ES2271546T3 - Aditivos de construccion basados en guar hidroxialquilo purificado. - Google Patents

Aditivos de construccion basados en guar hidroxialquilo purificado. Download PDF

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Abstract

El guar hidroxialquilo útil como aditivo para productos de construcción caracterizado por el hecho de que contiene del 0, 3 al 1, 5% en peso de glioxal, que no es soluble a pH<7 y es soluble rápida y completamente a pH>8, que su sustitución molar está entre 0, 4 y 2, 0, y que presenta una viscosidad de Brookfield a pH alcalino, 20ºC, 2, 094 radianes/segundo (20 rpm) y 2% en peso superior a

Description

Aditivos de construcción basados en guar hidroxialquilo purificado.
La presente invención se dirige a un guar hidroxialquilo purificado útil como un aditivo para productos de construcción, es decir, espesante y modificador reológico para pinturas y barnices al agua, para mezcla seca de yeso o cemento para revestimientos de paredes, morteros, adhesivos.
Con más detalle, el guar hidroxialquilo de la invención está altamente hidroxialquilado, reticulado por medio de un dialdehído y purificado.
La invención se refiere, además, a un procedimiento para la preparación de dichos aditivos.
Los aditivos de la invención presentan la ventaja tecnológica de ser solubles en agua sólo en pH alcalino, y de proporcionar, cuando están disueltos en agua, una viscosidad muy alta, la cual no se puede obtener con productos similares.
Además, la estabilidad de la viscosidad se mejora y la disolución espesada es más resistente a degradación térmica.
Los derivados del guar hidroxialquilo son ampliamente utilizados en la mayoría de aplicaciones industriales diferentes.
Se obtienen mediante reacción química de los grupos hidróxilos del polisacárido galactomanan, el cual se conoce normalmente como "goma guar" o "guar", con óxidos de alquileno (etileno, propileno, butileno u óxidos mayores), en presencia de un catalizador alcalino (tal como hidróxido sódico).
Se puede introducir sustitución adicional mediante reacción con epóxidos o con éteres de glicidilo de cadena larga.
La goma guar se fabrica mediante el tratamiento termo-mecánico de las semillas de Cyamopsis Tetragonolobus (L.) Taub., una leguminosa cultivada en la región semi-seca de países tropicales, particularmente en India y Pakistán.
Es normal encontrarla en forma de "hendiduras", que son las endospermas de la semilla desprovista de la cáscara y de la parte interior proteínica, el germen, o en forma de polvo de tamaño de partículas diferente, que se obtiene a partir de las hendiduras moliendo.
El galactomanan goma guar consiste en una cadena lineal principal de polimanosa que lleva ramificaciones de unidades de galactosa en una razón molar de aproximadamente 2:1.
Cada anillo del monosacárido porta tres grupos hidróxilos libres que están disponibles para reacción química, estando dos de ellos en la posición "cis".
En la figura 1, se comunica la estructura principal de galactomananas; las unidades de manosa están en la cadena principal y las unidades de galactosa están en las ramificaciones.
Para la goma guar, en particular, el valor de los dos coeficientes x e y es de 1.
Figura 1
Estructura principal de las galactomananas
1
Los derivados de guar hidroxialquilo se usan en las mayoría de las aplicaciones industriales diferentes, tales como, simplemente a modo de ejemplo, en la preparación de pastas de impresión, en la impresión serigráfica de textiles (algodón, lana, seda, etc.); en la formulación de pinturas y barnices al agua; en la preparación de mezclas basadas en yeso o cemento, revestimientos de paredes, adhesivos para baldosas; en la preparación de productos de limpieza o de cosméticos o productos para el cuidado personal, tales como champúes, acondicionadores de cabello, cremas para la piel; en la industrial del papel; en la perforación de pozos petrolíferos; en la preparación de explosivos; en la preparación de disoluciones al agua para luchar contra el fuego.
En todas estas aplicaciones, se explota la propiedad espesante de los derivados del guar hidroxialquilo y sus características de modificadores reológicos para disoluciones acuosas.
Entre los usuarios, aún existe una necesidad tecnológica sustancial de aditivos capaces de transmitir viscosidad muy alta a su disolución acuosa.
Los aditivos comercialmente disponibles apenas pertenecen a dos categorías: productos en bruto, es decir, productos que aún contienen los subproductos indeseados generados durante su preparación química (glicoles, poliglicoles, sales inorgánicas), y productos purificados por medio de reticulación con ácido bórico o sus sales.
La función de la reticulación con ácido bórico es inducir el anión borato para formar puentes entre las cadenas del polisacárido, permitiendo de este modo que el propio polisacárido sea insoluble en agua.
Los puentes de borato son estables en pH alcalino y, en este estado el producto se puede purificar de sus subproductos.
A pH ácido, los enlaces de borato se rompen, el producto llega a ser soluble y puede usarse así como un espesante.
El producto purificado, que posee un porcentaje más alto de sustancia activa que el producto en bruto, presenta claramente mejores características espesantes y reológicas.
El límite del procedimiento de purificación por medio de ácido bórico es que éste sólo es aplicable con productos que se usen a pH ácido o pH casi ácido, en el sentido de que, como se dijo anteriormente, los productos tratados con borato son insolubles a pH mayor que 7.
Muchos derivados de guar hidroxialquilo en bruto diferentes están comercialmente disponibles, y a modo de ejemplo los inventores comunican aquí más adelante algunos de sus nombres comerciales, naturaleza química, valores de viscosidad de Brookfield típicos al 2%, 2,094 radianes/segundo (20 rpm) y 20ºC:
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Esacol OR 18 (Lamberti Spa), HPG, SM aproximadamente 0,8:
viscosidad 8000-11000 mPas;
\vskip1.000000\baselineskip
Esacol HM 22 (Lamberti Spa), HPG hidrofóbicamente modificado, SM 1,3:
viscosidad 16000-19000 mPas;
\vskip1.000000\baselineskip
Indalca AC 40 (Cesalpinia Chemicals SpA), HEG, SM 0,2-0,25:
viscosidad 4000-5000 mPas;
\vskip1.000000\baselineskip
Polycol WP 10 (Polygal), HPG, SM aproximadamente 0,6:
viscosidad 99000-121000 mPas;
\vskip1.000000\baselineskip
Polycol WP 15 (Polygal), HPG, SM aproximadamente 0,6:
viscosidad 11000-130000 mPas;
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Agocel 115D (Agochemical), HPG, SM aproximadamente 1,1:
viscosidad 3500-4000 mPas.
\vskip1.000000\baselineskip
En el texto actual con los acrónimos HPG, HEG y SM los inventores quieren decir, respectivamente guar hidroxipropilo, guar hidroxietilo y sustitución molar (moles de grupos alquilo/moles de unidad monosacárida).
\newpage
Uno de los campos industriales en el cual las propiedades de espesamiento muy alto son necesarias es el campo de las pinturas y barnices al agua; las pinturas y barnices se formulan usualmente a pH superior a 8 y en este intervalo no es posible usar aditivos purificados por medio de ácido bórico.
Otro campo muy interesante es el campo de compuestos de mezclado en seco basados en aglutinantes hidráulicos, en el que el espesante que retiene agua debería ser capaz de transmitir tanto adhesión como facilidad para ser trabajado y debería ser un espesante eficaz incluso si el pH, en la mezcla acuosa la cual se prepara antes de la aplicación, es altamente alcalino.
El intento de usar un procedimiento de purificación, primero, reticulando con glioxal, el cual es estable a pH neutro o ácido y se puede retirar a pH alcalino, y, a continuación, aplicando una etapa de lavado, no fue exitoso, ya que el reticulado con glioxal es difícil de controlar.
En realidad, la reticulación se obtiene a través de la formación de enlaces acetálicos y hemiacetálicos entre los carboxilos de los grupos aldehídicos y los hidroxilos de las unidades de galactosa y manosa.
Los equilibrios de las diversas especies, sin enlazar, hemiacetálico y acetálico, son muy rápidos, complejos y están regidos por diferentes factores tales como la temperatura, su concentración relativa, el pH, como ya se describió, a modo de ejemplo en Recl. Trav. Chim. Pays-Bas, 109, 419-424 (1990).
Un problema típico surge del hecho de que si la cantidad de glioxal es baja (inferior al 2%) el producto no mantiene su insolubilidad el tiempo que es necesario para una etapa de lavado industrial.
Incrementando, incluso poco, la cantidad de glioxal (hasta aproximadamente el 4%), el producto obtenido, quizás debido a reordenaciones intermoleculares que tienen lugar durante la etapa de lavado que lleva a enlaces acetálicos muy estables, llega a ser totalmente o casi totalmente
\hbox{insoluble, incluso en el
pH de uso el cual es superior después a 8.}
En el estado de la técnica, después de haber intentado purificar el guar hidroxialquilo por medio de reticulación de glioxal y lavado subsiguiente, se prefiere usar directamente el producto reticulado en bruto sin lavarlo, como se describe, a modo de ejemplo, en el documento US 5.082.579 o en el documento US 4.028.127.
Ahora se ha encontrado que es posible obtener un guar hidroxialquilo purificado útil como aditivo para producto de construcción, operando como se describe aquí en lo que sigue:
a) un guar hidroxialquilo que tiene una sustitución molar entre 0,4 y 2,0 se trata en forma sólida con una cantidad de glioxal entre el 2 y el 3% en peso, en forma de disolución acuosa a un pH<6, a temperatura ambiente;
b) cuando se acabó este tratamiento, el producto así obtenido se lavó con agua a pH<6 de 30 a 90 minutos, y después se secó y se molió.
El guar hidroxialquilo así purificado contiene una cantidad de glioxal que típicamente oscila del 0,3 al 1,5% en peso, preferiblemente del 0,5 al 0,8% en peso, que no altera su aplicabilidad industrial en la industria de construcción. Preferiblemente, el guar hidroxialquilo útil para la realización de la presente invención se selecciona en el grupo formado por guar hidroxipropilo, guar hidroxietilo y guar hidroxibutilo.
Estos productos están comercializados por Lamberti SpA bajo el nombre genérico comercial de Esacol.
En las formas preferidas de realización de la presente invención, la cantidad de glioxal a añadir está comprendida entre el 2,2 y el 2,8% en peso.
De acuerdo con un aspecto fundamental de la invención, el lavado de la etapa b) permite retirar al menos el 90% de los subproductos, que originalmente estaban presentes en una cantidad de hasta un 25% en peso.
El producto así obtenido no es soluble a pH<7 y es rápida y completamente soluble cuando el pH se eleva a valores superiores a 8.
De acuerdo con un aspecto fundamental de la presente invención, el guar hidroxialquilo purificado útil como aditivo para productos de construcción se caracteriza por el hecho de que contiene del 0,3 al 1,5%, y preferiblemente del 0,5 al 0,8% en peso de glioxal, que es soluble en pH>8, que su sustitución molar está entre 0,4 y 2,0, preferiblemente entre 0,7 y 1,5, y que presenta una viscosidad de Brookfield a 20ºC, 2,094 radianes/segundo (20 rpm) y 2% en peso superior a 20.000 mPas.
Como se indicó previamente anteriormente mientras se describió el procedimiento, se prefieren particularmente los derivados del guar hidroxialquilo en los cuales el grupo hidroxialquilo es hidroxipropilo, hidroxietilo, hidroxibutilo.
Además, y sorprendentemente, el valor de la viscosidad de las disoluciones acuosas que contienen el guar hidroxialquilo purificado de la invención es superior que el esperado en base al incremento de sustancia activa debido al procedimiento de purificación.
Otro aspecto relevante de la presente invención es que la viscosidad de las disoluciones acuosas del guar hidroxialquilo purificado de la invención presenta una estabilidad térmica mejorada comparada con la mostrada por una disolución que contiene la misma cantidad del mismo polisacárido hidroxialilado en bruto.
La capacidad de impartir alta viscosidad a disolución acuosa y de mantener dicha alta velocidad en el tiempo, incluso bajo estrés térmico, constituye un aspecto característico de los aditivos de la invención que los hace particularmente adecuados para usarse en formulaciones para la industria de construcción.
Estas características permiten reducir la cantidad de aditivo en las formulaciones y mejorar la reproducibilidad de tales formulaciones con sus límites de almacenamiento.
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Ejemplo 1
10 kg de guar hidroxipropilo que tiene una SM de 0,8 (determinada por RNM-^{1}H) y una viscosidad de Brookfield de 10.000 mPas (2,094 radianes/segundo (20 rpm), 20ºC, 2% en peso), con un contenido de agua del 8,1% en peso, son removidos en un reactor de 50 L con una mezcla de 3,5 kg de isopropanol, 1,5 kg de agua y 0,2 kg de ácido acético al 80% durante 45 minutos.
El pH se mide después y su valor es de aproximadamente 5.
La atmósfera se hace inerte mediante lavado con ciclos al vacío/nitrógeno.
Se añade después un 40% en peso de disolución acuosa de glioxal, con el fin de obtener un porcentaje total de glioxal del 2,3% en peso en base a la cantidad de guar hidroxipropilo; la temperatura se eleva a continuación hasta 40ºC y la mezcla se remueve durante aproximadamente 1 hora a una temperatura de entre 40ºC y 50ºC.
133 g de la mezcla de reacción así obtenida (HPG crudo glioxalado al 2,3%), con un contenido en agua del 25% en peso, se dispersan en 360 g de agua acidulada (a pH de aproximadamente 5), dejados bajo agitación durante 30 minutos y después filtrados al vacío (40530,108-50662,635 pascales (0,4-0,5 atm)).
El producto húmedo filtrado se lava después añadiendo 240 g de agua acidulada directamente sobre él, y aplicando vacío.
El producto (HPG purificado glioxalado al 2,3%) se seca sobre un secador del lecho fluido con aire caliente hasta que el contenido en agua sea de aproximadamente el 3% en peso y después se muele; se determina su contenido en cenizas y es igual al 0,79% en peso.
El contenido de glioxal enlazado se determina mediante reacción con clorhidrato de 2-hidrazono-2,3-dihidro-3-metilbenzotriazol, de acuerdo con el procedimiento descrito en "Kunststoffe im Lebensmittelverkehr", Ed. Carl Hetmanns Verlag KG, 1999, páginas 228-231 y es igual al 0,78% en peso.
Análogamente se prepararon las muestras siguientes:
HPG crudo glioxalado al 0,24%;
HPG crudo glioxalado al 4%.
Los intentos para llevar a cabo la purificación descrita anteriormente no fueron exitosos con guar hidroxipropilo en bruto glioxalado al 0,24% y al 4% porque, en el caso del HPG glioxalado al 0,24%, el propio producto se disolvió durante la etapa de lavado, y en el caso del HPG glioxalado al 4%, el producto es permanentemente parcialmente insoluble.
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Ejemplo 2
Se midieron las viscosidades de Brookfield, a 20ºC y 2,094 radianes/segundo (20 rpm), de la disolución acuosa al 2% de los productos preparados como se describe en el ejemplo 1. El valor de concentración de las disoluciones se obtuvo dosificando los productos en bruto teniendo en cuenta su contenido activo. Para obtener los valores de pH alcalinos comunicados se añadió NaOH acuoso al 1% a las disoluciones. Las viscosidades se dan en la tabla 1 siguiente.
TABLA 1
Producto Tiempo pH Viscosidad Nota
(h) (mPas)
HPG en bruto glioxalado al 0,24% 2 5 - insoluble
HPG en bruto glioxalado al 0,24% 2 9 18500 soluble
HOPG en bruto glioxalado al 0,24% 24 9 19100 soluble
HPG en bruto glioxalado al 4% 2 9 350 insoluble
HPG purificado glioxalado al 2,3% 2 5 - insoluble
HPG purificado glioxalado al 2,3% 2 9 20600 soluble
HPG purificado glioxalado al 2,3% 48 9 20900 soluble
Para verificar la resistencia térmica de la viscosidad de las dos disoluciones que contienen respectivamente 2% en peso de HPG purificado glioxalado al 2,3% y 2% en peso de HPG en bruto glioxalado al 0,24%, se mantuvo una muestra de ambas disoluciones durante 24 horas a 75ºC.
Se midió la viscosidad de las dos disoluciones a 20ºC y 2,094 radianes/segundo (20 rpm) antes (V_{o}) y después (V_{24}) de este tratamiento térmico. Los valores se dan en la tabla 2.
TABLA 2
Producto V_{o}(mPas) V_{24}(mPas) % resistencia
(V_{24}/V_{o}) x 100
HPG purificado glioxalado al 2,3% 20500 12500 61
HPG en bruto glioxalado al 0,24% 18600 6700 36

Claims (11)

1. El guar hidroxialquilo útil como aditivo para productos de construcción caracterizado por el hecho de que contiene del 0,3 al 1,5% en peso de glioxal, que no es soluble a pH<7 y es soluble rápida y completamente a pH>8, que su sustitución molar está entre 0,4 y 2,0, y que presenta una viscosidad de Brookfield a pH alcalino, 20ºC, 2,094 radianes/segundo (20 rpm) y 2% en peso superior a 2.000 mPas.
2. El guar hidroxialquilo útil como aditivo para productos de construcción de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que su sustitución molar está entre 0,7 y 1,5.
3. El guar hidroxialquilo útil como aditivo para productos de construcción de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por el hecho de que contiene del 0,5 al 0,8% en peso de glioxal.
4. El guar hidroxialquilo útil como aditivo para productos de construcción de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que el grupo hidroxialquilo es hidroxipropilo.
5. El guar hidroxialquilo útil como aditivo para productos de construcción de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que el grupo hidroxialquilo es hidroxietilo.
6. El guar hidroxialquilo útil como aditivo para productos de construcción de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que el grupo hidroxialquilo es hidroxibutilo.
7. Procedimiento para la preparación de guar hidroxialquilo purificado útil como aditivo para productos de construcción de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por:
a) tratar un guar hidroxialquilo que tiene una sustitución molar entre 0,4 y 2,0 está en forma sólida con una cantidad de glioxal del 2 al 3% en peso, en forma de una disolución acuosa en un pH<6, a temperatura ambiente;
b) cuando se acabó este tratamiento, lavar el producto así obtenido con agua a pH<6, durante de 30 a 90 minutos y después secarlo y molerlo.
8. Procedimiento para la preparación de guar hidroxialquilo purificado útil como aditivo para productos de construcción de acuerdo con la reivindicación 7, en el cual el guar hidroxialquilo tiene una sustitución molar (SM) entre 0,7 y 1,5.
9. Procedimiento para la preparación de guar hidroxialquilo purificado útil como aditivo para productos de construcción de acuerdo con la reivindicación 7 u 8, en el cual el guar hidroxialquilo se selecciona del grupo constituido por guar hidroxipropilo, guar hidroxietilo y guar hidroxibutilo.
10. Procedimiento para la preparación de guar hidroxialquilo purificado útil como aditivo para productos de construcción de acuerdo con la reivindicación 7 u 8, en el cual la cantidad de glioxal está comprendida entre el 2,2 y el 2,8% en peso.
11. Procedimiento para la preparación de guar hidroxialquilo purificado útil como aditivo para productos de construcción de acuerdo con la reivindicación 7 u 8, en el cual el lavado acuoso de la etapa b) elimina al menos el 90% de las impurezas originales.
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