总溶胀度，％ 112 81 159
*对比
如表2中的数据所示，本发明的实施例显示出优异的保水率。

Claims (5)

1.一种水容纳系统，其包含亲水性聚氨酯泡沫，所述亲水性聚氨酯泡沫是反应混合物的反应产物，所述反应混合物包含：
a)水，
b)准预聚物，基于所述准预聚物的重量，所述准预聚物具有以重量计5％至15％的异氰酸酯含量并且含有55至75重量百分比的氧乙烯单元，所述准预聚物是以下者的反应产物：i)羟基封端的环氧乙烷聚合物或其两者或更多者的混合物，其中基于所述羟基封端的环氧乙烷聚合物或其混合物的重量，所述羟基封端的环氧乙烷聚合物或其混合物具有至少90重量百分比的平均氧乙烯含量，具有为2至2.5的数均标称羟基官能度，并且具有至少350的数均羟基当量；以及ii)过量的有机聚异氰酸酯，所述有机聚异氰酸酯包含至少80重量百分比的二苯基甲烷二异氰酸酯，其中至少60重量百分比的二苯基甲烷二异氰酸酯是4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯，其中组分b)按足以提供2至25的异氰酸酯指数和400至12,000的水指数的量存在；以及
c)一种或多种表面活性剂。
2.根据权利要求1所述的水容纳系统，所述水容纳系统包括至少一个水阻隔层；至少一层亲水性聚氨酯泡沫，其直接或间接在所述水阻隔层的至少一部分的顶部上；以及至少一个顶表面层，其直接或间接在所述亲水性泡沫层的至少一部分的顶部上；所述水容纳系统包括用于将掉落在所述顶表面层上的水排出至所述亲水性泡沫层的排水装置。
3.根据权利要求2所述的水容纳系统，其中所述顶表面层包括土壤层和植被层，并且所述排水装置包括在所述土壤层中与所述亲水性泡沫层处于流体连通的孔。
4.根据权利要求2或3所述的水容纳系统，其中所述亲水性聚氨酯泡沫层在底表面上具有一个或多个通道，所述通道形成水可以经其流过并从所述水容纳系统移除的路径。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的水容纳系统，还包括直接或间接在所述水阻隔层下方的屋面结构。
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