Высокоэффективное извлекающее тепло вентиляционное устройство

Высокоэффективное извлекающее тепло вентиляционное устройство

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение предлагает жесткие или полужесткие структуры для использования в извлекающем тепло вентиляционном устройстве. В частности, настоящее изобретение предлагает применение структуры, к которой прикрепляется влагопроницаемая пленка, изготовленная из сульфонированного блок-сополимера, для обеспечения большей степени непосредственного контакта воздушных потоков с пленкой. Сульфонированный блок-сополимер содержит, по меньшей мере, два полимерных концевых блока, в которых присутствует небольшое или нулевое количество функциональных групп сульфоновой кислоты или сульфонатов, и, по меньшей мере, один внутренний полимерный блок, в котором содержится эффективное количество функциональных групп сульфоновой кислоты или сульфонатов. Структура может представлять собой пористый лист, обеспечивающий прохождение газа, такого как воздух, и в результате этого обеспечивается больший непосредственный контакт с влагопроницаемой пленкой. Кроме того, настоящее изобретение предлагает высокоэффективную извлекающую тепло вентиляционную систему, имеющую устройство, в котором используются такие структуры.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Хорошо известно, что системы нагревания и охлаждения используются для регулирования температуры в домах и разнообразных строениях. В таких системах свежий воздух поступает снаружи внутрь здания или дома, в то время как несвежий воздух выпускается изнутри наружу. Как правило, в таких системах охлаждения и нагревания расходуется большое количество энергии. Один способ снижения стоимости расходуемой энергии представляет собой обмен некоторого количества тепла и влаги между воздушными потоками, которые поступают в строение и выходят из него.

Соответственно, такие системы для обмена тепла и влаги между воздушными потоками известны как регенерирующие тепло вентиляционные (ERV) системы. ERV включает явный и скрытый теплообмен между несвежим внутренним воздухом и свежим внешним воздухом. Принцип такого обмена заключается в том, что выходящий воздушный поток и входящий воздушный поток имеют различные давления водяного пара и, кроме того, различные температуры. Например, летом, когда входящий воздушный поток является теплым и влажным, энергия регенерируется посредством явного и скрытого теплообмена с имеющим меньшую температуру и влажность выходящим воздухом. Напротив, зимой, когда внешний воздух является холодным и сухим, энергия регенерируется посредством обмена между сухим холодным воздухом и имеющим более высокую температуру и влажность выходящим воздухом.

Системы ERV обычно используются в сочетании с системами нагревания и/или охлаждения и представляют собой системы, имеющие основной блок ERV. Данный основной блок, как правило, составляют разнообразные уложенные стопкой мембраны, между которыми находятся разделители некоторого типа. Входящие и выходящие воздушные потоки поступают в блок и проходят друг относительно друга без смешивания со своей стороны уложенных пластин, как правило, в режиме чередующихся перекрестных потоков.

Явный теплообмен, как правило, проще осуществляется, поскольку тонкий слой может значительно легче переносить тепло. С другой стороны, на скрытый теплообмен влияет влагообмен между воздушными потоками, который обеспечивает более эффективный теплообмен. Извлекающие тепло вентиляционные (HRV) системы означают системы, которые обеспечивают явный теплообмен, потому что отсутствует влагообмен между входящим и выходящим воздушными потоками. Однако в системах ERV присутствует мембрана, обеспечивающая влагообмен между двумя воздушными потоками, и, таким образом, существует преимущество одновременного наличия свойств явного и скрытого теплообмена.

Пример системы ERV описывает опубликованная патентная заявка США № 2012/0073791. Она описывает устройство извлекающей энергию системы, где используется волокнистая микропористая несущая подложка, на которую ламинирован сульфонированный блок-сополимер. Сульфонированный блок-сополимер является воздухонепроницаемым, но обеспечивает эффективный перенос водяного пара и, таким образом, придает весьма предпочтительные теплообменные свойства. Микропористая подложка обеспечивает прохождение воздуха и при этом также создает механическую опору для сульфонированного блок-сополимера. Разделители используются таким образом, чтобы обеспечивать укладку мембран и разделять воздушные потоки при изготовлении основного блока ERV.

Автор настоящего изобретения определил, что требуется способ, обеспечивающий больший контакт воздушного потока с влагопроницаемой мембраной в целях более эффективного влагообмена между входящими и выходящими потоками.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно некоторым вариантам осуществления, в настоящем документе описывается извлекающая энергию система, имеющая основной блок, который обеспечивает теплообмен и влагообмен между проходящими через него воздушными потоками, причем данный основной блок имеет две или более многослойные композитные конструкции, и вышеупомянутую многослойную композитную конструкцию составляют:

пористая жесткая или полужесткая структура, имеющая множество отверстий, проходящих от первой поверхности до второй поверхности, и

полимерная пленка, содержащая сульфонированный блок-сополимер, прикрепленная, по меньшей мере, к одной из вышеупомянутых первой и второй поверхностей вышеупомянутой структуры и покрывающая вышеупомянутое множество отверстий,

причем сульфонированный блок-сополимер включает, по меньшей мере, один концевой блок A и, по меньшей мере, один внутренний блок B, где в каждом блоке по существу не содержатся функциональные группы сульфоновой кислоты или сложного эфира сульфоновой кислоты, и каждый блок B представляет собой полимерный блок, содержащий от приблизительно 10 до приблизительно 100 мол.% функциональных групп сульфоновой кислоты или сложного эфира сульфоновой кислоты в расчете на число мономерных звеньев.

Согласно следующим вариантам осуществления, пленка прикрепляется к пористой подложке, содержащей пористый тканый или нетканый материал, а также прикрепляется, по меньшей мере, к одной из вышеупомянутых первой и второй поверхностей вышеупомянутой структуры, образуя многослойную конструкцию.

Согласно следующим вариантам осуществления, структура может представлять собой плоский лист, или ему может быть термически, механически или химически придана непрерывная форма, в поверхностях которой образованы каналы, причем вышеупомянутые каналы имеют вершину и впадину. Согласно таким вариантам осуществления, в которых структуре придается форма, имеющая каналы (например, гофрированная форма), такую структуру можно использовать для превращения системы HRV в систему ERV. Это можно осуществлять путем удаления пластин или разделителей из системы HRV и введения многослойной конструкции, в которой формованная (т.е. гребенчатая, гофрированная) структура.

Кроме того, структура можно подвергать перфорации или спеканию для образования в нем пор.

Согласно вариантам осуществления, в которых структура или многослойная конструкция представляет собой плоский лист, можно использовать разделитель, который сам является пористым, и на который может быть также ламинирован сульфонированный блок-сополимер.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1a, 1b и 1c иллюстрируют три различные полимерные экструдированные сетчатые структуры;

Фиг. 2a, 2b и 2c иллюстрируют три различные перфорированные алюминиевые пластины;

Фиг. 3 иллюстрирует нетканую целлюлозную подложку;

Фиг. 4 иллюстрирует спеченную пористую подложку;

Фиг. 5 иллюстрирует перспективное изображение основного блока ERV;

Фиг. 6 иллюстрирует один вариант осуществления конфигурации слоя в основном блоке ERV;

Фиг. 7a иллюстрирует один вариант осуществления конфигурации слоя в основном блоке ERV;

Фиг. 7b иллюстрирует один вариант осуществления конфигурации слоя в основном блоке ERV;

Фиг. 8a иллюстрирует один вариант осуществления конфигурации слоя в основном блоке ERV;

Фиг. 8b иллюстрирует один вариант осуществления конфигурации слоя в основном блоке ERV;

Фиг. 9 иллюстрирует один вариант осуществления конфигурации слоя в основном блоке ERV;

Фиг. 10a иллюстрирует один вариант осуществления конфигурации слоя в основном блоке ERV;

Фиг. 10b иллюстрирует один вариант осуществления конфигурации слоя в основном блоке ERV;

Фиг. 10c иллюстрирует один вариант осуществления конфигурации слоя в основном блоке ERV;

Фиг. 11a иллюстрирует один вариант осуществления конфигурации слоя в основном блоке ERV;

Фиг. 11b иллюстрирует один вариант осуществления конфигурации слоя в основном блоке ERV;

Фиг. 12a иллюстрирует гофрирование соседних слоев структуры;

Фиг. 12b иллюстрирует гофрирование соседних слоев структуры;

Фиг. 13 иллюстрирует экспериментальные результаты в отношении энергообмена.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящем документе представлено подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения, однако следует понимать, что описанные варианты осуществления представляют собой просто примеры, и что настоящее изобретение можно реализовать в разнообразных и альтернативных формах согласно описанным вариантам осуществления. Таким образом, конкретные конструкционные и функциональные параметры, которые представлены в вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, следует истолковывать не как ограничение, а просто как основание для формулы изобретения и как представительное руководство для информирования специалистов в данной области техники в целях разнообразного использования настоящего изобретения.

Все публикации, патентные заявки и патенты, которые упоминаются в настоящем документе, во всей своей полноте включаются в него посредством ссылки. В случае противоречия предусматривается, что преобладающую силу имеет настоящее описание, включая приведенные в нем определения.

Если другое условие не установлено определенным образом, все технические термины, используемые в настоящем документе, имеют значения, которые обычно понимают специалисты в данной области техники.

Кроме того, если другое условие не установлено определенным образом, приведенные ниже выражения, которые используются в настоящем документе, необходимо понимать как имеющие следующие значения.

Если другое условие не установлено определенным образом, термин «покрытый» или «покрытие» означает нанесение или прикрепление полимера в растворе или жидкой форме на подложку или другой материал, где полимер находится на поверхности подложки или внедряется во внутреннюю структуру подложки.

В отличие от термина «покрытие», если другое условие не установлено определенным образом, термин «ламинирование» означает нанесение или прикрепление литой полимерной мембраны или полимерной пленки на подложку или другой материал.

Термин «прикрепленный» или «связанный» означает прикрепление полимера к подложке или другому материалу посредством покрытия или ламинирования или другим способом, в результате чего образуется связь между полимерной мембраной и подложкой или другим материалом.

Специалисты в данной области техники понимают, что термин «пленка», описанный в настоящем документе, может также означать мембрану, которая является влагопроницаемой, но воздухонепроницаемой.

В настоящем документе описывается высокоэффективная система ERV для явного и скрытого теплообмена между входящим воздушным потоком и выходящим воздушным потоком (далее входящий и выходящий воздушные потоки называются термином «воздушные потоки»). В системах ERV используется влагопроницаемая, но воздухонепроницаемая пленка в сочетании с жесткой или полужесткой структурой, что обеспечивает больший контакт воздушных потоков в основном блоке ERV. Структурам можно придавать различные формы, такие как гофрированная форма, и они могут быть пористыми. Влагопроницаемая пленка может прикрепляться к структурам, а также к несущей подложке.

Согласно следующим вариантам осуществления, пленка может прикрепляться к жесткой или полужесткой структуре, в результате чего образуется многослойная конструкция, которой можно придавать разнообразные формы, включая гофрированные формы. Такие варианты осуществления могут также включают превращение устройства HRV в основном блоке ERV. В таких случаях влагонепроницаемые разделители или структура HRV можно удалять, чтобы вводить влагопроницаемые, но воздухонепроницаемые многослойные конструкции и, в качестве альтернативы, пористая жесткая или полужесткая структура, описанная в настоящем документе, и получается основной блок ERV.

Согласно разнообразным вариантам осуществления, основной блок ERV, которое описывается в настоящем документе, могут составлять несколько компонентов, в том числе: (1) содержащая сульфонированный блок-сополимер пленка, (2) жесткая или полужесткая структура, (3) мембранная подложка, (4) разделители.

Компоненты извлекающей тепло вентиляционного устройства

Содержащая сульфонированный блок-сополимер пленка

Полимерную пленку, которая используется в основном блоке ERV, описанном в настоящем документе, полностью или частично составляет сульфонированный блок-сополимер. Согласно некоторым вариантам осуществления, композиции согласно настоящему изобретению включают сульфонированные блок-сополимеры, которые описали Willis и др. в патенте США № 7737224. Кроме того, сульфонированные блок-сополимеры, в том числе те, которые описаны в патенте США № 7737224, можно изготавливать способом, который описали Dado и др. в международной патентной заявке WO 2008/089332, или способом, который описали Handlin и др. в патенте США № 8012539.

1. Сульфонированные блок-сополимеры

Блок-сополимеры, которые требуются для изготовления сульфонированных блок-сополимеров, можно получать, осуществляя ряд различных процессов, таких как анионная полимеризация, замедленная анионная полимеризация, катионная полимеризация, полимеризация с катализаторами Циглера-Натта (Ziegler-Natta), а также полимеризация с использованием живых цепей или устойчивых свободных радикалов. Анионная полимеризация более подробно описана ниже и в цитируемых документах. Процессы замедленной анионной полимеризации для изготовления стирольных блок-сополимеров описаны, например, в патентах США №№ 6391981, 6455651 и 6492469, причем каждое из данных описаний включается в настоящий документ посредством ссылки. Процессы катионной полимеризации для изготовления блок-сополимеров описаны, например, в патентах США №№ 6515083 и US 4946899, причем каждое из данных описаний включается в настоящий документ посредством ссылки.

Процессы полимеризация с использованием живых цепей и катализаторов Циглера-Натта, которые можно осуществлять для изготовления блок-сополимеров, недавно описали G. W. Coates, P. D. Hustad и S. Reinartz (Angew. Chem. Int. Ed., 2002 г., т. 41, с. 2236-2257); в следующей публикации H. Zhang и K. Nomura (J. Am. Chem. Soc. Comm., 2005 г.) описывают методы Циглера-Натта для изготовления, в частности, стирольных блок-сополимеров. Обзор всесторонних исследований в области химии полимеризации с использованием живых нитроксильных радикалов составили C. J. Hawker, A. W. Bosman и E. Harth (Chem. Rev., 2001 г., т. 101. № 12, с. 3661-3688). Согласно данному обзору, стирольные блок-сополимеры можно синтезировать способами с использованием живых или устойчивых свободных радикалов. Способы полимеризации с использованием нитроксильных радикалов представляют собой предпочтительные процессы полимеризации с использованием живых цепей или устойчивых свободных радикалов в целях изготовление полимеров-предшественников.

2. Полимерная структура

Один аспект настоящего изобретения относится к полимерной структуре сульфонированных блок-сополимеров. Согласно одному варианту осуществления, нейтрализованные блок-сополимеры содержат, по меньшей мере, два полимерных концевых или внешних блока A и, по меньшей мере, один насыщенный полимер внутренний блок B, причем каждый блок A представляет собой полимерный блок, который является устойчивым к сульфонированию, и каждый блок B представляет собой полимерный блок, который является склонным к сульфонированию.

Предпочтительные структуры блок-сополимеров имеют общую конфигурацию A-B-A, (A-B)n(A), (A-B-A)n, (A-B-A)nX, (A-B)nX, A-B-D-B-A, A-D-B-D-A, (A-D-B)n(A), (A-B-D)n(A), (A-B-D)nX, (A-D-B)nX или их смеси, где n представляет собой целое число от 2 до приблизительно 30, X представляет собой остаток связующего вещества, и A, B и D являются такими, как определено далее в настоящем документе.

Наиболее предпочтительные структуры представляют собой линейные структуры, такие как A-B-A, (A-B)2X, A-B-D-B-A, (A-B-D)2X, A-D-B-D-A, и (A-D-B)2X и радиальные структуры, такие как (A-B)nX и (A-D-B)nX, где n составляет от 3 до 6. Такие блок-сополимеры, как правило, получаются, когда осуществляется анионная полимеризация, полимеризация с использованием устойчивых свободных радикалов, катионная полимеризация или полимеризация с использованием катализаторов Циглера-Натта. Предпочтительно блок-сополимеры изготавливают в процессе анионной полимеризации. Специалисты в данной области техники понимают, что в любом процессе полимеризации полимерная смесь будет содержать в определенном количестве A-B диблок-сополимер в дополнение к любым линейным и/или радиальным полимерам. Обнаружено, что соответствующие количества не наносят ущерб.

Блоки A представляют собой один или несколько сегментов, в качестве которых выбираются полимеризованные (i) пара-замещенные стирольные мономеры, (ii) этилен, (iii) альфа-олефины, содержащие от 3 до 18 атомов углерода; (iv) 1,3-циклодиеновые мономеры, (v) мономеры сопряженных диенов, в которых содержание винильных групп составляет менее чем 35 мол.% перед гидрированием, (vi) сложные эфиры акриловой кислоты, (vii) сложные эфиры метакриловой кислоты и (viii) их смеси. Если сегменты A представляют собой полимеры 1,3-циклодиена или сопряженных диенов, эти сегменты будут гидрироваться после полимеризацией блок-сополимера и перед сульфонированием блок-сополимера.

В качестве пара-замещенных стирольных мономеров выбираются пара-метилстирол, пара-этилстирол, пара-н-пропилстирол, пара-изопропилстирол, пара-н-бутилстирол, пара-втор-бутилстирол, пара-изобутилстирол, пара-трет-бутилстирол, изомеры пара-децилстирола, изомеры пара-додецилстирола и смеси перечисленных выше мономеров. Предпочтительные пара-замещенные стирольные мономеры представляют собой пара-трет-бутилстирол и пара-метилстирол, причем наиболее предпочтительным является пара-трет-бутилстирол. Мономеры могут представлять собой смеси мономеров в зависимости от конкретного источника. Оказывается желательным, что общая чистота пара-замещенных стирольных мономеров составляет, по меньшей мере, 90 мас.%, предпочтительно, по меньшей мере, 95 мас.% и еще предпочтительнее, по меньшей мере, 98 мас.% желательного пара-замещенного стирольного мономера.

Когда блоки A представляют собой полимерные сегменты этилена, может оказаться полезной полимеризация этилена в процессе с использованием катализаторов Циглера-Натта, как описано в работах, которые цитируют в вышеупомянутой обзорной статье G. W. Coates и др., причем данное описание включается в настоящий документ посредством ссылки. Оказывается предпочтительным изготовление этиленовых блоков с использованием способов анионной полимеризации, как описано в патенте США № 3450795, причем данное описание включается в настоящий документ посредством ссылки. Молекулярная масса блока в случае таких этиленовых блоков составляет, как правило, от приблизительно 1000 до приблизительно 60000.

Когда блоки A представляют собой полимеры альфа-олефинов, содержащие от 3 до 18 атомов углерода, такие полимеры изготавливают способом с использованием катализаторов Циглера-Натта, как описано в работах, которые цитируют в вышеупомянутой обзорной статье G. W. Coates и др. Предпочтительно альфа-олефины представляют собой пропилен, бутилен, гексен или октен, причем пропилен является наиболее предпочтительным. Молекулярная масса блока в случае каждого из таких альфа-олефиновых блоков составляет, как правило, от приблизительно 1000 до приблизительно 60000.

Когда блоки A представляют собой гидрированные полимеры 1,3-циклодиеновых мономеров, такие мономеры выбираются из группы, которую составляют 1,3-циклогексадиен, 1,3-циклогептадиен и 1,3-циклооктадиен. Предпочтительный циклодиеновый мономер представляет собой 1,3-циклогексадиен. Полимеризация таких циклодиеновых мономеров описана в патенте США № 6699941, причем данное описание включается в настоящий документ посредством ссылки. При использовании циклодиеновых мономеров оказывается необходимым гидрирование блоков A, поскольку негидрированные полимеризованные циклодиеновые блоки являются склонными к сульфонированию. Соответственно, после синтеза блока A с 1,3-циклодиеновыми мономерами будет гидрироваться блок-сополимер.

Когда блоки A представляют собой гидрированные полимеры сопряженных ациклических диенов, в которых содержание винильных групп составляет менее чем 35 мол.% перед гидрированием, оказывается предпочтительным, что сопряженный диен представляет собой 1,3-бутадиен. Необходимо, чтобы содержание винильных групп в полимере перед гидрированием составляло менее чем 35 мол.% и предпочтительно менее чем 30 мол.%. Согласно определенным вариантам осуществления, содержание винильных групп в полимере перед гидрированием составляет менее чем 25 мол.%, предпочтительнее менее чем 20 мол.% и даже менее чем 15 мол.%, причем более предпочтительное содержание винильных групп в полимере перед гидрированием составляет менее чем 10 мол.%. Таким образом, блоки A имеют кристаллическую структуру, аналогичную кристаллической структуре полиэтилена. Такие структуры блока A описаны в патентах США № 3670054 и № 4107236, причем каждое из данных описаний включается в настоящий документ посредством ссылки.

Блоки A могут также представлять собой полимерные сегменты сложных эфиров акриловой кислоты или сложных эфиров метакриловой кислоты. Такие полимерные блоки можно изготавливать, осуществляя способы, описанные в патенте США № 6767976, причем данное описание включается в настоящий документ посредством ссылки. Конкретные примеры сложных эфиров метакриловой кислоты включают сложные эфиры первичного спирта и метакриловой кислоты, такие как метилметакрилат, этилметакрилат, пропилметакрилат, н-бутилметакрилат, изобутилметакрилат, гексилметакрилат, 2-этилгексилметакрилат, додецилметакрилат, лаурилметакрилат, метоксиэтилметакрилат, диметиламиноэтилметакрилат, диэтиламиноэтилметакрилат, глицидилметакрилат, триметоксисилилпропилметакрилат, трифторметилметакрилат, трифторэтилметакрилат; сложные эфиры вторичного спирта и метакриловой кислоты, такие как изопропилметакрилат, циклогексилметакрилат и изоборнилметакрилат; и сложные эфиры третичного спирта и метакриловой кислоты, такие как трет-бутилметакрилат. Конкретные примеры сложных эфиров акриловой кислоты включают сложные эфиры первичного спирта и акриловой кислоты, такие как метилакрилат, этилакрилат, пропилакрилат, н-бутилакрилат, изобутилакрилат, гексилакрилат, 2-этилгексилакрилат, додецилакрилат, лаурилакрилат, метоксиэтилакрилат, диметиламиноэтилакрилат, диэтиламиноэтилакрилат, глицидилакрилат, триметоксисилилпропилакрилат, трифторметилакрилат, трифторэтилакрилат; сложные эфиры вторичного спирта и акриловой кислоты, такие как изопропилакрилат, циклогексилакрилат и изоборнилакрилат; и сложные эфиры третичного спирта и акриловой кислоты, такие как трет-бутилакрилат. Если необходимо, в качестве исходного материала или исходных материалов можно использовать один или несколько других участвующих в анионной полимеризации мономеров вместе со сложным эфиром (мет)акриловой кислоты. Примеры участвующих в анионной полимеризации мономеров, которые можно необязательно использовать, включают метакриловые или акриловые мономеры, такие как триметилсилилметакрилат, N,N-диметилметакриламид, N,N-диизопропилметакриламид, N,N-диэтилметакриламид, N,N-метилэтилметакриламид, N,N-ди-трет-бутилметакриламид, триметилсилилакрилат, N,N-диметилакриламид, N,N-ди-изопропилакриламид, N,N-метилэтилакриламид и N,N-ди-трет-бутилакриламид. Кроме того, можно использовать многофункциональный участвующий в анионной полимеризации мономер, в молекуле которого присутствуют две или более метакриловых или акриловых структур, таких как структуры сложных эфиров метакриловой кислоты или структуры сложных эфиров акриловой кислоты (например, диакрилат этиленгликоля, диметакрилат этиленгликоля, диакрилат 1,4-бутандиола, диметакрилат 1,4-бутандиола, диакрилат 1,6-гександиола, диметакрилат 1,6-гександиола, триметилолпропантриакрилат и триметилолпропантриметакрилат).

В процессах полимеризации, используемых для изготовления полимерных блоков сложных эфиров акриловой кислоты или сложных эфиров метакриловой кислоты, можно использовать только один из мономеров, например, сложный эфир (мет)акриловой кислоты, или два или более сложных эфиров можно использовать в сочетании. Когда два или более мономеров используются в сочетании, можно осуществлять сополимеризацию в любой форме, в качестве которой выбирается статистическая, блочная, конусообразная блочная и подобная сополимеризация, посредством выбора условий, таких как сочетание мономеров и сроки введения мономеров в полимеризационную систему (например, одновременное введение двух или более мономеров или раздельное введение с интервалами заданной продолжительности).

Блоки A могут также содержать вплоть до 15 мол.% винилароматических мономеров, таких как мономеры, которые присутствуют в блоках B, и которые будут далее обсуждаться более подробно. Согласно некоторым вариантам осуществления, блоки A могут содержать вплоть до 10 мол.%, причем предпочтительно они содержат только вплоть до 5 мол.% и особенно предпочтительно только вплоть до 2 мол.% винилароматических мономеров, которые упомянуты для блоков B. Однако, согласно наиболее предпочтительным вариантам осуществления, в блоках A не содержатся виниловые мономеры, которые присутствуют в блоках B. Уровень сульфонирования в блоках A может составлять от 0 вплоть до 15 мол.% суммарного содержания мономеров в блоках A. Специалисты в данной области техники понимают, что подходящие интервалы включают любое сочетание упомянутых молярных процентных соотношений, даже если в настоящем документе не определяются конкретные сочетания и интервалы.

Блоки B в каждом случае включает сегменты одного или нескольких полимеризованных винилароматических мономеров, в качестве которых выбираются незамещенный стирольный мономер, орто-замещенные стирольные мономеры, мета-замещенные стирольные мономеры, альфа-метилстирольный мономер, 1,1-дифенилэтиленовый мономер, 1,2-дифенилэтиленовый мономер и их смеси. Помимо мономеров и полимеров, которые упомянуты выше, блоки B могут также включают частично или полностью гидрированный сополимер такого мономера (мономеров) с сопряженным диеном, в качестве которого выбираются 1,3-бутадиен, изопрен и их смеси, причем содержание винильных групп составляет от 20 и 80 мол.%. Эти сополимеры с частично или полностью гидрированными диенами могут представлять собой статистические сополимеры, конусообразные сополимеры, блок-сополимеры или имеющие регулируемое распределение сополимеры. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, блоки B по выбору являются частично или полностью гидрированными и включают сополимер сопряженных диенов и винилароматических мономеров, упомянутых в данном абзаце. Согласно другому предпочтительному варианту осуществления, блоки B представляют собой содержащие незамещенный стирольный мономер блоки, которые являются насыщенными в силу природы мономера, и для них не требуется дополнительная технологическая стадия гидрирования. Блоки B, имеющие структуру с регулируемым распределением, описаны в патенте США № 7169848, причем данное описание включается в настоящий документ посредством ссылки. В патенте США № 7169848 также описывается изготовление сульфонированных блок-сополимеров. В настоящем документе описаны блоки B, включающие стирольный блок. Согласно предпочтительному варианту осуществления, блоки B состоят из незамещенного стирола, и для них не требуется отдельная стадия гидрирования.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения, блок-сополимер включает, по меньшей мере, один модифицирующий ударопрочность блок D, у которого температура стеклования составляет менее чем 20°C. Согласно одному варианту осуществления, модифицирующий ударопрочность блок D включает гидрированный полимер или сополимер сопряженного диена, в качестве которого выбираютсяизопрен, 1,3-бутадиен и их смеси, причем бутадиеновая часть в полимерном блоке имеет содержание винильных групп перед гидрированием, составляющее от 20 до 80 мол.%, и полимерный блок имеет среднечисленную молекулярную массу, составляющую от 1000 до 50000. Согласно другому варианту осуществления, модифицирующий ударопрочность блок D включает акрилатный или кремнийорганический полимер, у которого среднечисленная молекулярная масса составляет от 1000 до 50000. Согласно следующему варианту осуществления, модифицирующий ударопрочность блок D представляет собой изобутиленовый полимерный блок, у которого среднечисленная молекулярная масса составляет от 1000 до 50000.

Каждый блок A независимо имеет среднечисленную молекулярную массу, составляющую от приблизительно 1000 до приблизительно 60000, и каждый блок B независимо имеет среднечисленную молекулярную массу, составляющую от приблизительно 10000 до приблизительно 300000. Каждый блок A имеет среднечисленную молекулярную массу, составляющую предпочтительно от 2000 до 50000, предпочтительнее от 3000 до 40000 и еще предпочтительнее от 3000 до 30000. каждый блок B имеет среднечисленную молекулярную массу, составляющую предпочтительно от 15000 до 250000, предпочтительнее от 20000 до 200000 и еще предпочтительнее от 30000 до 100000. Специалисты в данной области техники понимают, что подходящие интервалы включают любое сочетание упомянутых среднечисленных молекулярных масс, даже если в настоящем документе не определяются конкретные сочетания и интервалы. Эти молекулярные массы наиболее точно определяются в измерениях рассеяния света и выражаются как среднечисленная молекулярная масса. Предпочтительные сульфонированные полимеры содержат от приблизительно 8 мол.% до приблизительно 80 мол.% и предпочтительно от приблизительно 10 до приблизительно 60 мол.% блоков A, предпочтительнее более чем 15 мол.% блоков A и еще предпочтительнее от приблизительно 20 до приблизительно 50 мол.% блоков A.

Относительное количество винилароматических мономеров, которые представляют собой незамещенный стирольный мономер, орто-замещенный стирольный мономер, мета-замещенный стирольный мономер, альфа-метилстирольный мономер, 1,1-дифенилэтиленовый мономер и 1,2-дифенилэтиленовый мономер, в сульфонированном блок-сополимере составляет от приблизительно 5 до приблизительно 90 мол.%, предпочтительно от приблизительно 5 до приблизительно 85 мол.%. Согласно альтернативным вариантам осуществления, данное количество составляет от приблизительно 10 до приблизительно 80 мол.%, предпочтительно от приблизительно 10 до приблизительно 75 мол.%, предпочтительнее от приблизительно 15 до приблизительно 75 мол.%, причем наиболее предпочтительный интервал составляет от приблизительно 25 до приблизительно 70 мол.%. Специалисты в данной области техники понимают, что подходящие интервалы включают любое сочетание упомянутых молярных процентных соотношений, даже если в настоящем документе не определяются конкретное сочетание.

Согласно предпочтительному варианту осуществления, молярное процентное содержание винилароматических мономеров, которые представляют собой незамещенный стирольный мономер, орто-замещенный стирольный мономер, мета-замещенный стирольный мономер, альфа-метилстирольный мономер, 1,1-дифенилэтиленовый мономер и 1,2-дифенилэтиленовый мономер, в каждом блоке B составляет от приблизительно 10 до приблизительно 100 мол.%, предпочтительно от приблизительно 25 до приблизительно 100 мол.%, предпочтительнее от приблизительно 50 до приблизительно 100 мол.%, еще предпочтительнее от приблизительно 75 до приблизительно 100 мол.% и наиболее предпочтительно 100 мол.%. Специалисты в данной области техники понимают, что подходящие интервалы включают любое сочетание упомянутых молярных процентных соотношений, даже если в настоящем документе не определяются конкретные сочетания и интервалы.

Типичные уровни сульфонирования определяются таким образом, что каждый блок B содержит одну или несколько сульфоновых функциональных групп. Предпочтительные уровни сульфонирования составляют от 10 до 100 мол.%, предпочтительнее приблизительно от 20 до 95 мол.% и еще предпочтительнее приблизительно от 30 до 90 мол.% по отношению к молярному процентному содержанию винилароматических мономеров, которые представляют собой незамещенный стирольный мономер, орто-замещенный стирольный мономер, мета-замещенный стирольный мономер, альфа-метилстирольный мономер, 1,1-дифенилэтиленовый мономер и 1,2-дифенилэтиленовый мономер, в каждом блоке B. Специалисты в данной области техники понимают, что подходящие интервалы сульфонирования включают любое сочетание конкретных молярных процентных соотношений, даже если в настоящем документе не определяются конкретные сочетания и интервалы. Уровень сульфонирования определяется посредством титрования образца сухого полимера, который повторно растворяется в тетрагидрофуране стандартным раствором NaOH в смешанном водно-спиртовом растворителе.

3. Общий способ анионной полимеризации для изготовления полимеров

Способ анионной полимеризации представляет собой полимеризацию подходящих мономеров в растворе, содержащем литиевый инициатор. Растворитель, используемый в качестве полимеризационной среды, может представлять собой любой углеводород, который не реагирует с концом живой анионной цепи образующегося полимера, легко содержится в промышленных полимеризационных установках и обеспечивает надлежащие характеристики растворимости для получаемого полимера. Например, неполярные алифатические углеводороды, в которых, как правило, отсутствуют способные ионизироваться атомы водорода, представляют собой особенно подходящие растворители. Часто используются циклические алканы, такие как циклопентан, циклогексан, циклогептан и циклооктан, причем все они являются относительно неполярными. Специалистам в данной области техники известны и другие подходящие растворители, которые могут быть выбраны для эффективного функционирования при данном сочетании технологических условий, в числе которых температура полимеризации представляет собой один из основных факторов, принимаемых во внимание.

Исходные материалы для изготовления блок-сополимеров согласно настоящему изобретению включают исходные мономеры, упомянутые выше. Кроме того, важные исходные материалы для анионной сополимеризации включают один или несколько инициаторов полимеризации. Согласно настоящему изобретению, подходящие инициаторы включают, например, алкиллитиевые соединения, такие как втор-бутиллитий, н-бутиллитий, трет-бутиллитий, амиллитий и т.п., а также другие литийорганические соединения, включающие двойные инициаторы, такие как двойной аддукт втор-бутиллития и м-диизопропенилбензол. Кроме того, такие двойные инициаторы описаны в патенте США № 6492469, причем данное описание включается в настоящий документ посредством ссылки. В числе разнообразных инициаторов полимеризации предпочтительным является втор-бутиллитий. Инициатор можно использовать в полимеризационной смеси, содержащей мономеры и растворитель, в количестве, вычисляемом в расчете на одну молекулу инициатора на желательную полимерную цепь. Способ с использованием литиевого инициатора хорошо известен и описан, например, в патентах США № 4039593 и Re. 27145, причем каждое из данных описаний включается в настоящий документ посредством ссылки.

Условия полимеризации для изготовления