ES2271546T3 - Aditivos de construccion basados en guar hidroxialquilo purificado. - Google Patents
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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
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:
\vskip1.000000\baselineskip
- 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;
\vskip1.000000\baselineskip
- 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.
\vskip1.000000\baselineskip
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.
\vskip1.000000\baselineskip
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.
| 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.
| 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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