ES2683097T3 - Compuesto celulósico - Google Patents
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Abstract
Un compuesto celulósico que comprende material celulósico y un aglutinante que comprende un aldehído y una sal de amina de un ácido inorgánico, en donde (i) el aldehído es un mono-, di- o polisacárido reductor y (ii) la amina es una diamina alifática o cicloalifática que tiene al menos un grupo amino primario.
Description
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DESCRIPCION
Compuesto celulosico Antecedentes
El asunto de la invencion se refiere a un compuesto celulosico que usa una composicion aglutinante mejorada. Mas espedficamente, la invencion se refiere a un compuesto celulosico que emplea como aglutinante una composicion curable mejorada que comprende una mezcla de un aldefndo o cetona con una sal de amina de un acido inorganico. Tras el curado, se forma una composicion polimerica insoluble en agua.
Los productos de madera compuesta que se preparan a partir de diversos materiales lignocelulosicos (por ejemplo, madera) se conocen desde hace siglos, aunque la produccion industrial comenzo hace apenas un siglo. Entre otras cosas, estos productos ofrecen un costo relativamente bajo y una relacion entre resistencia y peso razonablemente alta. En consecuencia, se utilizan en una serie de capacidades que incluyen construccion interior y exterior, muebles e incluso aplicaciones marinas. Existen varios productos de madera compuesta distintos, que incluye madera contrachapada, tableros de fibra orientada, tableros de partmulas y tableros de fibra de densidad media (MDF).
Un tipo de artmulo compuesto moldeado es un compuesto celulosico (o lenoso) que incluye tableros artificiales de laminas de madera unidas y/o materiales lignocelulosicos, comunmente denominados en la tecnica por los siguientes terminos de ejemplos: tableros de fibra tales como tableros duros, tableros de fibra de densidad media y tableros blandos; tableros de partmulas tales como tableros de partmulas, tableros de carton prensado, tableros aglomerados, tableros de partmulas, tableros de fibras y tableros de obleas. Los compuestos de madera tambien incluyen tableros artificiales que comprenden combinaciones de estos materiales. Estos compuestos de madera se pueden utilizar como columnas, suelos, techos, paredes, puertas, revestimientos y escaleras en la construccion de casas, oficinas y otros tipos de edificios, asf como componentes de muebles, tales como sillas, mesas, mostradores, armarios, y puertas de armarios, por ejemplo.
En la tecnica se conocen muchos metodos diferentes de fabricacion de materiales compuestos de madera tales como, por ejemplo, los descritos en la patente de EEUU n° 6.841.231. Los principales procesos para la fabricacion de tableros de fibra incluyen: (a) procesos de fieltro humedo/prensado en humedo o "humedos"; (b) procesos de fieltro seco/prensado en seco o "secos"; y, (c) procesos de fieltro humedo/prensado en seco o "humedo-seco". Las resinas aglutinantes sinteticas, tales como resinas amino, resinas de urea-formaldefndo, resinas de fenol-formaldefndo o resinas de fenol-formaldetndo modificadas, se usan a menudo como aglutinantes en estos procesos. Otros aglutinantes incluyen, pero no estan limitados, almidones, asfalto y gomas.
Productos tales como tableros de partmulas y MDF se preparan tfpicamente a partir de una composicion de resina adhesiva y materiales lignocelulosicos triturados tales como copos de madera o fibras de madera. La fabricacion de tableros de partmulas y MDF comienza con la reduccion de las partmulas de madera a un tamano de partmula o una fibra, que ocasionalmente se denominara en la presente memoria como una composicion. Esta composicion se mezcla a continuacion con una resina adhesiva y se transporta a un dispositivo de formado, que conforma la mezcla en una esterilla. La esterilla se carga luego en una prensa calentada que da forma y presuriza la esterilla al grosor deseado. La presion y el calor juntos actuan para curar la resina, que une la mezcla en un panel o tablero. El rendimiento de union se ve afectado, entre otros factores, por la cantidad y el tipo de resina, el tiempo de curado y la presion de curado.
En la patente de EEUU n° 7.217.458, se tratan los tableros OSB. La tabla de fibras orientadas ("OSB") esta disponible comercialmente. El material OSB generalmente esta formado por multiples capas de "escamas" o "hebras" de madera unidas mediante un aglutinante de resina bajo calor y compresion para proporcionar una estructura de junta unitaria. Los copos se hacen cortando troncos en laminas finas con un filo de cuchillo orientado en paralelo a la longitud de un tronco descortezado. Las escamas cortadas se rompen en hebras estrechas que generalmente tienen longitudes orientadas paralelas al grano de la madera que son mas grandes que las hebras anchas.
En una fabricacion comun de tableros de fibras orientadas, los copos generalmente se secan primero para eliminar el agua, y luego se recubren en una mezcladora con una capa delgada de aglutinante y agente de encolado. Los copos recubiertos se extienden entonces sobre una cinta transportadora para proporcionar una chapa o capa superficial que tiene escamas orientadas generalmente en lmea con la cinta transportadora, luego se depositan una o mas capas que formaran una capa interior o capas de la placa acabada en la capa de la superficie de modo que una o mas capas se oriente(n) generalmente perpendicular a la cinta transportadora. Despues, otra capa de superficie que tiene escamas orientadas generalmente en lmea con la cinta transportadora se deposita sobre la o las capas interpuestas que tienen escamas orientadas generalmente perpendiculares a la cinta transportadora. La estructura que resulta incluye capas que tienen escamas orientadas generalmente perpendiculares a una capa contigua en la misma, tal como para cada capa superficial y la capa interior contigua. Las capas de "hilos" o "copos" orientados finalmente se exponen al calor y la presion para unir los hilos y el aglutinante para formar una estructura de tablero consolidado. Tambien se conocen otras variaciones en este esquema basico de fabricacion. El producto resultante se corta a medida y se envfa. Tfpicamente, la resina y el agente de encolado comprenden menos del 10% en peso del tablero de fibras orientadas.
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Los sistemas de resinas predominates en la industria de la madera compuesta son resinas de urea formaldetffdo (UF) y fenol formaldetffdo (PF). Aunque estas resinas a base de formaldetffdo funcionan de forma consistente, las propiedades ffsicas de los productos de madera compuestos preparados con resinas a base de formaldetffdo a menudo son insatisfactorias. Por ejemplo, la resistencia de adhesion interna de los productos de madera compuestos a menudo los hace inadecuados para ciertas aplicaciones exigentes. Ademas, tales productos son comunmente susceptibles de hincharse significativamente al exponerse a humedad. Como consecuencia de estos y otros factores, los productos de madera compuesta preparados con resinas UF y PF son a menudo menos robustos de lo deseado.
En la actualidad, se estan investigando alternativas a las resinas basadas en formaldetffdo. Vease, por ejemplo, la patente de EEUU numero 6.822.042. Las alternativas potencialmente atractivas incluyen sistemas de resina que emplean isocianatos. Se ha demostrado que dichos sistemas de resina imparten propiedades ffsicas marcadamente mejoradas a los productos de madera compuesta. Por ejemplo, las resinas concentradas basadas en isocianato aumentan la fuerza de adhesion y, por lo tanto, ofrecen un producto de madera compuesto mas robusto y duradero. Desafortunadamente, las resinas basadas en isocianato tambien tienen varios inconvenientes conocidos que han limitado su utilidad comercial. Primero, los isocianatos son relativamente caros en comparacion con otros materiales de resina. En consecuencia, las resinas concentradas basadas en isocianato son antieconomicas en comparacion con las resinas tradicionales basadas en formaldetffdo. En segundo lugar, a diferencia de las resinas UF y PF, los isocianatos son altamente reactivos con el agua. En consecuencia, los isocianatos reaccionan rapidamente con cualquier agua presente en la pasta de madera o en la propia resina. Esto limita tanto la vida util de la resina como los materiales lignocelulosicos con los que se puede usar. En tercer lugar, los isocianatos son toxicos y su uso crea preocupaciones ambientales, de salud e higiene industrial. Por lo tanto, las consideraciones de seguridad del proceso influyen contra el uso de resinas concentradas basadas en isocianato.
Por consiguiente, en un aspecto la presente invencion proporciona un nuevo compuesto celulosico que comprende un unico aglutinante libre de formaldetffdo.
Otro aspecto de la invencion proporciona un nuevo compuesto celulosico con un aglutinante que proporciona la posibilidad de un menor uso de aglutinante, la posibilidad de un consumo de energfa total menor, una mayor sostenibilidad de las materias primas utilizadas en la formacion del aglutinante, una reduccion considerable en el uso de ingredientes a base de petroleo y econoirna global mejorada.
Aun otro aspecto mas de la presente invencion es proporcionar un compuesto celulosico que emplea un aglutinante unico que tiene factores economicos mejorados, factores de salud, seguridad y medioambiente mejorados al eliminar formaldetffdo e isocianato, a la vez que tambien disfruta de propiedades ffsicas mejoradas.
Estos y otros aspectos de la presente invencion seran evidentes para el experto en la tecnica tras una revision de la siguiente descripcion y las reivindicaciones adjuntas a la misma.
Compendio de la invencion
Se proporciona un compuesto celulosico reivindicado en la reivindicacion 1. El acido preferido es acido fosforico. Esta composicion despues del curado es capaz de formar un aglutinante insoluble en agua.
Tambien se proporciona en la reivindicacion 7 un proceso para preparar el compuesto celulosico de la reivindicacion 1. La composicion se cura mientras esta presente en mezcla con el material celulosico para formar un aglutinante insoluble en agua.
Descripcion detallada de realizaciones preferentes.
El compuesto celulosico esta compuesto de material celulosico y un aglutinante. El material celulosico puede derivar de cualquier fuente celulosica sintetica o natural tal como madera o plantas. Se prefiere que se use un material celulosico de madera para preparar un tablero de parffculas o un tablero de fibras orientadas.
Las fibras celulosicas tales como, por ejemplo, las fibras de madera se preparan mediante la fibrizacion de material de viruta de madera en un refinador presurizado, un refinador atmosferico, un refinador mecanico y/o un refinador termoqmmico. Generalmente, en un proceso en humedo, las fibras celulosicas se mezclan en un recipiente con grandes cantidades de agua para formar una pasta. La pasta preferiblemente tiene suficiente contenido de agua para suspender la mayoffa de las fibras de madera y preferiblemente tiene un contenido de agua de al menos 95 por ciento en peso (% en peso). El agua se usa para distribuir el aglutinante de resina sintetica sobre las fibras de madera. Esta mezcla se deposita sobre un miembro de soporte permeable al agua, tal como una pantalla fina o un alambre de Fourdrinier, y se precomprime, por lo que se elimina gran parte del agua para dejar una estera humeda de material celulosico que tiene, por ejemplo, un contenido de humedad de al menos aproximadamente 50% en peso basado en el peso del material celulosico seco. La estera humeda se transfiere a una prensa y se consolida bajo calor y presion para formar el compuesto de madera moldeada.
Tambien se puede utilizar un proceso de formado humedo-seco para producir compuestos de madera. Preferiblemente, un proceso de secado en humedo-seco comienza mezclando material celulosico (por ejemplo, fibras de madera) en un recipiente con una gran cantidad de agua. Esta pasta se mezcla luego con un aglutinante de resina.
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Despues la mezcla se deposita en un miembro de soporte permeable al agua, donde se elimina un gran porcentaje (por ejemplo, 50% en peso o mas) del agua, dejando asf una estera humeda de material celulosico que tiene un contenido de agua de aproximadamente 40% en peso a aproximadamente 60% en peso, por ejemplo. Esta estera humeda se transfiere a una zona donde gran parte del agua restante se elimina por evaporacion por calor para formar una estera seca. La estera seca tiene preferiblemente un contenido de humedad de aproximadamente l0% en peso o menos. La estera seca se puede terminar en este punto o se transfiere a una prensa y se consolida bajo calor y presion para formar un compuesto de madera de mayor densidad que puede ser una placa plana o un producto moldeado, por ejemplo. El producto se puede moldear en diversas formas o geometnas dependiendo del uso previsto.
En un proceso de formado en seco, las fibras celulosicas se transportan generalmente en una corriente gaseosa o por medios mecanicos. Por ejemplo, las fibras suministradas desde un aparato de fibrizacion (por ejemplo, un refinador presurizado) se pueden recubrir con la composicion de aglutinante en un procedimiento de combinacion de lmea de soplo, en el que la resina se mezcla con la fibra con la ayuda de la turbulencia de aire. Despues de eso, las fibras recubiertas de resina de la lmea de soplo se pueden formar aleatoriamente en una esterilla soplando con aire las fibras sobre un miembro de soporte. Opcionalmente, las fibras, ya sea antes o despues de la formacion de la estera, se pueden someter a secado previo a la prensa, por ejemplo en un secador similar a un tubo. La esterilla formada, que tiene tfpicamente un contenido de humedad de menos de aproximadamente 10% en peso, y preferiblemente de aproximadamente 5% en peso a aproximadamente 10% en peso, luego se presiona bajo calor y presion para curar la resina termoendurecible y comprimir la estera en una estructura integral consolidada.
Como una alternativa al prensado convencional, el prensado por inyeccion de vapor es una etapa de consolidacion que se puede usar, por ejemplo, bajo ciertas circunstancias en la produccion en el proceso seco y humedo-seco de compuestos de celulosa consolidados. En el prensado por inyeccion de vapor, el vapor se inyecta a traves de las placas perforadas de la prensa de calentamiento, dentro, a traves y luego fuera de una estera que incluye la resina sintetica y el material de relleno. El vapor se condensa en las superficies del relleno y calienta la estera. El calor transferido por el vapor a la estera, asf como el calor transferido desde los platos de la prensa a la estera hacen que la resina se cure.
El aglutinante de la presente invencion, que se emplea en la fabricacion del compuesto celulosico comprende esta compuesto por el aglutinante definido en la reivindicacion 1.
La sal es una sal de amina de un acido inorganico en el que la amina se define en la reivindicacion 1. Se puede usar cualquier acido inorganico adecuado. Los acidos pueden ser acidos oxigenados o acidos no oxigenados. Los ejemplos de acidos oxigenados adecuados incluyen, pero no se limitan a, acido fosforico, acido pirofosforico, acido fosforoso, acido mtrico, acido sulfurico, acido sulfuroso, acido borico, acido clorhndrico y acido clorato. Los ejemplos de acidos no oxigenados incluyen, pero no se limitan a, acido clorhndrico, sulfuro de hidrogeno y fosfina. El acido fosforico es el mas preferido.
La sal se puede preparar usando cualquier tecnica convencional para crear sales de acidos inorganicos segun se define en la reivindicacion 1. Tambien se prefieren las sales de acido de amina, obteniendose tales sales haciendo reaccionar la amina seleccionada con el acido en agua. Esta es una reaccion muy simple y directa. La relacion molar entre la funcionalidad acida y la funcionalidad amina puede variar, y generalmente es de 1:25 a 25:1. Mas preferida es una relacion de 1:5 a 5:1, siendo la relacion mas preferente aproximadamente 1:2 a 2:1.
Aminas o aminas cicloalifaticas segun se definen en la reivindicacion 1. Las aminas pueden ser lineales o ramificadas. La funcionalidad de amina funcional es la que tiene al menos un grupo amino primario o secundario. Las aminas pueden incluir otras funcionalidades y enlaces tales como alcoholes, tioles, esteres, amidas, eteres y otros. Las aminas representativas que son adecuadas para su uso en una realizacion de este tipo incluyen 1,2-dietilamina, 1,3- propanodiamina, 1,4-butanodiamina, 1,5-pentanodiamina, 1,6-hexanodiamina, a, a'-diaminoxileno y mezclas de estos. Las diaminas preferidas para usar en esta realizacion de la invencion son 1,4-butanodiamina y 1,6-hexanodiamina. Tambien se pueden usar aminoacidos naturales y sinteticos como lisina, arginina, histidina, etc.
A la disolucion de la sal de amina del acido inorganico se anade el aldehndo. Debido a su mayor reactividad, los aldehndos son preferidos a las cetonas. La composicion comprende la sal de amina de un acido inorganico segun se define en la reivindicacion 1. Existe una pequena cantidad de reaccion dentro de la composicion entre los componentes. Sin embargo, la reaccion se completa durante la etapa de curado, seguida de la reaccion de reticulacion del curado.
Se usan reductores de monodiacidos y polisacaridos tales como fructosa, glucosa, maltosa, celobiosa, etc., siendo preferentes monosacaridos reductores tal como glucosa.
El aldehndo reacciona con la sal de amina del acido inorganico. La cantidad de aldehndo anadido es generalmente tal que la relacion molar de acido en la amida de amida o amonio intermedia a carbonilo es de 1:50 a 50:1. Una relacion de 1:20 a 20:1 es mas preferida, siendo la mas preferida una relacion de 1:10a 10:1.
La composicion cuando se mezcla con el material celulosico puede incluir indicadores de adhesion, eliminadores de oxfgeno, solventes, emulsionantes, pigmentos, rellenos, adyuvantes anti-migracion, adyuvantes coalescentes,
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agentes humectantes, biocidas, plastificantes, organosilanos, agentes antiespumantes, colorantes, ceras, agentes de suspension, antioxidantes, catalizadores de reticulacion, reticuladores secundarios y combinaciones de estos.
A continuacion, la composicion experimenta un curado en el que se forma un aglutinante fuerte. Tal curado puede realizarse por calentamiento. Las temperatures elevadas de curado en el intervalo de 100 a 300°C generalmente son aceptables. Los resultados de curado satisfactorios se logran calentando en un horno de aire a 200°C durante aproximadamente 20 minutos. El curado se puede dar durante la formacion del compuesto, por ejemplo, cuando se elimina el agua del compuesto.
La presente invencion proporciona una ruta sin formaldel'ndo para formar un producto compuesto exento de formaldel'ndo firmemente unido. La composicion aglutinante de la presente invencion tambien proporciona una econoirna global mejorada. El aglutinante tiene la ventaja de ser mas resistente y de ofrecer menores cantidades de contenido organico relativo durante el curado, lo que garantiza un lugar de trabajo y un entorno mas seguros. Tambien se considera que el tiempo de curado del aglutinante es mucho mas rapido y, por lo tanto, favorece la economfa y reduce la huella de carbono. El aglutinante tambien contiene un alto nivel de materias primas sostenibles, lo que reduce aun mas la dependencia de las fuentes basadas en fosiles para la resina.
Los siguientes ejemplos se presentan para proporcionar ejemplos espedficos de la presente invencion. En cada caso, el sustrato de placa de vidrio delgado que recibe el recubrimiento puede reemplazarse por una mezcla celulosica. Mezclando el aglutinante usado en los ejemplos con material celulosico, ya sea fibroso, astillas de madera o una combinacion, se puede obtener un compuesto celulosico mejorado. Sin embargo, debe entenderse que la invencion no esta limitada a los detalles espedficos expuestos en los ejemplos.
Formacion de sal de amina de intermediarios de acido inorganico:
A 1.160 g de 1,6-hexanodiamina (HMDA) disuelto en 2.140 g de agua, se anadio 980 g de acido fosforico lentamente y la disolucion se agito durante 10 min. El intermediario se denomino HP1/1.
Se formo otro intermediario disolviendo 1.160 g de HMDA en 3.120 g de agua. A continuacion, se anadio lentamente 1.960 g de acido fosforico y la disolucion se agito durante 10 minutos. Esta disolucion intermediaria se denomino HP1/2.
Estos productos intermediarios se utilizaron para preparar las siguientes resinas con glucosa.
Ejemplo 1
A 42,8 g de disolucion de intermediario HP1/1 se anadio de dextrosa anhidra y agua. La masa de agua anadida se eligio para que fuera igual a la dextrosa correspondiente. La masa de dextrosa (y agua correspondiente) utilizada fue 72 g, 108 g, 144 g, 180 g, 216 g, 252 g, 288, 324, 360 g y 396 g. Las diversas disoluciones se agitaron a temperatura ambiente durante 10 minutos. Las disoluciones se aplicaron como una pelfcula delgada sobre un vidrio y un panel A1, se secaron en un horno a 100°C durante 5 minutos y se curaron a 200°C durante 20 minutos. Cada disolucion dio un polfmero marron curado que era duro e insoluble en agua y disolventes.
Ejemplo 2
A 62,4 g de disolucion de intermediario HP1/2, se anadio dextrosa anhidra y agua. La masa de agua anadida se eligio para que fuera igual a la dextrosa correspondiente. La masa de dextrosa (y agua correspondiente) utilizada fue 72 g, 108 g, 144 g. 180 g, 216 g, 252 g, 288, 324, 360 g y 396 g. Las diversas disoluciones se agitaron a temperatura ambiente durante 10 minutos. Las disoluciones se aplicaron como una pelfcula delgada sobre un vidrio y un panel A1, se secaron en un horno a 100°C durante 5 minutos y se curaron a 200°C durante 20 minutos. Cada disolucion dio un polfmero marron curado que era duro e insoluble en agua y disolventes.
Ejemplo 3
Los ejemplos 1-2 se repitieron en presencia de 5% en peso de sulfato de amonio. Los polfmeros se volvieron insolubles en agua en menos de 10 minutos.
Claims (11)
- 510152025REIVINDICACIONES1. Un compuesto celulosico que comprende material celulosico y un aglutinante que comprende un aldehndo y una sal de amina de un acido inorganico, en donde(i) el aldehndo es un mono-, di- o polisacarido reductor y(ii) la amina es una diamina alifatica o cicloalifatica que tiene al menos un grupo amino primario.
- 2. El compuesto de la reivindicacion 1, en donde el acido es acido fosforico.
- 3. El compuesto de la reivindicacion 1, en el que dicha amina se selecciona del grupo que consiste enetilendiamina, 1,3-propanodiamina, 1,4-butanodiamina, 1,5-pentanodiamina, 1,6-hexanodiamina y mezclas de los mismos.
- 4. El compuesto de la reivindicacion 1, donde el acido es un acido oxigenado seleccionado del grupo que consisteen acido fosforico, acido pirofosforico, acido fosforoso, acido sulfurico, acido sulfuroso, acido nftrico, acido borico,acido hipoclorico y acido clorato.
- 5. El compuesto de la reivindicacion 1, en el que el acido es un acido no oxigenado seleccionado del grupo que consiste en acido clorhndrico, sulfuro de hidrogeno y fosfina.
- 6. El compuesto de la reivindicacion 1, en donde el aldehfdo es glucosa.
- 7. Un procedimiento para preparar un compuesto celulosico que comprende mezclar una composicion quecomprende un aldehfdo y una sal de amina de un acido inorganico, en el que(i) el aldehfdo es un mono-, di- o polisacarido reductor y (ii) la amina es una diamina alifatica o cicloalifatica que tiene al menos un grupo amina primaria, con material celulosico y a continuacion curar dicha composicion mientras esta presente en mezcla con el material celulosico.
- 8. El procedimiento de la reivindicacion 7, en el que dicha amina se selecciona del grupo que consiste en 1,2- dietilamina, 1,3-propanodiamina, 1,4-butanodiamina, 1,5-pentanodiamina,1,6-hexandiamina, y mezclas de estos.
- 9. El procedimiento de la reivindicacion 7, en el que el acido es acido fosforico.
- 10. El compuesto de la reivindicacion 1, en el que el compuesto es un OSB, es decir, un producto de panel de fibraorientada.
- 11. El compuesto de la reivindicacion 1, en el que el compuesto es un tablero de partfculas.
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