JP2007524777A - 砂又は砂利を固結して固体塊にする方法 - Google Patents

Abstract

粒体群を固結するための組成物及び方法を開示する。本発明の方法は、反応性組成物を粒体群に注入し、組成物を反応させてポリマーを形成し、該ポリマーによって粒体群を固結することを含んでいる。前記組成物は、ポリオール、イソシアネート及びエステルを含んでいる。
【選択図】なし

Description

本発明は、粒子集合体又は粒体群(砂利、石、土、砂、鉄鉱、木材チップ又は他の粒状体)を固結する組成物及び方法に関する。より具体的には、本発明は、ポリオール、イソシアネート及びエステルを含む組成物と、該組成物を反応させてポリマーを生成することにより粒体群を固結する方法に関する。

アラスカは炭化水素の備蓄量が多く、アラスカのツンドラ地帯では、油田関連の様々な活動が行われている。アラスカのツンドラ地帯は、一般的には、塩水氷、真水氷、水又は一部解けた氷、砂、砂利(gravel)、基盤岩(bedrock)及び玉石(cobble)を含んでいる。

ツンドラ地帯では、建物、油井ヘッド(well heads)、パイプライン、掘削リグなどの構築又は施工に関して多くの問題がある。永久ツンドラ地帯は、大気条件の変化によって、凍結及び融氷が起こるから、凍結したツンドラは、隆起、沈下及び起伏が起こる。その結果、現場打ちコンクリートの構造壁の上、又は現場打ちコンクリートのフロアパッドの上に建物を建築するといった通常の建築方法を用いることは実用的でない。

さらに、炭化水素は、油井管の中を、炭化水素の油井ヘッドの方へ流れるので、油井管の近傍では、温かい炭化水素が、ツンドラの氷を解かすことがある。氷が解けると、氷の中に含まれていた砂利(gravel)、石(rock)などが、最も近い固体塊(solid mass)のところに落下するため、炭化水素油井の周りに大きな穴又は窪みができる結果となる。穴を埋めるために、追加の砂利を加えることはできるが、氷が解け続けると、穴の問題はいつまでも残る。

従来型のスラブ又はフロアの下の地面の中に、反応性組成物を注入することは知られている。しかし、上記の如く、従来型のスラブ構造は、アラスカのツンドラ地帯のような環境条件では使用できない。米国特許第４５６７７０８号は、地面で支持された(earth supported)フロア又はスラブの沈下部又は破壊部の下に、独立気泡型ポリウレタン発泡体などの発泡ポリマーフォームの成分を注入する方法を開示している。フロア又はスラブと地面との間の空間に到達するために、フロア又はスラブを通る少なくとも１つのドリル孔が開けられ、その孔を通して発泡体の成分が注入される。地面とフロア又はスラブの間で発泡体が膨張するにつれて、圧力が発生し、その圧力によって、沈下部又は破壊部が押し上げられる。発泡体が硬化すると、スラブ又はフロアの沈下部の支持体として機能する。

多くの地域(アラスカのツンドラ地帯に限定されない)で構築に関して頻繁に起こる他の問題として、仮設プラットフォーム、建物用基礎、道路などの表面基礎作業を必要とすることである。表面基礎は、粒体群を積み重ねて、重ねられた粒体群を固めることによって作製されることがある。表面基礎に粒体群を使用する場合の問題の１つは、粒体群には密着性が殆ど無いか全く無いため、粒体群が散らばって、基礎の有効性が低下することである。この不都合をできるだけ少なくするために、重質炭化水素生成物等を表面基礎に加えることもあるが、これは、多くの環境問題を引き起こす。

本発明は、反応性組成物(reaction composition)に関する。本発明はまた、前記反応性組成物を反応させてポリマーを生成し、該ポリマーによって、粒体群(aggregate)を、固結又は一体化する方法を含んでいる。本発明の望ましい組成物は、ポリオール、イソシアネート及びエステルを含んでいる。エステルは、反応生成物から余分な水を除去すると共に、希釈剤として作用する。より好適には、組成物は、ポリメリックＭＤＩを含むＡ側成分と、ポリオール、触媒、水及び2,2,4-トリメチル-1,2-ペンタンジオールジイソブチレート(イーストマン・ケミカル・カンパニー製の商品名ＴＸＩＢ)を含むＢ側成分を含んでいる。この望ましい組成物は、粒体群を固結する(consolidate)発泡体を生成する。他の望ましい実施例として、同じ成分であるが、水を有意に減少させるか又は除去したものを挙げることができる。他の実施例に係るこの反応性組成物は、粒体群を固結する固体又は半固体のポリマーを生成する。従来の重質炭化水素生成物と比べて、ＴＸＩＢはポリウレタンと共に、無害で環境適合性のバインダーとなる。

本発明の望ましい方法は、反応性組成物を、地上又は地下の粒体群に注入することを含んでいる。反応性組成物は、粒体群に侵入し、反応を起こしてポリマーを生成し、該ポリマーによって粒体群の粒どうしが結合する。反応性組成物が発泡剤を含む場合、反応性組成物は、粒体群の中で膨張して発泡体を生成し、土壌が結合される。反応性組成物が発泡剤を含まない場合、反応性組成物は粒体群の中へ流れ込んで、より高密度又は固体のポリマーを形成し、粒体群を移動させることなく粒体群を結合する。

本発明は、改良された組成物、及び、該組成物を反応させて発泡体又は他のポリマーを形成し、これによって粒体群を固結又は一体化(solidify)する方法を含んでいる。

広義において、組成物は、ポリオール成分(Ｂ側)、イソシアネート成分(Ａ側)及びエステル成分を含んでいる。エステルは、Ａ側又はＢ側のどちらか一方、或いはＡ側及びＢ側の両方に存在することができる。エステルは、反応生成物から余分な水を除去すると共に、希釈剤として作用する。

エステルは、ジエステルが望ましく、2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオールジイソブチレート(イーストマン・ケミカル・カンパニー製の商品名ＴＸＩＢ)が最も望ましいが、これに限定されるものではない。ＴＸＩＢを使用するシステムが、従来のシステムより具体的に優れる点は、環境に対して無害で、悪影響を与えないことである。エステルは、組成物全体の約５重量％〜約６０重量％の範囲であることが望ましい。エステルは、組成物全体の約１０重量％〜約２５重量％の範囲であることがより望ましい。

組成物のイソシアネート成分は、イソシアネート、ポリイソシアネート又はイソシアネート・プレポリマーを含むことができる。望ましくは、イソシアネート成分は、ポリイソシアネートである。ここで用いられるポリイソシアネートという用語は、平均官能基数(average functionality)が約２.０以上のすべてのイソシアネートを意味する。ポリイソシアネートは、アニリン／ホルムアルデヒドの凝縮によるホスゲン化(「ポリメリックＭＤＩ」)によって得られるジフェニルメタンジイソシアネート又はこれらポリイソシアネートの誘導体を主体とし、カルボジイミド基、ビウレット基、ウレタン基、イソシアヌレート基、アロファネート基及びこれら基を有する化合物の混合物を含み、室温で液体であるものが望ましい。望ましいポリイソシアネートの代表例として、ポリメリックＭＤＩは、バイエルが商標名ＭＯＮＤＵＲ ＭＲで販売するもの、ＢＡＳＦが商標名ＬＵＰＲＡＮＡＴＥ Ｍ２０Ｓで販売するもの、ザ・ダウ・ケミカル・カンパニーが商標名ＰＡＰＩ ２７で販売するもの、ハンツマン・ケミカルが商標名ＲＵＢＩＮＡＴＥ Ｍで販売するものを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。

また、エラストマー系ポリマーが所望される場合、イソシアネート・ホモポリマーを組成物に使用することができる。エラストマー系ポリマーは、適当な可撓性を具えることが望ましい。弾性を付与する組成物を調製するのに好適なポリイソシアネート・ホモポリマーとして、限定するものでないが、１４３当量の変性4,4'-ジフェニルメタンジイソシアネートを挙げることができ、例えば、ＢＡＳＦが販売するＭＭ１０３、バイエルが販売するＭＯＮＤＵＲ ＣＤ、ザ・ダウ・ケミカル・カンパニーが販売するＩＳＯＮＡＴＥ １４３Ｌ、ハンツマン・ケミカルが販売するＲ１６８０等がある。

また、エラストマー系ポリマーの調製が所望される場合、イソシアネート・プレポリマーを組成物に使用されることができる。望ましいプレポリマーとして、バイエルが販売するＭＯＮＤＵＲ ＰＦ、ザ・ダウ・ケミカル・カンパニーが販売するＩＳＯＮＡＴＥ １８１、ハンツマン・ケミカルが販売するＲ １２０９等があるが、これらに限定されるものではない。

組成物のポリオール成分として、ポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール又はその組合せなどを含む様々なポリオールを挙げることができる。望ましい実施例において、ポリオールは、ポリエーテルポリオール単独又はポリエーテルポリオールの組合せである。より望ましくは、ポリオール成分は、高速で反応するアミン系ポリオールを含んでいる。望ましいポリエーテルポリオールとして、アーチ・パフォーマンス・ウレタン・アンド・オーガニクスが販売する４０−７７０(平均ヒドロキシル数７７０のテトロール)、ＢＡＳＦが販売するＱＵＡＤＲＯＬ(登録商標)等の他の等価物があるが、これらに限定されるものではない。また、同様なポリオール、ザ・ダウ・ケミカル・カンパニーが販売するＶＯＲＡＮＯＬ(登録商標)を使用することもできる。組成物に使用可能な追加のポリオールとして、ハンツマンが販売するＭａｎｎｉｃｈ(登録商標)４６６Ｘ、カーペンター・ケミカルが販売するＣａｒｐｏｌ(登録商標)ＭＸ−４７０や、ザ・ダウ・ケミカル・カンパニーが販売するＶｏｒａｎｏｌ(登録商標)やＭＸ４７０Ｘ等の他の等価物が挙げられる。さらに、ザ・ダウ・ケミカル・カンパニーが販売するＥ−６００のようなポリグリコール及び他のポリグリコールを組成物の中に用いることができる。

本発明の組成物の様々な実施例において、ポリオール成分、イソシアネート成分及びエステルの他に、所望により、他の成分を含むことができる。限定されるものではない追加成分として、触媒、界面活性剤、水及び他の発泡剤がある。

本発明では、触媒を使用することが望ましい。組成物の中で使用される望ましい触媒として、例えば、オクチル酸錫(II)、ジラウリン酸ジブチル錫、ＵＬ−２２(ウイティコ・ケミカル・オーガニクス・デビジョンが商標名ＷＩＴＣＯ ＦＯＭＲＥＺ ＵＬ−２２で販売しているもの)又はナフテン酸鉛(ＰｂＮ)のような有機錫化合物； 例えば、N,N-ジメチルシクロヘキシルアミン(ＤＭＣＨＡ)(エア・プロダクツ・アンド・ケミカルズがＰｏｌｙＣａｔ８で販売しているもの)、1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン(ＴＥＤＡ)(エア・プロダクツ・アンド・ケミカルズが商標名ＤＡＢＣＯで販売しているもの)、及び７０％ビス(ジメチルアミノエチル)エーテルを含むＤＰＧ(エア・プロダクツ・アンド・ケミカルズがＢＬ−１１として販売しているもの)のような第三級アミン； 例えば、３３％ＴＥＤＡを含むグリコール又はジメチルエタノールアミン(ＤＭＥＡ)のようなアミンポリオール触媒； 例えば、ペンタメチルジエチレントリアミン(ＰＭＤＥＴＡ)のようなアミン触媒、を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。ポリウレタン生成反応に用いられる公知の他のアミン及び有機金属触媒を用いることもできる。

ポリウレタン発泡体生成反応に有用なものとして知られているポリエーテルポリシロキサンのような界面活性剤を組成物の中に用いることもできる。非シリコーン界面活性剤を用いることもできる。非シリコーン界面活性剤として、ＬＫ４４３(エア・プロダクツが販売している)を挙げることができるが、これに限定されるものではない。適当な界面活性剤は、ゴールドシュミット・ケミカル、エア・プロダクツ・アンド・ケミカルズ・インク、ウイティコ等から得ることができる。組成物の中に使用される好ましい界面活性剤として、ＯＳＩが販売するＹ−１０７６２、ゴールドシュミット・ケミカルが販売するＢ８４２３、Ｂ８９３４及びＢ８９３５を挙げることができる。

組成物は水を含むことが望ましい。加えられる水の量は、ポリイソシアネートの重量をベースとして、約５重量％以下、望ましくは約４重量％以下、最も望ましくは約２重量％以下である。或いはまた、水と共に、又は水に代えて、他の発泡剤を使用することもできる。有機発泡剤として、オゾン層非破壊性ハイドロフルオロカーボン、オゾン層非破壊性ハイドロクロロフルオロカーボン、及び脂肪族炭化水素を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。水発泡(water-blown)ポリウレタン及び水発泡でない(non-water blown)ポリウレタンの製造用として既知の発泡剤を用いることもできる。発泡剤は、単独でも、混合物としても用いることができる。

米国特許第６５２１６７３号は、本発明の組成物に好適に使用可能な多くの成分を開示している。米国特許第６５２１６７３号は、引用を以て、その全体が本願に組み入れられるものとする。

組成物は、独立気泡の発泡体が形成されるように反応させることが望ましい。しかしながら、より優れた流れ特性が所望される場合、開放気泡の発泡体が形成されるように、組成物を反応させることもできる。

望ましい組成物の一例は、ポリメリックＭＤＩを主体とするＡ側を含んでいる。この望ましい組成物のＢ側は、約３５重量％〜約４５重量％のアミン系ポリエーテルポリオール、約１５重量％〜約３５重量％のポリグリコール、約２０重量％〜約４５重量％のＴＸＩＢ、約０.２５重量％〜約２.００重量％の界面活性剤、約０.７５重量％〜約１.５重量％の水、及び、約１.０重量％未満のアミン触媒と錫触媒の組合せを含んでいる。この望ましい実施例において、Ａ側は、組成物全体の約５０重量％〜約６０％であり、Ｂ側は、組成物全体の約４０重量％〜約５０％である。好適には、この望ましい組成物の成分が反応すると、フリーライズ密度(free rise density)が、約２〜約８ポンド／立方フィート、最も望ましくは約４ポンド／立方フィートの発泡体が生成する。

他の望ましい実施例の一例として、前記の望ましい実施例と同じ成分及び範囲であるが、水の量が前記よりも少ない成分を用いた組成物を含んでいる。この他の望ましい実施例の組成物は、発泡体よりも高密度のポリマーが形成されるように反応させることが望ましい。

限定されるものでない以下の実施例は、多孔質の土壌を固結又は一体化することができるポリマーが、反応によって生成される望ましい組成物を示している。

＜実例１＞
土壌を固結する組成物として、以下の成分を含む組成物を試験した。

Ｂ側成分を、ポリメリックＭＤＩを含むＡ側成分と反応させた。組成物は、Ａ側が５５.２重量％、Ｂ側が４４.８重量％であり、イソシアネート指数は約１.０８であった。反応性組成物は、直径が非常に小さな石群(rocks)が入れられた容器の中へ注入した。得られた反応生成物は、フリーライズ密度が、約５ポンド／立方フィートの発泡体であった。石群は、この発泡体によって固められた。

＜実例２＞
実例１の反応性液体組成物を石群に注入すると、石の質量(rock mass)がもつヒートシンク(heat sink)作用により、反応に及ぼす影響は極めて大きかった。第２の実験に用いた土壌固結用組成物は、以下の成分を用いて調製した。

第２の実例では、より多くのポリマー結合が混合物に付与されるように、ＴＸＩＢの量を減らし、ＴＸＩＢの一部をＥ−６００と置換した。反応性組成物を、直径が非常に小さな石群が入れられた容器に注入した。得られた反応生成物は、フリーライズ密度が約４ポンド／立方フィートであった。石群は、この発泡体によって固められた。

＜実例３＞
水発泡剤を使用せずに、上記の実験を繰り返し実施した。石／ポリマーの最終の塊は固体であるが、組成物を注入して反応が起こった後、石群の移動は殆ど起こらなかった。これは、反応性組成物が所定位置で膨張せず、小石を押圧しなかったためであり、反応性組成物が石群の周りに移動し、石群の間の空間に進入したためである。

本発明の望ましい方法は、一般的には、注入又はその他の方法により、反応性組成物を粒体群に注入し、前記組成物を反応させてポリマーを形成し、土壌を固結することを含んでいる。反応性組成物によって形成されたポリマーは、上記の如く、使用される特定の成分に応じて、発泡体又は固体ポリマーである。

組成物のＡ側成分とＢ側成分は、最初に、粒体群に添加される。Ａ側成分とＢ側成分は、予め混合され、反応ヘッドから注入される。或はまた、当該分野の専門家に既知の他の技術を用いて、混合し装入することが可能である。

組成物が粒体群に注入されると、成分は反応して、ポリマーが形成される。反応プロセスは迅速に行なわれ、ポリマー形成は数分以内にほぼ完了していることが望ましい。

本発明に関する前記説明は、予測可能な範囲内で例示的及び説明的なものであって、発明の精神及び範囲は請求の範囲によって規定される。

Claims (21)

1. 粒体群を固結する方法であって、
   反応性組成物を粒体群に導入し、
   前記反応性組成物を反応させて、ポリマーを形成すること、を含んでおり、
   前記反応性組成物は、ポリメリックＭＤＩとＢ側成分を含んでおり、
   前記Ｂ側成分は、約３５重量％〜約４５重量％のアミン系ポリエーテルポリオール、約１５重量％〜約３５重量％のポリグリコール、及び約２０重量％〜約４５重量％の2,2,4-トリメチル-1,2-ペンタンジオールジイソブチレートを含んでいる、方法。
2. 組成物は有機錫触媒をさらに含んでいる請求項１に記載の方法。
3. 組成物はアミン触媒をさらに含んでいる請求項１に記載の方法。
4. 組成物は水をさらに含んでいる請求項１に記載の方法。
5. 組成物はハイドロフルオロカーボン発泡剤をさらに含んでいる請求項１に記載の方法。
6. 組成物は炭化水素発泡剤をさらに含んでいる請求項１に記載の方法。
7. 組成物はシリコーン系界面活性剤をさらに含んでいる請求項１に記載の方法。
8. ポリマーはポリウレタン発泡体を含んでいる請求項１に記載の方法。
9. ポリマーは、密度が約２〜１２ポンド／立方フィートのポリウレタン発泡体を含んでいる請求項１に記載の方法。
10. ポリマーはエラストマー系ポリマーを含んでいる請求項１に記載の方法。
11. イソシアネートはイソシアネート・プレポリマーを含んでいる請求項１に記載の方法。
12. 組成物は地面の中に導入される請求項１に記載の方法。
13. 粒体群を固結する方法であって、
    ポリオール、イソシアネート及びエステルを含む反応性組成物を粒体群に導入し、
    前記反応性組成物を反応させてポリマーを形成することを含んでいる、方法。
14. 組成物はポリグリコールをさらに含んでいる請求項１３に記載の方法。
15. ポリオールはアミン系ポリエーテルポリオールをさらに含んでいる請求項１３に記載の方法。
16. イソシアネートはポリメリックＭＤＩを含んでいる請求項１３に記載の方法。
17. エステルは、2,2,4-トリメチル-1,2-ペンタンジオールジイソブチレートを含んでいる請求項１３に記載の方法。
18. ポリマーはポリウレタン発泡体を含んでいる請求項１３に記載の方法。
19. ポリマーはエラストマー系ポリマーを含んでいる請求項１３に記載の方法。
20. 組成物は地面の中に導入される請求項１３に記載の方法。
21. 粒体群を固結するための反応性組成物であって、該反応性組成物は、
    ポリメリックＭＤＩを含むＡ側成分と、ポリメリックＭＤＩを含むＢ側成分とを含んでおり、
    Ｂ側成分は、約３５重量％〜約４５重量％のアミン系ポリエーテルポリオール、約１５重量％〜約３５重量％のポリグリコール及び約２０重量％〜約４５重量％の2,2,4-トリメチル-1,2-ペンタンジオールジイソブチレートを含んでいる、反応性組成物。