ES2610025T3 - Preparación de partículas de fosfato o de polifosfato de aluminio - Google Patents

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Abstract

Un proceso de preparación de una dispersión que comprende fosfato o polifosfato de aluminio amorfo, comprendiendo el proceso hacer reaccionar ácido fosfórico, hidróxido de aluminio y aluminato de sodio; o hacer reaccionar fosfato de aluminio y aluminato de sodio.

Description

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DESCRIPCION
Preparacion de partmulas de fosfato o de polifosfato de aluminio Campo de la invencion
En el presente documento se proporcionan procesos de preparacion de composiciones que comprenden fosfato de aluminio, ortofosfato de aluminio o polifosfato de aluminio que comprenden partmulas huecas. Ademas, se proporcionan usos de tales partmulas como pigmentos en pinturas. Tambien se proporcionan composiciones de fosfato de aluminio, ortofosfato de aluminio y polifosfato de aluminio en forma de una suspension. En ciertas realizaciones, el fosfato de aluminio, ortofosfato de aluminio o polifosfato de aluminio comprende ademas un ion, tal como ion sodio, potasio o litio.
Antecedentes de invencion
El dioxido de titanio es el pigmento blanco mas comun debido a su fuerte capacidad para retrodispersar la luz visible, que a su vez es dependiente de su mdice de refraccion. Se han buscado sustitutos del dioxido de titanio, pero los indices de refraccion de tanto las formas de anatasa como de rutilo de este oxido son mucho mayores que los de cualquier otro polvo blanco, debido a motivos estructurales.
Los pigmentos de dioxido de titanio son insolubles en los vehmulos de recubrimiento en los que se dispersan. Las propiedades de rendimiento de tales pigmentos de dioxido de titanio, que incluyen sus caractensticas ffsicas y qmmicas, se determinan por el tamano de partmula del pigmento y la composicion qmmica de su superficie. El dioxido de titanio esta comercialmente disponible en dos estructuras cristalinas: anatasa y rutilo. Se prefieren pigmentos de dioxido de titanio de rutilo, ya que dispersan la luz mas eficazmente y son mas estables y duraderos que los pigmentos de anatasa. El titanio dispersa la luz fuertemente debido a su alto mdice de refraccion, que es notablemente diferente de aquel de la mayona de las resinas o componentes de pintura.
Las capacidades decorativas y funcionales del dioxido de titanio son debidas a su potencia de dispersion, que hace que sea un pigmento altamente deseable. Sin embargo, se sabe que el dioxido de titanio es un pigmento caro de fabricar. Por consiguiente, existe la necesidad de un sustituto mas asequible del dioxido de titanio como pigmento. Tambien existe la necesidad de metodos de fabricacion rentables del fosfato de aluminio con partmulas huecas.
Varias publicaciones describen la smtesis de fosfato de aluminio para diversos usos: por ejemplo, la patente de EE.UU. N.° 4.542.001 describe la preparacion de fosfato de aluminio cristalino haciendo reaccionar diversos hidroxidos de aluminio, aluminas y acido fosforico para su uso como material de catalizador o material electronico. Los documentos FR 2157866 y GB 1403242 describen la preparacion de gel de fosfato de aluminio haciendo reaccionar aluminato de sodio, acido fosforico y sulfato de aluminio. El gel de fosfato de aluminio preparado por el proceso es util como agente terapeutico. La publicacion de EE.UU. N.° 2006/045831 describe un pigmento blanco que comprende partmulas de fosfato o de polifosfato de aluminio amorfo para su uso en pinturas. Las partmulas de fosfato o de polifosfato de aluminio se preparan haciendo reaccionar acido fosforico, sulfato de aluminio e hidroxido de sodio o de amonio.
La patente de EE.UU. N.° 6.0022.513 describe un proceso para la preparacion de aluminofosfato amorfo usando una solucion basica de sales tal como una mezcla de aluminato de sodio y fosfato de sodio que se neutraliza con una solucion acuosa de acido tal como HCl con un pH inferior a 6. El aluminofosfato amorfo tiene una microestructura de hojas, ademas de esferas de aluminofosfato, y es util como soporte para catalizadores.
Sumario de la invencion
En el presente documento se proporciona un proceso de preparacion de una dispersion que comprende fosfato o polifosfato de aluminio amorfo como se define en la reivindicacion 1. En ciertas realizaciones, el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo comprende ademas un ion, tal como ion sodio, potasio o litio. En una realizacion, el proceso comprende hacer reaccionar acido fosforico e hidroxido de aluminio para dar una solucion o suspension acida de fosfato de aluminio. El proceso puede comprender ademas una etapa de neutralizacion. La etapa de neutralizacion puede llevarse a cabo por aluminato de sodio.
Aspectos adicionales de la presente invencion estan relacionados con una suspension que comprende 20-60 % de fosfato o polifosfato de aluminio amorfo en peso medido segun ASTM D280 y un agente dispersante seleccionado de polifosfato de sodio, copolfmero de polieter y polisiloxano o una combinacion de los mismos, y en la que la suspension tiene una viscosidad que oscila de 50 cPs a 150 cPs como se define en la reivindicacion 3 y una dispersion que comprende partmulas de fosfato o polifosfato de aluminio amorfo que tienen una distribucion del tamano de partmula entre 0,1 y 5 micrometros como se define en la reivindicacion 9.
El proceso segun la reivindicacion 1 comprende hacer reaccionar acido fosforico, hidroxido de aluminio y aluminato de sodio o hacer reaccionar una solucion acida de un fosfato de aluminio y aluminato de sodio.
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En una realizacion, la reaccion comprende dos etapas. En la primera etapa, el acido fosforico reacciona con hidroxido de aluminio para producir solucion acida de un fosfato de aluminio. En una realizacion, el fosfato de aluminio se produce como un fosfato de aluminio soluble en agua. En ciertas realizaciones, el pH del fosfato de aluminio soluble en agua es inferior a aproximadamente 3,5. En ciertas realizaciones, el pH es aproximadamente 3, 2,5, 2, 1,5 o 1. En ciertas realizaciones, el fosfato de aluminio se produce como una dispersion solido-lfquido fina a un pH mas alto. En una realizacion, el pH es aproximadamente 3, 4, 5 o 6.
En una segunda etapa, la solucion o dispersion acuosa acida de un fosfato de aluminio de la primera etapa qmmica se hace reaccionar con aluminato de sodio. En ciertas realizaciones, el aluminato de sodio se usa como una solucion acuosa a un pH superior a aproximadamente 10. En una realizacion, el pH de la solucion acuosa de aluminato de sodio es mayor de aproximadamente 11, 12 o 13. En una realizacion, el pH de la solucion acuosa de aluminato de sodio es mayor de aproximadamente 12. En una realizacion, se genera fosfato de sodio y aluminio como precipitado solido. En una realizacion, el fosfato de aluminio-sodio solido tiene una relacion molar P/Al=0,85 y una relacion molar Na/AI=0,50. En una realizacion, el fosfato de aluminio-sodio solido tiene una relacion molar P/Al=1,0 y una relacion molar Na/Al=0,76. En ciertas realizaciones, las moleculas con otras relaciones de formulacion pueden obtenerse por el mismo procedimiento.
En una realizacion, el hidroxido de aluminio hidratado solido se anade al acido fosforico en la primera etapa qmmica. En otra realizacion, el hidroxido de aluminio hidratado solido se anade a la solucion de aluminato de sodio lfquida purificada para formar una solucion coloidal o solucion verdadera. En otra realizacion, el hidroxido de aluminio hidratado solido se anade directamente como una suspension solida o solido-lfquido en agua en la segunda etapa de reaccion. En ciertas realizaciones, la reaccion se lleva a cabo en una unica etapa.
En ciertas realizaciones, el reactor para realizar la segunda etapa de la reaccion, es decir, la reaccion de una solucion o dispersion acuosa acida de fosfato de aluminio de la primera etapa qmmica con aluminato de sodio, tiene un rendimiento de mezcla y de tension de cizallamiento muy alto para mezclar los reactantes y para generar un precipitado solido con la distribucion del tamano de partfcula deseada. En ciertas realizaciones, las propiedades de dispersion del reactor podnan ajustarse para los requisitos del proceso de secado por pulverizacion.
En ciertas realizaciones, el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo comprende ademas un ion, tal como ion sodio, potasio o litio. En una realizacion, el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo comprende ademas sodio. En ciertas realizaciones, el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo se caracteriza por una densidad esqueletica de entre 1,95 y 2,50 gramos por centfmetro cubico. En ciertas realizaciones, el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo tiene una relacion molar de fosforo con respecto a aluminio de superior a 0,8 o 1,3. El fosfato o polifosfato de aluminio puede estar en una forma de suspension. En una realizacion, el fosfato o polifosfato de aluminio esta en una forma de polvo y, por ejemplo, tiene de uno a cuatro huecos por partfcula de polvo de fosfato o polifosfato de aluminio amorfo. La forma de polvo del producto puede comprender un tamano del radio de partfcula individual promedio de entre 10 y 40 nanometros.
El fosfato o polifosfato de aluminio pueden usarse como componente en una pintura, y preferentemente, como un sustituto (en parte o por completo) del dioxido de titanio. El producto tambien puede usarse como componente en un barniz, tinta de impresion, o plastico. El fosfato o polifosfato de aluminio puede secarse a temperaturas por debajo de 130 °C, e incluso a temperatura ambiente, para producir un polvo que contiene 10-20 por ciento en peso de agua.
En una realizacion, el proceso de preparacion de una dispersion que comprende fosfato o polifosfato de aluminio amorfo generalmente comprende las siguientes etapas: combinar acido fosforico e hidroxido de aluminio seguido por la adicion de aluminato de sodio. En ciertas realizaciones, el proceso comprende ademas filtrar y lavar el producto de una suspension en una torta. La torta lavada puede dispersarse ademas en disolvente. En una realizacion, el proceso implica el secado de la torta. En realizaciones adicionales, el producto seco se polimeriza. En otra realizacion, el proceso comprende la etapa de micronizacion del producto.
Descripcion de realizaciones de la invencion
En el presente documento se proporciona una composicion de fosfato de aluminio que comprende fosfato de aluminio, polifosfato de aluminio, metafosfato de aluminio, o una mezcla de los mismos. Los terminos "fosfato de aluminio" y "composicion de fosfato de aluminio", como se usan en el presente documento, pretenden incluir tanto fosfato de aluminio, ademas de polifosfato de aluminio, metafosfato de aluminio, y mezclas de los mismos. El termino "hueco" referido en el presente documento es generalmente sinonimo del termino "partfcula hueca" y tambien se describe en el presente documento como un "hueco cerrado". El hueco (o hueco cerrado o partfcula hueca) es parte de una estructura de nucleo y envuelta de la mezcla de fosfato de aluminio. Los huecos pueden observarse y/o caracterizarse usando tanto microscopios electronicos de transmision como de barrido ("TEMs" o "SEMs"). El uso de TEMs o SEMs es muy conocido para aquellos expertos en la materia. Generalmente, la microscopfa optica esta limitada, por la longitud de onda de la luz, a resoluciones en el intervalo de cien, y normalmente cientos, de nanometros. Los TEMs y SEMs no tienen esta limitacion y son capaces de obtener una resolucion considerablemente mayor, en el intervalo de algunos nanometros. Un microscopio optico usa lente optica para enfocar ondas de luz flexionandolas, mientras que un microscopio electronico usa lentes electromagneticas
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para enfocar haces de electrones flexionandolos. Los haces de electrones proporcionan grandes ventajas con respecto a los haces de luz tanto en el control de los niveles de aumentos como en la claridad de la imagen que puede producirse. Los microscopios electronicos de barrido complementan a los microscopios electronicos de transmision porque proporcionan una herramienta para obtener la imagen tridimensional de la superficie de una muestra.
Los solidos amorfos (es decir, no cristalinos) presentan diferencias en sus homologos cristalinos con una composicion similar, y tales diferencias pueden dar propiedades beneficiosas. Por ejemplo, tales diferencias pueden incluir una o mas de las siguientes: (i) los solidos no cristalinos no difractan los rayos X a angulos agudos definidos, pero en su lugar pueden producir un halo de dispersion ancha; (ii) los solidos no cristalinos no tienen estequiometna bien definida, asf pueden cubrir una amplia gama de composiciones qmmicas; (iii) la variabilidad de la composicion qmmica incluye la posibilidad de incorporacion de constituyentes ionicos distintos de iones aluminio y fosfato; (iv) como los solidos amorfos son termodinamicamente metaestables, pueden demostrar una tendencia a experimentar cambios morfologicos, qmmicos y estructurales espontaneos; y (v) la composicion qmmica de la superficie de la partfcula cristalina es altamente uniforme, mientras que la composicion qmmica de la superficie de partfculas amorfas puede mostrar diferencias grandes o pequenas, tanto bruscas como graduales. Ademas, mientras que las partfculas de solidos cristalinos tienden a crecer por el muy conocido mecanismo de maduracion de Ostwald, las partfculas no cristalinas pueden expandirse o hincharse y encogerse (deshincharse) por la absorcion y desorcion de agua, formando un material plastico tipo gel que es facilmente deformado cuando se somete a fuerzas de cizallamiento, compresion o capilares.
Proceso de preparacion de fosfato de aluminio amorfo
En un aspecto, en el presente documento se proporciona un proceso sintetico que produce fosfatos de aluminio no cristalinos con propiedades unicas. El proceso se describe en las siguientes etapas generales. En una realizacion, las etapas en el proceso incluyen: preparacion de los principales reactivos usados en el proceso, tales como solucion de acido fosforico, hidroxido de aluminio hidratado solido y solucion de aluminato de sodio; adicion de los reactivos a un reactor equipado con un sistema de agitacion para mantener la homogeneidad de la mezcla durante el proceso; control, durante la adicion de los reactivos en el reactor, de la temperatura y pH de la mezcla y el tiempo de reaccion; filtracion de la suspension; lavado de las impurezas presentes en la torta de filtracion; dispersion de la torta lavada en un dispersador adecuado; secado de la pulpa dispersa en una turbosecadora o secadora por pulverizacion; micronizacion del producto secado a una granulometna promedio de 1,0 a 10 micrometres; y polimerizacion del producto secado por tratamiento termico del fosfato de aluminio en un calcinador. En ciertas realizaciones, el proceso comprende una etapa de premezcla de las soluciones de acido fosforico y sulfato de aluminio antes de la adicion al reactor. En ciertas realizaciones, el fosfato o polifosfato de aluminio en pigmentos puede prepararse y usarse como una pulpa en suspension (dispersion de alto contenido de solidos, que circula bajo la accion de la gravedad o bombas de baja presion) con 20-60 % o mas de no volatiles en peso; como fosfato de aluminio secado y micronizado con aproximadamente 10-30 %, en ciertas realizaciones, l0, 12, 15, 17, 20, 25 o 30 % de humedad; y tambien en la forma polimerica como polifosfato de aluminio calcinado y micronizado.
En una realizacion, el fosfato de aluminio amorfo se prepara por una reaccion entre acido fosforico e hidroxido de aluminio. El proceso puede comprender ademas una etapa de neutralizacion. La etapa de neutralizacion puede llevarse a cabo por aluminato de sodio.
En ciertas realizaciones, el proceso segun la reivindicacion 1 comprende hacer reaccionar acido fosforico, hidroxido de aluminio y aluminato de sodio.
En una realizacion, el proceso segun la reivindicacion 1 comprende hacer reaccionar fosfato de aluminio y aluminato de sodio.
En una realizacion, la reaccion comprende dos etapas. En la primera etapa, el acido fosforico reacciona con hidroxido de aluminio para producir fosfato de aluminio a un pH acido. En una realizacion, el fosfato de aluminio se produce como un fosfato de aluminio soluble en agua. En ciertas realizaciones, el pH del fosfato de aluminio soluble en agua es inferior a aproximadamente 3,5. En ciertas realizaciones, el pH es aproximadamente 3, 2,5, 2, 1,5 o 1. En ciertas realizaciones, el fosfato de aluminio se produce como una dispersion solido-lfquido fina a un pH mas alto. En una realizacion, el pH es aproximadamente 3, 4, 5 o 6.
En una segunda etapa, la solucion o dispersion acuosa acida de fosfato de aluminio de la primera etapa qmmica se hace reaccionar con un aluminato de sodio. En ciertas realizaciones, el aluminato de sodio se usa como solucion acuosa a un pH superior a aproximadamente 10. En una realizacion, el pH de la solucion acuosa de aluminato de sodio es aproximadamente 11, 12 o 13. En una realizacion, el pH de la solucion acuosa aluminato de sodio es mayor de aproximadamente 12. Se genera fosfato de aluminio y sodio como un precipitado solido. En una realizacion, el fosfato de aluminio-sodio solido tiene una relacion molar P/Al = 0,85 y una relacion molar Na/Al = 0,50. En una realizacion, el fosfato de aluminio-sodio solido tiene una relacion molar P/Al = 1,0 y una relacion molar Na/Al = 0,76. En ciertas realizaciones, pueden obtenerse moleculas con otras relaciones de formulacion por el mismo procedimiento.
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En una realizacion, el hidroxido de aluminio hidratado solido se anade al acido fosforico en la primera etapa qmmica. En otra realizacion, el hidroxido de aluminio hidratado solido se anade a la solucion de aluminato de sodio lfquida purificada para formar una solucion coloidal. En otra realizacion, el hidroxido de aluminio hidratado solido se anade directamente como una suspension solida o solido-lfquido en agua en la segunda etapa de reaccion. En ciertas realizaciones, la reaccion se lleva a cabo en una unica etapa.
En ciertas realizaciones, el reactor para realizar la segunda etapa de la reaccion, es decir, la reaccion de una solucion o dispersion acuosa acida de fosfato de aluminio de la primera etapa qmmica con aluminato de sodio, tiene un rendimiento de mezcla y de tension de cizallamiento muy alto para mezclar los reactantes y para generar un precipitado solido con la distribucion del tamano de partfcula deseada. En ciertas realizaciones, las propiedades de dispersion del reactor podnan ajustarse para los requisitos del proceso de secado por pulverizacion.
En ciertas realizaciones, el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo comprende ademas un ion, tal como ion sodio, potasio o litio. En una realizacion, el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo comprende ademas sodio. En ciertas realizaciones, el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo se caracteriza por una densidad esqueletica de entre 1,95 y 2,50 gramos por centfmetro cubico. En ciertas realizaciones, el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo se caracteriza por una densidad esqueletica de aproximadamente 1,95, 2,00, 2,10, 2,20, 2,30, 2,40 o 2,50 gramos por centfmetro cubico. En cierta realizacion, el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo tiene una relacion molar de fosforo con respecto a aluminio de superior a 0,8 a 1,3. En cierta realizacion, el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo tiene una relacion molar de fosforo con respecto a aluminio de superior a 0,9 a 1,3. En cierta realizacion, el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo tiene una relacion molar de fosforo con respecto a aluminio de aproximadamente 0,8, 0,9, 1,0, 1,1, 1,2 o 1,3. En cierta realizacion, el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo tiene una relacion molar de sodio con respecto a aluminio de aproximadamente 0,6 a 1,4. En cierta realizacion, el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo tiene una relacion molar de sodio con respecto a aluminio de 0,6, 0,7, 0,76, 0,8, 0,9, 1,0, 1,1, 1,2 o 1,3. El fosfato o polifosfato de aluminio puede estar en una forma de suspension. En una realizacion, la suspension comprende aproximadamente 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 % o 60 % de contenido de no volatiles en peso (ASTM D280). En una realizacion, el fosfato o polifosfato de aluminio esta en una forma de polvo y, por ejemplo, tiene de uno a cuatro huecos por partfcula de polvo de fosfato o polifosfato de aluminio amorfo. La forma de polvo del producto puede comprender un tamano del radio de partfcula individual promedio de entre 10 y 40 nanometros. En un aspecto la forma de polvo del producto puede comprender un tamano del radio de partfcula individual promedio de entre 10 y 30 o 10 y 20 nanometros.
La solucion de aluminato de sodio para su uso en el proceso proporcionado en el presente documento puede obtenerse por metodos conocidos para aquellos expertos en la materia. En una realizacion, la solucion de aluminato de sodio es un producto qmmico estandar resultante de la primera etapa en el proceso de Bayer en la extraccion de alumina (A^Oa) de mineral de bauxita, frecuentemente llamada "solucion rica en sodio purificada". Esta solucion acuosa lfquida de aluminato de sodio se satura a temperatura ambiente y se estabiliza con hidroxido sodico, NaOH. Sus composiciones tfpicas son: aluminato de sodio, 58 al 65 % en masa (25 al 28 % en masa de A^Os) e hidroxido sodico, 3,5 al 5,5 % en masa (2,5 al 4 % en masa de Na2O libre). En ciertas realizaciones, tiene una relacion molar Na/Al de aproximadamente 1,10 a 2,20 y bajas impurezas (dependiendo del origen de la bauxita: Fe = 40 ppm, metales pesados = 20 ppm, y pequena cantidad de aniones, Cl- y SO42-). En ciertas realizaciones, la solucion acuosa de aluminato de sodio tiene una relacion molar Na/Al de aproximadamente 1,10, 1,15, 1,20, 1,25, 1,30, 1,35, 1,40, 1,45, 1,50, 1,55, 1,60, 1,65, 1,70, 1,75, 1,80, 1,85, 1,90, 1,95, 2,0, 2,05, 2,10, 2,15 o 2,2. El color de la solucion, en ciertas realizaciones, es ambar. En ciertas realizaciones, la viscosidad de la solucion es aproximadamente 100 cP. En ciertos aspectos, la solucion de aluminato de sodio se purifica por filtracion de refinamiento. En ciertas realizaciones, la solucion de aluminato de sodio se regenera a partir de hidroxido de aluminio solido e hidroxido sodico.
El hidroxido de aluminio hidratado solido se obtiene por metodos conocidos para un experto en la materia. En una realizacion, el hidroxido de aluminio es un producto qmmico industrial producido por el proceso de Bayer. El hidroxido de aluminio hidratado solido puede obtenerse a partir de la "solucion rica en sodio purificada" mediante precipitacion, que se lleva a cabo mediante enfriamiento de la solucion. En una realizacion, el aluminato de sodio asf producido tiene un bajo nivel de impurezas y una cantidad variable de humedad (cationes aproximadamente 70 ppm, cloratos aproximadamente 0,85 % en masa y sulfatos aproximadamente 0,60 % en masa (estas impurezas se determinan por el nivel de purificacion de la "solucion rica en aluminato de sodio purificada") y el agua total, hidratacion y humedad, aproximadamente 22,0 al 23,5 % en masa. En un aspecto, ambos materiales de partida son productos industriales primarios estandar, precisamente de la primera y segunda etapa del procesamiento de la bauxita, (productos) producidos en enormes cantidades por los procesadores de bauxita.
En una realizacion, la reaccion qmmica produce la formacion de fosfato de aluminio y sodio (Al(OH)0,7Na0,7(PO4),1,7H2O). Despues de la formacion de fosfato de aluminio y sodio, la suspension que contiene aproximadamente el 6,0 % al 10,0 % de solidos, con una temperatura aproximada maxima de 45 °C, y densidad en un intervalo de 1,15 a 1,25 g/cm3, se bombea a un filtro-prensa convencional. En el filtro-prensa, la fase Uquida (algunas veces llamada el "lfquido") se separa de la fase solida (algunas veces denominada la "torta"). La torta humeda, que contiene aproximadamente 35 % al 45 % de solidos, en cierta realizacion, aproximadamente 35, 40 o 45 % solidos, se mantiene en el filtro para el ciclo de lavado.
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En una realizacion, el lavado de la torta humeda se realiza en el propio filtro y en dos a tres etapas de proceso. En el primer lavado ("lavado de desplazamiento") se elimina la mayor parte de la sustancia filtrada que esta contaminando la torta. La etapa de lavado se realiza usando agua tratada sobre la torta a un caudal de 6,0 m3 de agua/tonelada de torta secada. Puede llevarse a cabo una segunda etapa de lavado, tambien con agua tratada y con un flujo de 8,0 m3 de agua/tonelada de torta secada, para reducir los contaminantes. Y, finalmente, puede llevarse a cabo una tercera etapa de lavado con agua para reducir adicionalmente los contaminantes. Finalmente, la torta puede soplarse con aire comprimido durante un cierto periodo de tiempo. El producto humedo debe presentar entre el 35 % y el 45 % de solidos.
A continuacion, en esta realizacion particular, la dispersion de torta puede procesarse de tal forma que la torta de filtracion, humeda y lavada, se extraiga del filtro-prensa por una cinta transportadora y se transfiera a un reactor/dispersador.
En ciertas realizaciones, la dispersion de la torta se ayuda mediante la adicion de un agente dispersante, tal como una solucion de polifosfato de sodio.
En una realizacion, despues de la etapa de dispersion, el producto se seca entonces, cuando la "suspension" de fosfato de aluminio, con un porcentaje de solidos dentro del intervalo del 30 % al 50 %, se bombea a la unidad de secado. En otra realizacion, la eliminacion de agua del material puede llevarse a cabo con equipo de secado, tal como un tipo "turbosecadora" mediante una inyeccion de una corriente de aire caliente, o una "secadora por pulverizacion" a una temperatura de 80 °C a 140 °C, a traves de la muestra. La humedad final del producto debe mantenerse preferencialmente en el intervalo del 10 % al 20 % de agua.
En ciertas realizaciones, la siguiente etapa del proceso incluye la calcinacion del producto. En esta etapa, los iones ortofosfato del fosfato de aluminio seco se someten a condensacion dando iones polifosfato (difosfato, trifosfato, tetrafosfato, n-fosfato en la que "n" puede ser cualquier numero entero superior a 1, en ciertas realizaciones, n es mayor o igual a 4). En una realizacion, n es mayor o igual a 10. En otra realizacion, n es mayor o igual a 20. En una realizacion, n es inferior a 100. En otra realizacion, n es inferior a 50. Esta etapa de proceso se lleva a cabo calentando el fosfato de aluminio, en un calcinador tipo secadora por pulverizacion, en un intervalo de temperatura de 500 °C a 600 °C. Despues de la polimerizacion, el producto puede enfriarse rapidamente y enviarse a la unidad de micronizacion. En este momento, puede llevarse a cabo la etapa de micronizacion del producto. Finalmente, el producto resultante que abandona la secadora (o el calcinador) se transfiere a la unidad de molienda y acabado, se muele en un micronizador/clasificador, y su granulometna se mantiene en el intervalo del 99,5 % por debajo de 400 de malla.
El fosfato de aluminio o el polifosfato de aluminio, despues del tratamiento termico, puede aplicarse como pigmento blanco en la formulacion de pinturas domesticas, basadas en agua, debido a su propiedad de auto-opacificacion en latex, PVA y pelfculas acnlicas, debido a la formacion de partfculas con estructuras huecas con alta capacidad de dispersion de la luz, durante el proceso de secado de la pintura.
Cuando una dispersion de tales partfculas se seca bajo aire a temperatura ambiente o hasta 120 °C, se forman partfculas de tamano nanometrico que tienen una estructura de nucleo y envuelta. Las partfculas de tamano nanometrico muestran una coalescencia parcial en los agregados de tamano micrometrico con formas irregulares. Tales partfculas pueden observarse por microscopfa electronica analftica. Ademas, estas partfculas contienen muchos huecos dispersos como poros cerrados en su interior. Los nucleos de las partfculas son mas plasticos que las envueltas respectivas de las partfculas. Este fenomeno se demuestra por el crecimiento de los huecos tras el calentamiento, mientras que el penmetro de las envueltas sigue esencialmente inalterado.
Las partfculas de fosfato de aluminio descritas en el presente documento demuestran propiedades mejoradas en ciertos aspectos. Por ejemplo, las partfculas de fosfato de aluminio presentan huecos, cuando las partfculas se secan, por ejemplo, a temperatura ambiente, o hasta 130 °C. En una realizacion, las partfculas se secan entre 40 °C y 130 °C. En otra realizacion, las partfculas se secan entre 60 °C y 130 °C. En ciertas realizaciones, las partfculas se secan entre 80 °C y 120 °C. Ademas, las partfculas de fosfato de aluminio tienen una estructura de nucleo y envuelta. En otras palabras, estas partfculas tienen envueltas qmmicamente diferentes de sus nucleos. Esta propiedad se demuestra por varias observaciones diferentes. Primera, las imagenes de energfa filtrada de electrones inelasticos de las partfculas en la region de plasmones (10-40 eV), como se mide por un microscopio electronico de transmision, muestran lmeas brillantes que rodean a la mayona de las partfculas. Las mediciones de nanoindentacion realizadas en el microscopio de fuerza pulsada digital (DPFM) muestran que las superficies de la partfcula son mas ngidas que el interior de la partfcula.
En ciertas realizaciones, el fosfato o polifosfato de aluminio en pigmentos puede prepararse y usarse como una pulpa en suspension (dispersion de alto contenido de solidos, que circula bajo la accion de gravedad o bombas de baja presion) con 20-60 % o mas de no volatiles en peso.
En ciertas realizaciones, en el presente documento se proporciona una suspension que comprende partfculas de fosfato de aluminio y un agente dispersante. En ciertas realizaciones, el agente dispersante es una sal de polifosfato,
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tal como polifosfato de sodio, un copoUmero de polieter/polisiloxano o una combinacion de los mismos. En ciertas realizaciones, la suspension comprende de aproximadamente el 25 % hasta aproximadamente el 70 % de no volatiles en peso medido segun ASTM D280. En ciertas realizaciones, la suspension comprende de aproximadamente el 40 % hasta aproximadamente el 60 % de no volatiles en peso. En ciertas realizaciones, la suspension comprende aproximadamente el 20, 30, 40, 45, 50, 55, 60 % o mas de solidos no volatiles en peso. En ciertas realizaciones, la suspension comprende aproximadamente el 50 % de no volatiles en peso.
En ciertas realizaciones, la suspension comprende aproximadamente el 25 % hasta aproximadamente el 70 % de fosfato de aluminio en peso. En ciertas realizaciones, la suspension comprende aproximadamente el 40 % hasta aproximadamente el 60 % de fosfato de aluminio en peso. En ciertas realizaciones, la suspension comprende el 20, 30, 40, 45, 50, 55, 60 % o mas de fosfato de aluminio en peso. En ciertas realizaciones, la suspension comprende aproximadamente el 50 % de fosfato de aluminio en peso.
En ciertas realizaciones, la suspension de fosfato de aluminio proporcionada en el presente documento tiene una viscosidad que oscila de aproximadamente 50 cPs hasta aproximadamente 150 cPs. En ciertas realizaciones, la suspension de fosfato de aluminio proporcionada en el presente documento tiene una viscosidad que oscila de aproximadamente 55 cPs hasta aproximadamente 120 cPs. En ciertas realizaciones, la suspension de fosfato de aluminio proporcionada en el presente documento tiene una viscosidad de aproximadamente 50 cPs, 70 cPs, 80 cPs, 90 cPs, 100 cPs, 110 cPs o aproximadamente 120 cPs.
En ciertas realizaciones, el tamano de partfcula de los pigmentos de fosfato de aluminio esta controlado para maximizar la dispersion de la luz. En ciertas realizaciones, la determinacion del tamano de partfcula se hace por dispersion de la luz estatica en un instrumento Cilas modelo 1064. En ciertas realizaciones, el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo se caracteriza por una distribucion del tamano de partfcula entre aproximadamente 0,1 y aproximadamente 5 micrometros. En una realizacion, el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo se caracteriza por una distribucion del tamano de partfcula entre aproximadamente 0,2 y aproximadamente 0,6 micrometros, aproximadamente 0,6 y aproximadamente 1,0 micrometro, aproximadamente 1,0 y aproximadamente 1,5 micrometros, aproximadamente 1,0 y aproximadamente 3,0 micrometros o aproximadamente 1,60 y aproximadamente 3,82 micrometros. En ciertas realizaciones, el fosfato de aluminio en el presente documento se proporciona micronizado en un molino de martillos al tamano de partfcula dentro de 3 micrometros (d10) y 19 micrometros (d90). En una realizacion, el tamano de partfcula para muestras sonicadas altamente diluidas es 0,1 micrometros, en un instrumento de dispersion de luz dinamica (Brookhaven ZetaPlus).
Las partfculas de fosfato de aluminio, como se preparan segun el proceso descrito en el presente documento, pueden dispersarse en latex en presencia de solidos cristalinos en partfculas. Si una pelfcula se cuela usando esta dispersion, se producen pelfculas altamente opacas. En ciertas realizaciones, las pelfculas altamente opacas pueden producirse en el caso de monocapas delgadas de partfculas. Se obtiene evidencia experimental para la opacidad de pelfculas usando fosfato de aluminio amorfo como sustitucion del dioxido de titanio (es decir, TiO2). El dioxido de titanio es el pigmento blanco estandar actual usado por casi todos los fabricantes implicados en las formulaciones de pinturas al latex. Se preparo una pintura al latex de estireno-acnlico estandar usando una carga habitual de dioxido de titanio y se comparo con una pintura en la que el cincuenta por ciento de la carga de dioxido de titanio se sustituyo por fosfato de aluminio amorfo. Esta comparacion se hizo en dos laboratorios de ensayo de pinturas diferentes. Las mediciones opticas tomadas de las pelfculas sacadas usando las dos pinturas demuestran que el fosfato de aluminio puede sustituir a las partfculas productoras de dioxido de titanio mientras que se preservan las propiedades opticas de la pelfcula.
El fosfato de aluminio descrito en el presente documento tiene tamano de partfcula relativamente pequeno. Tales tamanos de partfcula mas pequenos permiten que las partfculas se distribuyan ampliamente en la pelfcula y se asocien mtimamente con la resina, con cargas inorganicas y con ellas mismas, creando asf agrupaciones que son sitios para la extensa formacion de huecos cuando se seca la pintura. El presente fosfato de aluminio muestra esta tendencia a formar huecos cerrados, o partfculas huecas, a un grado que no ha sido previamente observado para fosfatos, polifosfatos de aluminio o cualquier otra partfcula. En algunas realizaciones, las partfculas de fosfato o polifosfato de aluminio estan sustancialmente libres de poros abiertos, mientras que contienen varios poros cerrados. Como resultado, en tales realizaciones, el volumen de macroporos es sustancialmente inferior a 0,1 cc/gramo.
La opacificacion de las pelfculas de pintura basadas en agua usando fosfato de aluminio en algunas realizaciones implica caractensticas unicas. La pelfcula de recubrimiento humeda es una dispersion de polfmero viscosa, fosfato de aluminio, dioxido de titanio y partfculas de carga. Cuando esta dispersion se cuela como una pelfcula y se seca, se comporta de forma diferente de una pintura estandar (por debajo de la concentracion de volumen de pigmento cntica, CPVC). En una pintura estandar, la resina de baja temperatura de transicion vttrea (Tg) es plastica a temperatura ambiente y coalesce, de manera que la pelfcula de resina llena los poros y huecos. Una pintura formulada con fosfato de aluminio, sin embargo, puede presentar un comportamiento diferente. Se forman los poros cerrados, como se describe en el presente documento, y contribuyen al poder cubriente de la pelfcula.
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El fosfato de aluminio o polifosfato de aluminio, usado como pigmento blanco, pueden sustituir al dioxido de titanio en dispersiones en medio acuoso, tales como emulsion polimerica de latex. En una realizacion, la relacion molar de fosforo:aluminio del fosfato de aluminio esta en el intervalo de entre 0,8 y 1,3. En otra realizacion, la relacion molar de fosforo:aluminio del fosfato de aluminio esta en el intervalo de entre 0,8 y 1,2. En una realizacion, la relacion molar de fosforo:aluminio del fosfato de aluminio esta en el intervalo de entre 1,0 y 1,2.
Pueden formularse diversas pinturas usando el fosfato o polifosfato de aluminio preparado segun diversas realizaciones en el presente documento como un pigmento, solo o en combinacion con otro pigmento, tal como dioxido de titanio. Una pintura comprende uno o mas pigmentos y uno o mas polfmeros como ligante (algunas veces denominado "polfmero de union"), y opcionalmente diversos aditivos. Hay pinturas de base agua y pinturas no de base agua. Generalmente, una composicion de pintura de base agua esta compuesta por cuatro componentes basicos: ligante, vehfculo acuoso, pigmento(s) y aditivo(s). El ligante es un material resinoso no volatil que se dispersa en el vehfculo acuoso para formar un latex. Cuando el vehfculo acuoso se evapora, el ligante forma una pelfcula de pintura que se une junto con las partfculas de pigmento y otros componentes no volatiles de la composicion de pintura de base agua. Las composiciones de pintura de base agua pueden formularse segun los metodos y componentes desvelados en la patente de EE.Uu. N.° 6.646.058, con o sin modificaciones. La divulgacion de tal patente se incorpora por referencia en su totalidad en el presente documento. El fosfato o polifosfato de aluminio preparado segun diversas realizaciones en el presente documento puede usarse para formular pinturas de base agua como pigmento, solo o en combinacion con dioxido de titanio.
Una pintura comun es una pintura al latex que comprende un polfmero de union, un pigmento cubriente, y opcionalmente un espesante y otros aditivos. Nuevamente, el fosfato o polifosfato de aluminio preparado segun diversas realizaciones descritas en el presente documento puede usarse para formular pinturas al latex como un pigmento, solo o en combinacion con dioxido de titanio. Otros componentes para la preparacion de una pintura al latex se desvelan en las patentes de EE.UU. N.° 6.881.782 y N.° 4.782.109, que se incorporan por referencia en el presente documento en su totalidad. A modo de ilustracion, componentes y metodos adecuados de preparacion de pinturas al latex se explican brevemente a continuacion.
En algunas realizaciones, polfmeros de union adecuados incluyen monomeros etilenicamente insaturados copolimerizados en emulsion que incluyen 0,8 % al 6 % de acrilato o metacrilato de acido graso tal como metacrilato de laurilo y/o metacrilato de estearilo. Basado en el peso de monomeros etilenicos copolimerizados, el ligante polimerico comprende 0,8 % al 6 % de metacrilato o acrilato de acido graso donde composiciones preferidas contienen 1 % al 5 % de acrilato o metacrilato de acido graso copolimerizado que tiene una cadena de acido graso alifatico que comprende entre 10 y 22 atomos de carbono. En una realizacion, las composiciones de copolfmero se basan en metacrilato de acido graso copolimerizado. En otra realizacion, se usan metacrilato de laurilo y/o metacrilato de estearilo. En una realizacion, el metacrilato de laurilo es el monomero de eleccion. Otros metacrilatos de acido graso utiles incluyen metacrilato de miristilo, metacrilato de decilo, metacrilato palmftico, metacrilato oleico, metacrilato de hexadecilo, metacrilato de cetilo y metacrilato de eicosilo, y metacrilato alifatico de cadena lineal similar. Los metacrilatos o acrilatos de acido graso normalmente comprenden aceites grasos comerciales co- reaccionados con acido metacnlico o acido acnlico para proporcionar principalmente el resto metacrilato de acido graso dominante con cantidades menores de otros acrilatos o metacrilatos de acido graso.
Los monomeros etilenicamente insaturados polimerizables contienen insaturacion carbono a carbono e incluyen monomeros de vinilo, monomeros acnlicos, monomeros alflicos, monomeros de acrilamida y acidos insaturados mono- y dicarboxflicos. Los esteres de vinilo incluyen acetato de vinilo, propionato de vinilo, butiratos de vinilo, benzoatos de vinilo, acetatos de vinilisopropilo y esteres de vinilo similares; haluros de vinilo incluyen cloruro de vinilo, fluoruro de vinilo y cloruro de vinilideno; hidrocarburos aromaticos de vinilo incluyen estireno, metilestirenos y alquil inferior-estirenos similares, cloroestireno, viniltolueno, vinilnaftaleno y divinilbenceno; los monomeros de hidrocarburos alifaticos de vinilo incluyen alfa-olefinas tales como etileno, propileno, isobutileno y ciclohexeno, ademas de dienos conjugados tales como 1,3-butadieno, metil-2-butadieno, 1,3-piperileno, 2,3-dimetilbutadieno, isopreno, ciclohexano, ciclopentadieno y diciclopentadieno. Vinil alquil eteres incluyen metil vinil eter, isopropil vinil eter, n-butil vinil eter e isobutil vinil eter. Monomeros acnlicos incluyen monomeros tales como esteres de alquilo inferior de acido acnlico o metacnlico que tienen una porcion de ester de alquilo que contiene entre 1 y 12 atomos de carbono, ademas de derivados aromaticos de acido acnlico y metacnlico. Monomeros acnlicos utiles incluyen, por ejemplo, acido acnlico y metacnlico, acrilato y metacrilato de metilo, acrilato y metacrilato de etilo, acrilato y metacrilato de butilo, acrilato y metacrilato de propilo, acrilato y metacrilato de 2-etilhexilo, acrilato y metacrilato de ciclohexilo, acrilato y metacrilato de decilo, acrilato y metacrilato de isodecilo, acrilato y metacrilato de bencilo, y diversos productos de reaccion tales como butilfenilo, y cresil glicidil eteres reaccionados con acidos acnlicos y metacnlicos, acrilatos y metacrilatos de hidroxilalquilo tales como acrilatos y metacrilatos de hidroxietilo e hidroxipropilo, ademas de acrilatos y metacrilatos de amino. Los monomeros acnlicos pueden incluir cantidades muy pequenas de acidos acnlicos que incluyen acido acnlico y metacnlico, acido etacnlico, acido alfa-cloroacnlico, acido alfa-cianoacnlico, acido crotonico, acido beta-acriloxipropionico y acido beta-estirilacnlico, acido pionico y acido beta- estirilacnlico.
En otras realizaciones, polfmeros utiles como componente (a), el "polfmero de union", de las pinturas al latex son productos de copolimerizacion de una mezcla de co-monomeros que comprenden monomeros seleccionados de
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estireno, metilestireno, vinilo, o combinaciones de los mismos. En una realizacion, los co-monomeros comprenden al menos el 40 por ciento en moles de monomeros seleccionados de estireno, metilestireno, o combinaciones de los mismos, y al menos el 10 por ciento en moles de uno o mas monomeros seleccionados de acrilatos, metacrilatos, y acrilonitrilo. En otra realizacion, los acrilatos y metacrilatos contienen de 4 a 16 atomos de carbono tales como, por ejemplo, acrilato de 2-etilhexilo y metacrilatos de metilo. Los monomeros pueden usarse en una proporcion tal que el polfmero final tenga una temperatura de transicion vftrea (Tg) superior a 21 °C e inferior a 95 °C. En una realizacion, los polfmeros tienen un peso molecular promedio en peso de al menos 100.000.
En una realizacion, el polfmero de union comprende unidades interpolimerizadas derivadas de acrilato de 2- etilhexilo. En otra realizacion, el polfmero de union comprende unidades polimerizadas que comprenden del 50 al 70 por ciento en moles de unidades derivadas de estireno, metilestireno, o combinaciones de los mismos; del 10 al 30 por ciento en moles de unidades derivadas de acrilato de 2-etilhexilo; y del 10 al 30 por ciento en moles de unidades derivadas de acrilato de metilo, acrilonitrilo, o combinaciones de los mismos.
Ejemplos ilustrativos de polfmeros de union adecuados incluyen un copolfmero cuyas unidades interpolimerizadas se derivan de aproximadamente el 49 por ciento en moles de estireno, el 11 por ciento en moles de alfa- metilestireno, el 22 por ciento en moles de acrilato de 2-etilhexilo y el 18 por ciento en moles de metacrilatos de metilo con una Tg de aproximadamente 45 °C (disponible como la emulsion de polfmero Neocryl XA-6037 de ICI Americas, Inc., Bridgewater, N.J.); un copolfmero cuyas unidades interpolimerizadas se derivan de aproximadamente el 51 por ciento en moles de estireno, el 12 por ciento en moles de a-metilestireno, el 17 por ciento en moles de acrilato de 2-etilhexilo y el 19 por ciento en moles de metacrilatos de metilo con una Tg de aproximadamente 44 °C (disponible como la emulsion de polfmero Joncryl 537 de S.C. Johnson & Sons, Racine, Wis.); y un terpolfmero cuyas unidades interpolimerizadas se derivan de aproximadamente el 54 por ciento en moles de estireno, el 23 por ciento en moles de acrilato de 2-etilhexilo y el 23 por ciento en moles de acrilonitrilo con una Tg de aproximadamente 44 °C (disponible como la emulsion de polfmero Carboset.TM. XPD-1468 de B.F. Goodrich Co.). En una realizacion, el polfmero de union es Joncryl.TM. 537.
Como se ha descrito anteriormente, el fosfato o polifosfato de aluminio preparado segun diversas realizaciones descritas en el presente documento puede usarse para formular pinturas al latex como pigmento, solo o en combinacion con otro pigmento.
Pigmentos cubrientes adicionales adecuados incluyen pigmentos cubrientes opacificantes blancos y pigmentos organicos e inorganicos coloreados. Ejemplos representativos de pigmentos cubrientes opacificantes blancos adecuados incluyen dioxidos de titanio de rutilo y anatasa, litopon, sulfuro de cinc, titanato de plomo, oxido de antimonio, oxido de circonio, sulfato de bario, blanco de plomo, oxido de cinc, oxido de cinc con plomo, y similares, y mezclas de los mismos. En una realizacion, el pigmento cubriente organico blanco es dioxido de titanio de rutilo. En otra realizacion, el pigmento cubriente organico blanco es dioxido de titanio de rutilo que tiene un tamano de partfcula promedio entre aproximadamente 0,2 y 0,4 micrometres. Ejemplos de pigmentos organicos coloreados son azul ftalo y amarillo hansa. Ejemplos de pigmentos inorganicos coloreados son oxido de hierro rojo, oxido marron, ocres y marrones oscuros.
La mayona de las pinturas al latex conocidas contienen espesantes para modificar las propiedades reologicas de la pintura para garantizar la buena extension, manipulacion y caractensticas de aplicacion. Espesantes adecuados incluyen un espesante no celulosico, en una realizacion, un espesante asociativo; en otra realizacion, un espesante asociativo de uretano.
Espesantes asociativos tales como, por ejemplo, copolfmeros acnlicos hinchables en alcali hidrofobamente modificados y copolfmeros de uretano hidrofobamente modificados confieren generalmente mas reologfa newtoniana a las pinturas en emulsion en comparacion con espesantes convencionales tales como, por ejemplo, espesantes celulosicos. Ejemplos representativos de espesantes asociativos adecuados incluyen acidos poliacnlicos (disponibles, por ejemplo, de Rohm & Haas Co., Philadelphia, Pa., como Acrysol RM-825 y QR-708 Rheology Modifier) y atapulgita activada (disponible de Engelhard, Iselin, N.J. como Attagel 40).
Las pelreulas de pintura al latex se forman por coalescencia del polfmero de union para formar una matriz de union a la temperatura ambiente de aplicacion de la pintura para formar una pelfcula libre de adhesividad dura. Los disolventes de coalescencia ayudan en la coalescencia del ligante formador de pelreula reduciendo la temperatura de formacion de pelreulas. Las pinturas al latex contienen preferentemente un disolvente de coalescencia. Ejemplos representativos de disolventes de coalescencia adecuados incluyen 2-fenoxietanol, eter butflico de dietilenglicol, ftalato de dibutilo, dietilenglicol, monoisobutirato de 2,2,4-trimetil-1,1,3-pentanodiol, y combinaciones de los mismos. En una realizacion, el disolvente de coalescencia es eter butflico de dietilenglicol (butilcarbitol) (disponible de Sigma- Aldrich, Milwaukee, Wis.) o monoisobutirato de 2,2,4-trimetil-1,1,3-pentanodiol (disponible de Eastman Chemical Co., Kingsport, Tenn., como Texanol), o combinaciones de los mismos.
El disolvente de coalescencia se utiliza preferentemente a un nivel entre aproximadamente 12 a 60 gramos o aproximadamente 40 gramos de disolvente de coalescencia por litro de pintura al latex o a aproximadamente del 20 al 30 por ciento en peso basado en el peso de los solidos de polfmero en la pintura.
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Las pinturas formuladas segun diversas realizaciones proporcionadas en el presente documento pueden comprender ademas materiales convencionales usados en pinturas tales como, por ejemplo, plastificante, agente antiespumante, extendedor de pigmentos, ajustador del pH, color de tintado y biocida. Tales componentes tipicos se enumeran, por ejemplo, en TECHNOLOGY OF PAINTS, VARNISHES AND LACQUERS, editado por C. R. Martens, R.E. Kreiger Publishing Co., p. 515 (1974).
Las pinturas se formulan comunmente con "extendedores funcionales" para aumentar la cobertura, reducir el coste, lograr la durabilidad, alterar el aspecto, controlar la reologfa e influir en otras propiedades deseables. Ejemplos de extendedores funcionales incluyen, por ejemplo, sulfato de bario, carbonato calcico, arcilla, yeso, sflice y talco.
Los extendedores funcionales mas comunes para pinturas lisas interiores son arcillas. Las arcillas tienen varias propiedades que las hacen deseables. Las arcillas calcinadas economicas, por ejemplo, son utiles en controlar la viscosidad de bajo cizallamiento y tienen una gran area superficial interna, que contribuye a "cubricion seca". Pero este area superficial tambien esta disponible para atrapar manchas.
Debido a su tendencia a absorber manchas, es preferible que las arcillas calcinadas se usen en las pinturas solo en las pequenas cantidades requeridas para el control de la reologfa, por ejemplo, normalmente como menos de aproximadamente la mitad del pigmento de extendedor total, o no se usen en absoluto. Extendedores a modo de ejemplo para su uso en las pinturas descritas en el presente documento son carbonatos calcicos; que en ciertas realizaciones son carbonatos calcicos molidos ultra-finos tales como, por ejemplo, Opacimite (disponible de ECC International, Sylacauga, Ala.), Supermite (disponible de Imerys, Roswell, Ga.), u otros que tienen tamano de partfcula de aproximadamente 1,0 a 1,2 micrometros. El carbonato calcico ultra-fino ayuda a separar el dioxido de titanio optimamente para la cubricion (vease, por ejemplo, K. A. Haagenson, "The effect of extender particle size on the hiding properties of an interior latex flat paint", American Paint & Coatings Journal, Apr. 4, 1988, pp. 89-94).
Las pinturas al latex formuladas segun diversas realizaciones descritas en el presente documento pueden prepararse utilizando tecnicas convencionales. Por ejemplo, algunos de los componentes de pintura se combinan generalmente juntos bajo alto cizallamiento para formar una mezcla comunmente denominada "la molienda" por los formuladores de pinturas. La consistencia de esta mezcla es comparable a la del barro, que se desea con el fin de dispersar eficazmente los componentes con un agitador de alto cizallamiento. Durante la preparacion de la molienda, se usa energfa de alto cizallamiento para romper las partfculas de pigmento aglomeradas.
Los componentes no incluidos en la molienda se denominan comunmente "la dilucion". La dilucion es normalmente mucho menos viscosa que la molienda, y normalmente se usa para diluir la molienda para obtener una pintura final con la consistencia apropiada. La mezcla final de la molienda con la dilucion normalmente se lleva a cabo con mezcla de bajo cizallamiento.
La mayona de los latex de polfmero no son estables al cizallamiento y, por tanto, no se usan como componente de la molienda. La incorporacion de latex inestables al cizallamiento en la molienda puede producir la coagulacion del latex, dando una pintura grumosa con ninguna, o poca, capacidad de formacion de pelfculas. Por consiguiente, las pinturas se preparan generalmente anadiendo el polfmero de latex en la dilucion. Sin embargo, algunas pinturas formuladas segun diversas realizaciones descritas en el presente documento contienen polfmeros de latex que son generalmente estables al cizallamiento. Por tanto, las pinturas al latex pueden prepararse incorporando algunos o todos del polfmero de latex en la molienda. En una realizacion, al menos alguno del polfmero de latex se pone en la molienda.
Ejemplos de posibles formas del proceso se describen a continuacion. De nuevo, un experto en la materia reconocera variantes que pueden utilizarse en la realizacion del novedoso proceso descrito en el presente documento. Los siguientes ejemplos se presentan para ejemplificar realizaciones de la invencion. Todos los valores numericos son aproximados. Cuando se dan intervalos numericos, debe entenderse que las realizaciones fuera de los intervalos establecidos pueden todavfa entrar dentro del alcance de la invencion. Detalles espedficos descritos en cada ejemplo no deben interpretarse como caractensticas necesarias de la invencion.
Ejemplo 1
Preparacion de polvo de fosfato de aluminio
Se hicieron reaccionar 791 g de acido fosforico (81,9 % en peso de H3PO4 o 59,3 % en peso de P2O5) con 189 g de hidroxido de aluminio hidratado (85,3 % en peso de Al(OH)3 o 58,1 % en peso de A^Oa) en 210 g de agua a 80 °C durante 1 h (relacion molar final P/Al = 2,99) para obtener una solucion acida de un fosfato de aluminio. En la segunda etapa, se anadieron 1155 g de solucion de aluminato de sodio purificada comercial (9,7 % en peso de Al y 11,2 % en peso de Na o 18,3 % en peso de A^Oa y 15,7 % en peso de Na2O, Na/Al final = 1,36) simultaneamente con solucion acida de un fosfato de aluminio a un recipiente con agitacion cargado con 1500 g de agua a temperatura ambiente.
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El pH de la reaccion final fue 7,1 y la temperature durante la reaccion se mantuvo a 45 °C. La dispersion resultante se centrifugo (30 min, 2500 rpm - fuerza centnfuga relativa: 1822 g) para eliminar el Uquido de reaccion, formando una torta que se lavo con agua una vez (1000 g de agua de lavado) dando una torta humeda blanca (3300 g) con 27,0 % en peso de contenido de no volatiles (902 g en base seca segun ASTM D 280) y pH 7,3. La suspension se seco por pulverizacion dando 1090 g de polvo de fosfato de aluminio (aprox. el 83 % en peso de contenido de no volatiles).
Ejemplo 2
Preparacion de suspension de fosfato de aluminio
Se anadieron 10,0 g de agua a un vaso de precipitados de 250 ml. Mientras que se mezclaba a 800 rpm (Cowles), se anadieron aproximadamente 1,34 g (1 % del contenido de no volatiles) de polifosfato de sodio. Despues de 5 min, se anadieron lentamente 150,0 g de suspension de fosfato de aluminio (30 % de no volatiles) (25 g/min). Despues de otros 5 min, la velocidad del agitador se aumento a 1800 rpm y se anadieron lentamente 109,0 g de polvo de fosfato de aluminio (80 % de no volatiles) (10 g/min). Despues de la adicion del polvo, la suspension se mantuvo con agitacion a 1800 rpm durante 20 min.
Ejemplo 3
Preparacion de suspension de fosfato de aluminio
Se anadieron 72,0 g de agua a un vaso de precipitados de 250 ml. Mientras que se mezclaba a 800 rpm (Cowles), se anadieron aproximadamente 0,96 g (1 % del contenido de no volatiles) de polifosfato de sodio. Despues de 5 min, la velocidad del agitador se aumento a 1800 rpm y se anadieron lentamente 122,0 g de polvo de fosfato de aluminio (80 % de no volatiles) (10 g/min). Despues de la adicion del polvo, la suspension se mantuvo a 1800 rpm durante 20 min.
Ejemplo 4
Preparacion de suspension de fosfato de aluminio
Se anadieron 72,0 g de agua a un vaso de precipitados de 250 ml. Mientras que se mezclaba a 800 rpm (Cowles), se anadieron aproximadamente 0,96 g (1 % del contenido de no volatiles) de polifosfato de sodio. Despues de 5 min, la velocidad del agitador se aumento a 1800 rpm y se anadieron lentamente 122,0 g de polvo de fosfato de aluminio preparado segun el Ejemplo 1 usando secadora por pulverizacion (80 % de no volatiles) (10 g/min). Despues de la adicion del polvo, la suspension se mantuvo a 1800 rpm durante 20 min.
Ejemplo 5
Proceso de secado para la suspension de fosfato de aluminio
Se alimento una suspension de fosfato de aluminio que contema 27 % de contenido de no volatiles, pH igual a 7,5 y viscosidad 114 cP a 129 s-1 en una secadora por pulverizacion usando las condiciones de operacion:
Caudal de entrada de suspension: 1 l.h-1;
Flujo de aire soplado: 50 ml.min-1;
Columna calentada a 120 °C; y Anchura de la boquilla: 1 mm.
El contenido de no volatiles en polvo seco final fue de aprox. el 83 % (ASTM D280).
Resultados de los Ejemplos 2-4
El contenido de no volatiles y la viscosidad a 129,1 s-1 (24 h despues de preparacion) de las suspensiones obtenidas se presentan en la Tabla 1.
Tabla 1. Contenido de no volatiles y viscosidad a 129,1 s-1 (24 h despues de la preparacion) de diferentes
suspensiones.
Suspension preparada segun el No volatiles (%) Viscosidad (cPs)

Ejemplo 2 51,5 701

Ejemplo 3 50,3 1103

Ejemplo 4 49,5 660
Se midio el contenido de no volatiles segun ASTM D280: Las muestras se secaron a 110 °C durante 2 h. La viscosidad se midio con un viscosfmetro Contraves Rheotherm, velocidad de cizallamiento a 129,1 s-1
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Se uso suspension al 50 % de contenido de no volatiles para formular pintura donde el 50 % de TiO2 se sustituyo con fosfato de aluminio. A continuacion se proporcionan las propiedades de aplicacion de la pintura preparada usando suspension al 50 % de contenido de no volatiles:
Descripcion
Hegman
5H
Viscosidad de Stormer
98 KU
pH
9,10
Opacidad
91,37 %
Blancura
75,94 %
Amarilleamiento
4,17 %
Como se ha mencionado, una pintura de base agua de dioxido de titanio basica esta constituida por una dispersion de latex adecuada y partmulas de pigmento. Las partmulas de pigmento son responsables de hacer una pelfcula de coalescencia rellena de las partmulas pigmentadas, y el pigmento es responsable de la potencia cubriente de la pelmula. Tambien se usan muchos aditivos, tales como: cargas inorganicas, que disminuyen los requisitos de resina y pigmento; agentes de coalescencia, que mejoran la formacion de pelfculas de resina; dispersantes y modificadores reologicos, que previenen el endurecimiento del pigmento y la carga y asf mejoran la estabilidad en almacen de la pintura junto con las propiedades reologicas de la pintura.
En una pelmula seca de pintura tfpica, el pigmento y las partmulas de carga se dispersan en la pelfcula de resina. La potencia cubriente es ampliamente dependiente de los indices de refraccion y los tamanos de las partmulas. Como se ha mencionado, el dioxido de titanio es actualmente el pigmento blanco estandar debido a su gran mdice de refraccion y a la ausencia de absorcion de luz en la region visible. Una pelmula seca de una pintura formulada con el novedoso fosfato de aluminio en algunas realizaciones tiene varias diferencias de la pelmula seca de pintura tipica. Primero, la pelmula con el fosfato de aluminio no es solo una pelmula de resina. Esta formada mas bien por resina y fosfato de aluminio enredados. Asf, una pelmula de nanocompuesto que combina dos fases interpenetrantes con diferentes propiedades para lograr beneficios sinergicos, referente a las propiedades mecanicas de la pelmula y la resistencia al agua y a otros agentes agresivos. Segundo, la buena potencia cubriente de la pelmula se obtiene a contenidos de dioxido de titanio mas bajos, debido a que la pelmula contiene una gran cantidad de poros cerrados que dispensan la luz. Ademas, si una partmula de dioxido de titanio esta adyacente a uno de estos huecos, dispersara mucha mas que si esta completamente rodeada por resina, debido al mayor gradiente del mdice de refraccion. Esto crea una sinergia entre el fosfato de aluminio novedoso y el dioxido de titanio, en lo que se refiere a la potencia cubriente.
En pruebas que comparan una pelmula seca de pintura estandar con una pelmula con fosfato de aluminio, se eligio una formulacion del mercado estandar de una pintura acnlica semi-mate y se sustituyo progresivamente el dioxido de titanio con el producto de fosfato de aluminio descrito en el presente documento. Se ajustaron el contenido de agua y otros componentes de pintura segun se requiriera. Varias de las modificaciones en la formula en esta realizacion estan relacionadas con un uso reducido de espesante/modificador de la reologfa, dispersante, resina acnlica y agente de coalescencia.
La realizacion preferida del proceso desvelado en el presente documento solo tiene dos etapas qmmicas de los materiales de partida primarios y dependiendo de la composicion qmmica final del fosfato de aluminio, podna realizarse por solo una etapa qmmica. En ciertas realizaciones, el consumo de agua sena significativamente reducido debido a que esta via qmmica usa una pequena cantidad de agua de proceso. Por tanto, esta nueva via qmmica no genera efluentes, o ningun subproducto qmmico.
Ademas, el producto y proceso proporcionados en el presente documento tambien puede estar libre de problemas de corrosion asociados a algunos fosfatos de aluminio encontrados en el mercado y usados en la transformacion de oxidos de hierro en fosfato de hierro. Ademas, la no estequiometna junto con la relativa no cristalinidad (ambos en forma de suspension y de polvo) y el contenido de agua cuidadosamente controlado del polvo seco permiten el facil control del hinchamiento, que es beneficioso para su rendimiento. Las partmulas de tamano nanometrico se dispersan facilmente y son estables a la sedimentacion, que permite dispersiones de pintura uniformes. Por tanto, las nanopartmulas pueden ser fuertemente compatibles con partmulas de latex, por los mecanismos de adhesion capilar (en la etapa de secado de la dispersion), seguido de adhesion electrostatica mediada por agrupaciones de iones (en la pelmula seca) - pueden formarse redes bicontinuas, en muchos casos. Finalmente, el producto tambien es fuertemente compatible con muchos otros solidos en partmulas comunmente usados como cargas de pinturas, tales como los diversos silicatos, carbonatos y oxidos encontrados en dispersiones basadas en agua formuladas, que pueden contribuir a la cohesion y fuerza de la pelmula seca de pintura.
En ciertas realizaciones, la ventaja de esta via qmmica incluye la reduccion de materiales de partida, el uso de productos, la reduccion de etapas qmmicas y la eliminacion de efluentes y residuos, la eliminacion del subproducto de sulfato de aluminio, reduccion del tratamiento de agua residual, la posible eliminacion de la separacion solido- lfquido y la eliminacion de lavado del solido.
Ademas, la reaccion en la segunda etapa qmmica y la etapa de dispersion (formacion de la suspension) podnan realizarse en solo una unidad de proceso, con la posibilidad de ajustar la distribucion del tamano de partfcula en el reactor durante la formacion del fosfato de aluminio controlando la tension de cizallamiento de los reactantes durante la precipitacion, para conseguir directamente la suspension final de fosfato de aluminio.
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Por tanto, la composicion de la suspension para el proceso de secado por pulverizacion podna ajustarse directamente a partir del reactor para obtener la viscosidad especificada, distribucion del tamano de partfcula y polvo de rapida re-disolucion.
10 Como se demuestra anteriormente, las realizaciones descritas en el presente documento proporcionan un metodo de preparacion de una dispersion que comprende fosfato de aluminio amorfo segun la reivindicacion 1. Tambien se proporciona una suspension de fosfato de aluminio que comprende aproximadamente 20-60 % de no volatiles como se define en la reivindicacion 3.

Claims (16)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un proceso de preparacion de una dispersion que comprende fosfato o polifosfato de aluminio amorfo, comprendiendo el proceso hacer reaccionar acido fosforico, hidroxido de aluminio y aluminato de sodio; o hacer reaccionar fosfato de aluminio y aluminato de sodio.
  2. 2. El proceso de la reivindicacion 1, en el que el aluminato de sodio se usa en forma de una solucion acuosa a pH superior a 12.
  3. 3. Una suspension que comprende 20-60 % de fosfato o polifosfato de aluminio amorfo en peso medido segun ASTM D280 y un agente dispersante seleccionado de polifosfato de sodio, copolfmero de polieter y polisiloxano, o una combinacion de los mismos, y en la que la suspension tiene una viscosidad que oscila de 50 cPs a 150 cPs.
  4. 4. La suspension de la reivindicacion 3, en la que el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo tiene una densidad esqueletica de entre 1,95 y 2,50 gramos por centfmetro cubico y una relacion molar de fosforo con respecto a aluminio de 1.
  5. 5. La suspension de cualquiera de las reivindicaciones 3-4, en la que el fosfato de aluminio amorfo comprende 1 a 4 huecos por partfcula de polvo de fosfato o polifosfato de aluminio amorfo.
  6. 6. La suspension de la reivindicacion 3, en la que el agente dispersante es polifosfato de sodio.
  7. 7. La suspension de la reivindicacion 3, en la que la suspension comprende 50 % de fosfato de aluminio amorfo en peso.
  8. 8. La suspension de la reivindicacion 3, en la que el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo tiene una distribucion del tamano de partfcula entre 0,1 y 5 micrometres.
  9. 9. Una dispersion que comprende partreulas de fosfato o de polifosfato de aluminio amorfo que tienen una distribucion del tamano de partfcula entre 0,1 y 5 micrometros.
  10. 10. La dispersion de la reivindicacion 9, en la que el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo tiene una distribucion del tamano de partfcula entre 0,2 y 0,6 micrometros, entre 0,6 y 1,0 micrometros, entre 1,0 y 1,5 micrometros, entre 1,0 y 3,0 micrometros, o entre 1,60 y 3,82 micrometros.
  11. 11. La dispersion de la reivindicacion 9, en la que el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo tiene una densidad esqueletica de entre 1,95 y 2,50 gramos por centfmetro cubico y una relacion molar de fosforo con respecto a aluminio de 1.
  12. 12. La dispersion de la reivindicacion 9 o la suspension de la reivindicacion 3, en la que el fosfato o polifosfato de aluminio amorfo comprende ademas un ion, opcionalmente en la que el ion es sodio, potasio o litio.
  13. 13. El proceso de la reivindicacion 1 que comprende la etapa de:
    combinar acido fosforico con hidroxido de aluminio para producir una solucion de fosfato de aluminio; y
    anadir aluminato de sodio a la solucion de fosfato de aluminio para formar una dispersion que comprende dispersa
    partreulas de fosfato de aluminio amorfo.
  14. 14. El proceso de la reivindicacion 13, en el que antes de la etapa de anadir aluminato de sodio, la solucion de fosfato de aluminio tiene un pH inferior a aproximadamente 3,5.
  15. 15. El proceso de la reivindicacion 14, en el que el aluminato de sodio se proporciona como una solucion acuosa que tiene un pH superior a aproximadamente 10.
  16. 16. El proceso de la reivindicacion 13, en la que las partreulas de fosfato de aluminio amorfo estan libres de poros abiertos mientras que contienen varios poros cerrados.
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