ES2236885T3 - Preparacion de ester de colofonia de aceite de tall con un bajo nivel de olor. - Google Patents

Preparacion de ester de colofonia de aceite de tall con un bajo nivel de olor.

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Abstract

LA INVENCION SE REFIERE A UN PROCESO PARA LA PREPARACION DE UN ESTER DE RESINA DE TALL OIL CON BAJO NIVEL DE OLOR, CUYO PROCESO INCLUYE UN PASO DE ESTERIFICACION EN EL QUE SE ESTERIFICA UNA RESINA DE TALL OIL CON UN POLIOL A FIN DE FORMAR UN PRODUCTO QUE CONTIENE UN ESTER DE RESINA DE TALL OIL, Y DONDE SE EFECTUA LA EVAPORACION DE ESTE PRODUCTO A FIN DE ELIMINAR LOS COMPONENTES DE OLOR Y OTROS COMPONENTES VOLATILES DEL PRODUCTO, CUYA EVAPORACION SE EFECTUA EN UN EVAPORADOR DE TRAYECTO CORTO QUE CONSTA DE UNA SUPERFICIE DE EVAPORACION Y, EN LA VECINDAD DE ESTA SUPERFICIE, UN CONDENSADOR EN EL QUE CONDENSAN LOS COMPONENTES VAPORIZADOS A ELIMINAR, DE MODO QUE SE RECUPERA DEL EVAPORADOR UN ESTER DE RESINA DE TALL OIL CON BAJO NIVEL DE OLOR.

Description

Preparación de éster de colofonia de aceite de tall con un bajo nivel de olor.
Campo de la invención
La invención se refiere a un proceso para preparar un éster de colofonia de aceite de tall con un bajo nivel de olor, utilizable en aplicaciones con mucha demanda.
Descripción de la técnica anterior
El aceite de tall se obtiene como subproducto del proceso de producción de pasta papelera al sulfato en forma de jabón que está acidifica con ácido sulfúrico antes de la destilación. La brea, la colofonia y el ácido graso se separan como fracciones principales en la destilación. La colofonia contiene en la estructura diterpeno principal ácidos tricíclicos monocarboxílicos en C_{20} cuya proporción en la colofonia de aceite de tall es usualmente del orden de 85-95%. El resto se compone de ácidos grasos y productos neutros que son varios anhídridos, fenoles, esteroles y alcoholes diterpénicos o aldehídos. Como resultado del proceso al sulfato, la colofonia de aceite de tall contiene también pequeñas cantidades de varios compuestos orgánicos de azufre (total de azufre aproximadamente 1000 ppm), que se considera dan a la colofonia de aceite de tall su típico olor algo desagradable, claramente diferenciable de la colofonia de goma, por ejemplo.
Una aplicación de la colofonia es su refinación ulterior en un aditivo que da adhesividad a los adhesivos. Estas resinas adhesivas son lo más frecuentemente colofonias polimerizadas o bien ésteres de colofonia, que se obtienen dejando reaccionar a los polioles, tales como el pentaeritritol, glicerol o los glicoles, con ácidos de colofonia. Típicamente, la preparación de ésteres de colofonia tiene lugar en un proceso por tandas en estado fundido y a temperaturas muy altas (250-300ºC). Para acelerar la reacción es común el uso de catalizadores, y para conseguir una esterificación suficientemente completa se necesita generalmente un exceso de aproximadamente 15-20% de poliol con relación a su cantidad estequiométrica (McSweeney, E.E.: Arlt, H.G., Jr.; Russell, J., Ends., Tall Oil and its Uses - II, Pulp Chemical Association, Inc., New York (1987)). El avance de la reacción va seguido por la determinación del índice de acidez, que es típicamente del orden de 160-180 mg KOH/g para la colofonia y dentro del intervalo de 5-15 para el producto final, éster de colofonia. El tiempo de reacción en la producción a escala industrial es típicamente de 20-30 horas, lo que incluye una eliminación al vapor de agua de unas pocas horas que se lleva a cabo habitualmente como paso final. El propósito de la eliminación es, a modo de destilación al vapor de agua, retirar del producto de reacción todos los producto neutros, y en particular, los componentes de olor presentes en la colofonia. Ello hace también subir al punto de reblandecimiento del producto, que está considerado como una propiedad deseable. Sin embargo, la eliminación llevada a cabo con vapor de agua no es capaz de retirar los productos neutros y componentes de olor de un modo tan completo como sería deseable considerando los usos de los ésteres de colofonia. Esta propiedad del producto se ha convertido efectivamente en estos últimos años en un criterio de calidad muy significativo en la comparación de los ésteres de colofonia de aceite de tall con los correspondientes ésteres preparados a partir de colofonia de goma o con resinas hidrocarbonadas vendidas para los mismos usos. El olor típico de los ésteres de colofonia de goma se deriva de los residuos de trementina, que el citado tipo de colofonia contiene en cantidades mayores que la colofonia de aceite de tall. Por otro lado, en el tratamiento de la colofonia de goma no se usan productos químicos que contengan azufre, y por consiguiente no se forman en ella los compuestos orgánicos de azufre correspondientes que ocasionan el olor desagradable. Los usos con demanda especial de ésteres de colofonia incluyen los adhesivos termofusibles para productos higiénicos y productos de envasado de alimentos, y también el uso de ésteres de glicerol de colofonia como agente ligante en mezclas de goma de mascar.
El nivel de olor está correlacionado con la concentración de compuestos orgánicos volátiles (VOC) en el producto; VOC es una cantidad que puede ser indicada por mediciones en comparación con la intensidad de olor que se puede evaluar únicamente de manera subjetiva. Por consiguiente, la reducción de las concentraciones de VOC en los ésteres de colofonia preparados por el proceso de acuerdo con la invención en comparación con productos convencionales correspondientes es presentada a continuación.
La esterificación de la colofonia es bien conocida como reacción química, y durante décadas se han presentado publicaciones y patentes relativas a la misma. Sin embargo, continuamente se crean nuevas invenciones destinadas a mejorar los procesos y la calidad del producto y, en particular, numerosos métodos destinados a mejorar el color del éster de colofonia han sido patentados en los últimos 10-15 años. Como ejemplos típicos de ellos, describiendo en general tanto la esterificación como varios catalizadores y otros aditivos para mejorar las propiedades del producto, podemos mencionar, por ejemplo, las patentes US 3.780.013, 4.548.746, 4.659.514 y 4.962.186, así como las patentes citadas aquí como referencias. No se han encontrado publicaciones que hagan referencia expresa a la eliminación de los componentes de olor de los ésteres de colofonia, pero conviene citar la patente GB-1.296.480, que describe un proceso para reducir los componentes de color y de olor de la colofonia de aceite de tall. En este proceso, la colofonia es termotratada primeramente a una temperatura de 240-280ºC durante 2-8 horas con el fin de convertir los componentes de color y de olor en una fracción pesada, y posteriormente la colofonia termotratada es redestilada, con el fin de recuperar como destilado una colofonia que tiene un nivel más bajo de color y de olor y la mencionada fracción pesada se recupera como residuo de la destilación. Como opción técnica, el paso de calentamiento separado en un reactor y la redestilación son lentos y costosos considerando la refinación ulterior de la colofonia así obtenida.
Descripción de la invención
La presente invención se refiere a un proceso para la preparación de un éster de colofonia de aceite de tall con un bajo nivel de olor, proceso que comprende un paso de esterificación en el que se esterifica la colofonia de aceite de tall con un poliol para formar un producto que contiene un éster de colofonia de aceite de tall, estando caracterizado el proceso porque el producto obtenido de la esterificación se somete a evaporación para eliminar los componentes de olor y otros componentes volátiles del producto, cuya evaporación se lleva a cabo en un evaporador de trayecto corto que tiene una superficie de evaporación y en su proximidad un condensador en el que se condensan los componentes vaporizados retirados, recuperándose entonces del evaporador un éster de colofonia de aceite de tall con un bajo nivel de olor.
El proceso de acuerdo con la presente invención para preparar un éster de colofonia es apropiado en general para ésteres de colofonia pero en particular para ésteres de colofonia que tienen un punto de reblandecimiento de anillo y bola (ASTM E28-92) que es mayor que 70ºC. Los polioles usados más corrientemente para la preparación de esteres de colofonia que tengan el citado intervalo de punto de reblandecimiento incluyen el glicerol y pentaeritritol. La colofonia inicial usada puede ser una colofonia de aceite de tall que tenga un punto de reblandecimiento comprendido dentro de un intervalo de aproximadamente 55-75ºC, pero preferiblemente dentro de un intervalo de aproximadamente 65-70ºC. También se puede usar como colofonia inicial una colofonia de una calidad menor que la convencional, es decir, una colofonia con un punto de reblandecimiento más bajo. La colofonia modificada de varios modos es también una sustancia inicial apropiada. Modificaciones conocidas de la colofonia incluyen la dimerización y el reforzamiento de la colofonia con productos químicos que reaccionan por el mecanismo Diels-Alder, siendo el ácido fumárico y anhídrido maleico los usados más comúnmente.
La esterificación se lleva a cabo ventajosamente en presencia de un catalizador, incluyendo los catalizadores apropiados catalizadores de esterificación usados comúnmente tales como ácido p-tolueno sulfónico, ácido hipofosforoso, o ciertos catalizadores comerciales especiales tales como Irganox 1425 o Irganox B551 (Fabricante Ciba-Geigy). Irganox 1425 es químicamente calcio [monoetil(3,5-di-terciario butil-4-hidroxibencil)fosfonato], e Irganox B551 es una mezcla del anterior y de Irganox 415 (4,4'-tiobis[2-(1,1-dimetiletil)-5-metilfenol]) a una razón de 1:1. Es también posible, desde luego, añadir al producto otros aditivos usados comúnmente, tales como antioxidantes, para mejorar la estabilidad térmica.
De acuerdo con una realización preferida, la cantidad de poliol se encuentra a una razón sensiblemente equivalente con la colofonia, en cuyo caso la cantidad de poliol en proporción a la colofonia es con preferencia de aproximadamente 0,9-1,1:1. Esto constituye una clara diferencia en comparación con la esterificación convencional, en la que se usa típicamente un exceso de poliol del 15-20% aproximadamente.
De acuerdo con la invención, la esterificación se lleva a cabo de una manera conocida hasta que el índice de acidez descienda a un nivel de aproximadamente 15-35, con preferencia a un intervalo de aproximadamente 20-28. En un aparato de producción a escala industrial esto se produce en un tiempo considerablemente más breve, aproximadamente 13-17 horas, que en la esterificación convencional a un índice de acidez de 5-10, puesto que el avance de la reacción se ralentiza considerablemente una vez que el índice de acidez alcanza un nivel de 30-25.
El paso subsiguiente en el proceso de preparación es el tratamiento del producto de esterificación en un evaporador llamado de trayecto corto, en el que se alimenta el éster de colofonia dentro de una columna cilíndrica equipada con un rotor especial para esparcir el líquido alimentado en una película fina sobre la superficie interior del cilindro. Se produce un vacio apropiado, aproximadamente 0,1-20 mbar, más preferiblemente 0,2-4 mbar aproximadamente, en el evaporador mediante succión. Después de lo cual las sustancias neutras y los ácidos grasos, derivados de la colofonia de aceite de tall presentes en el éster de colofonia se evaporan junto con la colofonia que no ha reaccionado. La temperatura de la superficie de evaporación es típicamente de 150-280ºC aproximadamente, y más preferiblemente 220-260ºC aproximadamente. La condensación de los componentes volátiles sobre un denominado dedo frio se produce en el centro del cilindro; éste es un condensador de destilado enfriado por separado. Un aparato de evaporación de este tipo tiene la ventaja de la rápida condensación de los componentes destilables, puesto que la distancia desde la superficie de evaporación a la superficie del condensador es notablemente más corta que cuando se usa un aparato convencional basado en un condensador exterior. El aparato descrito permite alcanzar un buen nivel de vacio, que es un requisito previo para lograr la evaporación deseada. El flujo de destilado y el producto actual se obtienen del evaporador de trayecto corto vía conexiones separadas. Es típico del éster de colofonia tratado en el evaporador que el índice de acidez descienda a un nivel de aproximadamente 0,2-10, más preferiblemente a un nivel de aproximadamente 2-6, que es más bajo que el índice de acidez, típicamente 8-15, de los ésteres de colofonia preparados de una manera convencional. Al mismo tiempo, el punto de reblandecimiento asciende a un nivel más alto que para los ésteres retirados de una manera convencional en un reactor con vapor de agua. El punto de reblandecimiento del éster de pentaeritritol se puede llevar a aproximadamente un nivel de 103-108ºC si se baja el índice de acidez a un nivel de aproximadamente 0,5-3, y respectivamente a un nivel de aproximadamente 98-102ºC si el índice de acidez es de un orden de aproximadamente 4-6. El tratamiento en el evaporador de trayecto corto deteriora muy poco el calor del éster del colofonia, que es también una propiedad importante del producto en lo que respecta a los adhesivos termofusibles. La composición del destilado varía, desde luego, dependiendo de las condiciones de evaporación seleccionadas (vacio y la temperatura de la superficie de evaporación, así como la cantidad de alimentación, pero la proporción de componentes neutros es típicamente del orden del 30-50%, consistiendo el resto en ácidos grasos y colofonia que no ha reaccionado. La cantidad de destilado es típicamente del 5-20% en peso aproximadamente de la cantidad de alimentación. La falta de olor en el producto y su bajo contenido de VOC se deben pues a una disminución considerable en las concentraciones, en el producto mismo, de los componentes separados en la evaporación de trayecto corto.
La invención será descrita a continuación con más detalle con la ayuda de ejemplos y pruebas comparativas. Los porcentajes son porcentajes en peso a menos que se indique otra cosa.
Ejemplos
A continuación se presenta dos ejemplos de la preparación de éster de glicerol de colofonia y éster de pentaeritritol de colofonia a escala de laboratorio por el proceso de acuerdo con la invención.
Ejemplo 1
Se colocaron 200 g de una colofonia de aceite de tall que tenía un punto de reblandecimiento de 61ºC, un índice de acidez de 172,0 y un contenido no saponificable del 7,8% en un matraz de vidrio apropiado equipado con un termómetro y un removedor. Se fundió la colofonia en una atmósfera de nitrógeno a una temperatura de aproximadamente 180ºC, y se añadieron en el recipiente de reacción, como catalizador, 0,8 g de catalizador industrial Irganox B551 (Ciba-Geigy) e inmediatamente después, 18 g de glicerol en etapas. El recipiente de reacción fue equipado con un condensador de reflujo en el que circuló un aceite de condensación a 120º aproximadamente permitiendo así que el agua desprendida en la esterificación dejase el reactor pero impidiendo la evaporación del glicerol. Se elevó la temperatura de la mezcla de reacción a 275ºC y se mantuvo así durante dos horas, después de lo cual el índice de acidez del éster de glicerol descendió a 20,9 y su punto de reblandecimiento fue de 69ºC. Se enfrió el producto a 220ºC y posteriormente se introdujo en un evaporador de trayecto corto que tenía una temperatura de manto de 240ºC y una presión de 0,2 mbar. La tasa de alimentación fue de 200 ml/h, y la velocidad de rotación del rotor fue 200. La cantidad de destilado separado fue del 15%, y su índice de acidez fue 108,3 y la proporción de componentes neutros en el destilado fue sorprendentemente alta, 36,3, lo que pone de manifiesto que el residuo de productos neutros en el producto mismo había descendido a un nivel considerablemente bajo. El índice de acidez del éster de colofonia obtenido como producto descendió a 0,8 en la evaporación, y su punto de reblandecimiento ascendió sorprendentemente a 89ºC. El color de la colofonia inicial determinado por el método ASTM D 509-70 fue XA-X y el del producto, X-WW respectivamente, lo que indicó que el producto se volvió algo más oscuro en el
evaporador.
Ejemplo 2
Usando el aparato descrito en el ejemplo precedente, pero sin el condensador de reflujo, se preparó éster de pentaeritritol por tandas dentro del matraz de 200 g de una colofonia que tenía un punto de reblandecimiento de 69ºC y un índice de acidez de 177,5. Se le añadió como catalizador 0,4 g de agente blanqueador de Ciba-Geigy Irganox 415 y 0,8 g de catalizador Irganox 1425, así como 24 g de pentaeritritol, a una temperatura de 210-240ºC. La esterificación durante 3 horas a 280ºC hizo disminuir el índice de acidez a 18,4, y el punto de reblandecimiento medido fue de 92ºC. Adicionalmente, la evaporación en las condiciones descritas en el ejemplo 1 produjo un éster de pentaeritritol que tenía un índice de acidez de 2,0, un punto de reblandecimiento de 107ºC, y un color de WW-WG. El rendimiento de destilado fue del 11,5%, su índice de acidez fue 126,0 y su contenido de no saponificables fue del 29,3%. Resultó también sorprendente en este experimento que el punto de reblandecimiento aumentase 15ºC durante el tratamiento de evaporación y que el contenido de productos neutros en el destilado fuese alto.
El siguiente ejemplo ilustra la preparación, a escala industrial, de una tanda experimental de éster de pentaeritritol por el método de acuerdo con la invención.
Ejemplo 3
Se introdujo por tandas colofonia fundida, cuyo punto de reblandecimiento medido fue 65ºC, dentro de un reactor en una cantidad de 9500 kg, en una atmósfera de nitrógeno. A una temperatura de 205-210ºC, se añadieron 35 kg de Irganox B551 e inmediatamente después 1050 kg de pentaeritritol en etapas, de forma que la temperatura permaneciese por encima de 195ºC durante la adición.
La temperatura se elevó constantemente a 275ºC mientras se añadía al reactor algo de nitrógeno de aclarado. La esterificación fue seguida por la determinación del índice de acidez en función del tiempo. Cuando la tasa de descanso del índice de acidez se había ralentizado considerablemente a menos de 3 unidades por hora, se enfrío la tanda a 255ºC, y el producto fue bombeado a un evaporador de trayecto corto. El tiempo desde la formación de tandas con vistas hasta el vaciado del reactor fue de 13 horas. El punto de reblandecimiento había ascendido en esta etapa a 84ºC y el índice de acidez del éster fue de 23,9 antes de la evaporación. El éster fue alimentado a una tasa de 2200 kg/h al evaporador de trayecto corto que tenía una temperatura de manto de 240ºC y una presión de aproximadamente un mbar. El rendimiento del producto final fue del 85,8% de la alimentación del evaporador, y los análisis convencionales fueron como siguen: índice de acidez 5,5, punto de reblandecimiento 100ºC; y color XC-XB. El índice de acidez del destilado fue 102.
Pruebas de comparación del nivel de olor
Con el fin de evaluar los niveles de olor de los ésteres preparados usando un evaporador de trayecto corto, se llevó a cabo una prueba de olor en la que cinco personas pertenecientes a un grupo de olor, entrenadas en la tarea, ejecutaron evaluaciones de olor.
Tratamiento del espécimen de olor: se colocaron 50 g del éster de colofonia a ensayar, decimado, en un matraz de vidrio de 1 litro cuidadosamente desinfectado, marrón y de boca ancha, equipado con un tapón esmerilado, y se vertió 50 ml de agua destilada sobre el éster de colofonia. El matraz cerrado fue colocado sobre un baño de agua hirviendo durante 2 horas, y después se colocó el matraz sobre un plato caliente a 60ºC en un laboratorio de olor separado durante 1 hora.
Realización de la prueba: La prueba cubre 5 especímenes diferentes que los probadores seleccionados valoran sensorialmente aspirando los matraces de espécimen momentáneamente abiertos. Como resultado, cada probador pone el espécimen en un orden de acuerdo con un nivel de olor creciente. El resultado de toda la prueba es calculado estadísticamente de forma que el resultado de cada probador sea comparado con la media, y si el coeficiente de correlación así obtenido de un probador individual permanece por debajo de un cierto nivel, el resultado de este probador se excluye del cálculo del resultado final. La valoración de olor del equipo de expertos puede considerarse fiable cuando al menos cuatro probadores alcanzan una correlación aceptable con la media. La intensidad relativa del olor entre los especímenes evaluados es descrita con un número que va de 1 a 5, recibiendo el espécimen de nivel de olor más bajo el valor número más bajo y el espécimen con el nivel de olor más alto, el valor numérico más
alto.
Para esta prueba se seleccionaron, entre los ésteres de colofonia preparados por el nuevo proceso de acuerdo con la invención, dos ésteres de pentaeritritol (A, B) y un éster de glicerol (C) y, como controles dos ésteres de glicerol preparados por el procedimiento convencional, es decir, esterificación y finalmente separación al vapor de agua, siendo uno de ellos una colofonia de una calidad de colofonia llamada adhesiva (D) y el otro una colofonia de la calidad alimenticia (E), utilizable para una mezcla de goma de mascar. La tabla que sigue muestra los resultados de la prueba, en la que se aceptaron los cinco probadores para el cálculo del resultado final, y el resultado puede considerarse por tanto fiable.
1
De acuerdo con el resultado, el nivel de olor de los ésteres de colofonia preparados por el proceso de acuerdo con la invención fue menor que el de los ésteres de glicerol usados como controles, habiéndose seleccionado estos últimos entre los productos que representan el mejor nivel con respecto a la propiedad que se está probando.
Otro método para la evaluación del nivel de olor consistió en evaluar en el producto la cantidad de compuestos volátiles, es decir, la denominada concentración VOC, que está correlacionada con el olor que se puede percibir sensorialmente. Para medir esta propiedad, nuestro laboratorio usó un método en el que se pesaron 20 gramos del producto que se estaba ensayando un pequeño molde de aluminio, y posteriormente se mantuvo el espécimen durante 5 horas en un horno de convección a 180ºC. Después del tratamiento térmico se determinó la reducción de la masa por pesada, y la pérdida de peso está indicada en porcentaje. Esteres de glicerol y de pentaeritritol, preparados por un procedimiento convencional, fueron ensayados junto con ésteres de colofonia preparados por el proceso de evaporación. Se midieron las siguientes pérdidas de peso en el estudio para los diferentes especímenes:
2
Por estos resultados de mediciones de pérdida de peso puede verse claramente que se reduce claramente los residuos de componentes volátiles en los ésteres de colofonia de aceite de tall preparados por el nuevo proceso de acuerdo con la invención.

Claims (8)

1. Proceso para la preparación de un éster de colofonia de aceite de tall con un bajo nivel de olor, proceso que comprende un paso de esterificación en el que se esterifica la colofonia de aceite de tall con un poliol en un recipiente para formar un producto que contiene un éster de colofonia de aceite de tall, caracterizado porque la razón del poliol usado en la esterificación a la colofonia es 0,9-1,1:1, y porque el producto obtenido de la esterificación se somete a evaporación con el fin de eliminar los componentes de olor y otros componentes volátiles del producto, cuya evaporación se lleva a cabo en un evaporador separado de trayecto corto que tiene una superficie de evaporación y en la proximidad de esta superficie un condensador en el que se condensan los componentes vaporizados a retirar, recuperándose entonces del evaporador un éster de colofonia de aceite de tall que tiene un bajo nivel de olor.
2. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque se usa en el evaporador una presión dentro de un intervalo de 0,1-20 mbar, preferiblemente 0,2-4 mbar, y porque la temperatura de la superficie de evaporación es del orden de 150-280ºC, preferiblemente 220-260ºC.
3. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la colofonia a esterificar es colofonia de aceite de tall o colofonia de aceite de tall modificada.
4. Proceso de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque el punto de reblandecimiento de la colofonia es 55-75ºC, preferiblemente 65-70ºC.
5. Proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el poliol usado para la esterificación es glicerol o pentaeritritol.
6. Proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el índice de acidez del producto disminuye durante la esterificación a un nivel de 35-15, preferiblemente 28-20.
7. Proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se retira del producto, durante la etapa de evaporación, 5-20% en peso de una sustancia compuesta principalmente de una mezcla de productos neutros, ácidos grasos y colofonia.
8. Proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el índice de acidez del éster de colofonia de aceite de tall obtenido por la evaporación es 0,2-10, preferiblemente 2-6.
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