ES3050668T3

ES3050668T3 - Hydrophobisation composition, method for hydrophobisation and substrate

Info

Publication number: ES3050668T3
Application number: ES14758412T
Authority: ES
Inventors: Thomas Holmbom; Bjarne Holmbom
Original assignee: Separation Res Oy AB; Separation Research Oy AB
Current assignee: Separation Res Oy AB; Separation Research Oy AB
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2014-08-19
Publication date: 2025-12-22
Anticipated expiration: 2034-08-19
Also published as: FI125475B; US9963600B2; FI20135840L; US20160185986A1; EP3036373A1; EP3036373C0; CA2920732A1; WO2015025083A1; EP3036373B1; PL3036373T3; CA2920732C

Abstract

La invención se refiere a una composición hidrofobizante que comprende un extracto hidrofobizante obtenido mediante la extracción de la corteza exterior del abedul en un disolvente orgánico y/o polar, y que contiene al menos un 30 % en peso de betulinol. La invención también se refiere a un método para la hidrofobización de una superficie, que comprende los pasos de aplicar una capa de composición hidrofobizante que contiene betulinol sobre la superficie de un sustrato, y secar y tratar térmicamente dicha capa. Además, la invención se refiere a un sustrato cuya superficie se hidrofobiza mediante dicho método. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Método y uso para la hidrofobización

[0003] La presente invención se refiere a un uso y método de hidrofobización según los preámbulos de las reivindicaciones independientes adjuntas.

[0004] El abedul es una familia de árboles caducifolios de madera dura del géneroBetula.Se utiliza habitualmente en procesos industriales, como la fabricación de pulpa y papel y la producción de madera contrachapada. En estos procesos los troncos de los árboles se descortezan y la corteza extraída suele quemarse en el aserradero, para producir energía. En principio, la corteza extraída se considera un residuo, que no tiene más valor que su contenido energético. Se sabe que la corteza de abedul como tal es un material fuerte y resistente al agua. Se ha utilizado tradicionalmente en el hemisferio norte para fabricar recipientes de almacenamiento, canoas, cubiertas de techos, etc. La hidrofobización de diversas superficies tiene interés industrial. Por ejemplo, existe una demanda de materiales de embalaje a base de fibras y productos de madera con una superficie hidrófoba. Los agentes de hidrofobización convencionales son polímeros sintéticos o sustancias a base de silicio. Se necesitan agentes de hidrofobización naturales y no tóxicos.

[0005] El documento WO 2005/090677 divulga un uso de la betulina como relleno en papel y cartón, así como un método para producir papel y cartón en el que se utiliza la betulina como relleno. Se hace una suspensión acuosa de betulina, seguido de la adición de dicha suspensión a la pulpa durante la producción de papel o cartón, y se retira el agua de la banda de papel, y luego se continúa la producción de papel o cartón de manera convencional.

[0006] El documento FI 102402 divulga un uso de la betulina como pigmento de recubrimiento de papel y cartón.

[0007] El documento WO 2004/040982 proporciona un método para inhibir la formación de depósitos por bacterias termófilas adherentes en superficies de máquinas de papel y cartón, o para eliminar tales depósitos de dichas superficies. Un objetivo de la presente invención es minimizar, o incluso eliminar por completo, los problemas existentes en la técnica anterior.

[0008] Un objetivo de la presente invención es proporcionar el uso de una composición de hidrofobización natural, la cual es respetuosa con el medio ambiente y adecuada para la hidrofobización de superficies de diversos sustratos.

[0009] Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un método de hidrofobización que sea fácil, respetuoso con el medio ambiente y rentable.

[0010] Otro objetivo adicional es proporcionar un sustrato hidrófobo, el cual es fácil de producir, respetuoso con el medio ambiente y rentable, así como sus productos hidrófobos derivados.

[0011] Estos objetivos se consiguen con la invención que tiene las características que se presentan a continuación en las partes caracterizantes de las reivindicaciones independientes.

[0012] Algunas realizaciones preferidas de la presente invención se presentan en las reivindicaciones dependientes.

[0013] Las realizaciones mencionadas en este texto se refieren, cuando sea aplicable, a todos los aspectos de la invención, aunque esto no siempre se mencione por separado.

[0014] Una composición hidrofobizante comprende extracto hidrofobizante, que se obtiene extrayendo corteza exterior de abedul en un disolvente orgánico y/o polar y que comprende betulinol.

[0015] Un extracto de hidrofobización se obtiene extrayendo la corteza exterior de abedul en un disolvente orgánico y/o polar y comprende betulinol.

[0016] Un método típico según la presente invención para la hidrofobización de una superficie se define en la reivindicación 4.

[0017] Un uso típico según la invención se define en la reivindicación 1.

[0018] Ahora se ha descubierto sorprendentemente que el extracto que se obtiene extrayendo la corteza exterior del abedul puede utilizarse para la hidrofobización de diversas superficies del sustrato. Es necesario un tratamiento térmico suave del sustrato después de aplicar el extracto de hidrofobización en la superficie del sustrato para conseguir un efecto hidrófobo eficaz. Se ha observado que las gotas de agua, que se aplican sobre la superficie tratada con el extracto, no son absorbidas por el sustrato. Las gotas de agua aplicadas permanecen incluso sobre una superficie porosa tratada, como el papel, durante varias horas o, en algunos casos, incluso durante varios días. La presente invención proporciona así una hidrofobización eficaz, que es fácil de conseguir. Es evidente que el método según la invención es ampliamente aplicable a diversas superficies del sustrato. El mecanismo exacto que subyace a la invención aún no se conoce en su totalidad, pero se supone, sin querer ceñirse a una teoría, que el betulinol en el extracto desempeña un papel importante para lograr el sorprendente efecto hidrófobo. Una teoría es que el efecto de hidrofobización se obtiene como resultado de un proceso de sublimación del betulinol durante el tratamiento térmico.

[0020] En este contexto, el término "extracto" comprende las disoluciones y/o dispersiones que se obtienen al extraer la corteza exterior del abedul en un disolvente orgánico y/o polar.

[0022] Según una realización, la corteza exterior del abedul se extrae en un disolvente orgánico, preferiblemente en un disolvente orgánico polar. Según la invención, el disolvente orgánico se selecciona entre etanol, metanol, acetona, hexano e isopropanol, preferiblemente entre metanol y etanol. Para que sea adecuado para su aplicación en la superficie de diversos sustratos, el disolvente orgánico debe ser preferiblemente inodoro, además de estar disponible en cantidades adecuadas para la producción industrial. Lo más preferible es que el disolvente orgánico sea etanol.

[0023] La materia prima del extracto es la corteza exterior del abedul. En el contexto de esta solicitud, el término "abedul" comprende todos los árboles caducifolios de madera dura del géneroBetula,comoBetula péndula, Betula papyriferayBetula pubescens.Preferiblemente, la corteza exterior del abedul se obtiene como subproducto de un procesamiento industrial de la madera, como por ejemplo de la industria del contrachapado y/o de la producción de pulpa de sulfato. La corteza de abedul, que se separa del material de madera en la producción de contrachapado o pulpa de sulfato, primero se tritura con una trituradora. Durante la molienda, la corteza interior se tritura hasta convertirse en polvo, mientras que la corteza exterior queda en forma de partículas más grandes o virutas que tienen normalmente un tamaño > 2 mm, preferiblemente > 3 mm. Tras la trituración, la corteza exterior se separa convenientemente de la corteza interior mediante cribado, por ejemplo, con una criba rotatoria. La corteza interior puede utilizarse para la producción de energía mediante combustión.

[0025] Según una realización ventajosa de la invención, la extracción de la corteza exterior se realiza en estrecha conexión con la fuente de la corteza, es decir, en la fábrica de pulpa de sulfato o en la fábrica de contrachapado. La extracción se realiza tras la molienda y el cribado, y el residuo de extracción de la corteza exterior puede utilizarse para la producción de energía mediante combustión. El extracto obtenido puede utilizarse para la hidrofobización de la madera contrachapada producida o de productos de papel.

[0027] El betulinol, es decir, el Iup-20(29)-ene-3p,28-diol, es un triterpenoide presente de forma natural en la corteza del abedul. También se conoce con el nombre de betulina. El extracto de hidrofobización comprende al menos un 30 % en peso de betulinol, preferiblemente al menos un 80 % en peso de betulinol, más preferiblemente al menos un 90 % en peso de betulinol. Según una realización de la invención, el extracto comprende 30 - 97 % en peso de betulinol, preferiblemente 60 - 97 % en peso de betulinol, más preferiblemente 80 - 95 % en peso de betulinol. Los porcentajes en peso se calculan como % en peso de materia sólida seca en el extracto. Para la determinación del betulinol, la muestra de extracto se seca primero en el horno y la cantidad de betulinol se determina a partir de la materia sólida seca restante.

[0029] La composición de hidrofobización puede comprender un extracto de hidrofobización que se obtiene extrayendo la corteza exterior del abedul. La composición puede comprender agua en un máximo del 20 % en peso, preferiblemente < 10 % en peso, más preferiblemente < 5 % en peso, incluso más preferiblemente < 1 % en peso. Según una realización de la invención, la composición comprende agua en menos de un 0,1 % en peso, o incluso en menos de un 0,05 % en peso. En ese caso, la composición está en la práctica exenta de agua. Los porcentajes se calculan a partir del peso total de la composición en forma de solución o dispersión.

[0031] La composición de hidrofobización o el extracto de hidrofobización también pueden comprender aditivos, como conservantes, colorantes, aglutinantes, etc. Pueden añadirse aditivos al extracto para mejorar las propiedades de almacenamiento de la composición o el extracto, como un agente anticristalización, o para mejorar la fijación de la composición o el extracto al sustrato, como aglutinantes. Los aglutinantes adecuados son, por ejemplo, látex, como el látex de acrilato o el látex de estireno butadieno; aceite secante, como el aceite de linaza o el aceite de tung; o aglutinantes alquídicos. Se puede añadir glicerol o ácido(s) graso(s), como el ácido graso de aceite de resina, a la composición o extracto como agente dispersante y/o para mejorar la aplicabilidad de la composición o extracto en la superficie.

[0033] La composición puede comprender además betulinol en forma de partículas. Por ejemplo, una parte del betulinol en el extracto puede precipitarse por adición de pequeñas cantidades de agua a la composición. Las partículas de betulinol pueden mejorar el efecto de hidrofobización y/o aportar otras ventajas.

[0035] La composición o extracto de hidrofobización puede aplicarse sobre la superficie del sustrato utilizando cualquier método adecuado. Por ejemplo, la composición o el extracto pueden aplicarse por inmersión, recubrimiento, pintura o aspersión. Para aplicar la composición de hidrofobización o el extracto a la superficie del sustrato puede utilizarse cualquier aparato adecuado de recubrimiento o apresto de superficies utilizado en la producción de papel. La composición de la capa de extracto formada es preferiblemente uniforme y proporciona una cobertura total de la superficie del sustrato tratado.

[0037] La etapa de aplicación puede repetirse un número deseado de veces para conseguir una capa gruesa de hidrofobización en la superficie del sustrato.

[0039] Tras la aplicación de la composición hidrofobizante o del extracto a la superficie del sustrato, el sustrato se somete a un tratamiento térmico para extender y/o adherir la composición o el extracto a la superficie del sustrato. Es posible que la composición o el extracto se aplique primero sobre la superficie del sustrato y luego se deje secar sin pegajosidad antes del tratamiento térmico, o que el secado y el tratamiento térmico se realicen simultáneamente a una temperatura elevada. Según una realización preferida, el secado y el tratamiento térmico se realizan simultáneamente a una temperatura de al menos 70 °C, preferiblemente de al menos 85 °C, más preferiblemente de al menos 95 °C, incluso más preferiblemente de al menos 105 °C. La temperatura de tratamiento térmico suele estar en el intervalo de 70 - 200 °C, preferiblemente entre 85 - 175 °C, más preferiblemente entre 100 - 150 °C, y aún más preferiblemente entre 105 - 135 °C. La temperatura de tratamiento térmico puede seleccionarse en función del sustrato sobre el que se aplica el extracto y de la tolerancia al calor del sustrato. Una temperatura de tratamiento térmico más alta permite utilizar un tiempo de tratamiento térmico corto y acelerar el proceso. Un experto en la materia puede encontrar la combinación óptima de temperatura y tiempo de tratamiento térmico realizando algunos experimentos sencillos.

[0041] El secado y el tratamiento térmico del sustrato se realizan simultáneamente durante un máximo de 60 minutos, preferiblemente un máximo de 30 minutos, más preferiblemente un máximo de 15 minutos, a veces un máximo de 10 minutos. La duración del tratamiento térmico suele estar en el intervalo de 3 - 60 minutos, preferiblemente entre 5 - 50 minutos, más preferiblemente entre 5 - 30 minutos, y aún más preferiblemente entre 5 - 20 minutos. La duración del tratamiento térmico se selecciona en función de la temperatura de tratamiento térmico, como se ha descrito anteriormente. Por ejemplo, cuando el sustrato de papel se recubre con el extracto de hidrofobización, el tratamiento térmico se realiza a 85 °C, siendo la duración del tratamiento térmico es de aproximadamente 30 min.

[0043] Tras el tratamiento térmico se obtiene un sustrato hidrófobo. La superficie del sustrato suele tener un ángulo de contacto con el agua de al menos 90 grados, preferiblemente de al menos 100 grados, más preferiblemente de al menos 110 grados, incluso más preferiblemente de al menos 120 grados. La superficie del sustrato puede tener un ángulo de contacto con el agua en el intervalo de 90 - 140 grados, preferiblemente 100 - 135 grados, más preferiblemente 120 - 135 grados.

[0045] Según la invención, el sustrato comprende fibras, es decir, el sustrato es papel, cartulina, textil; contrachapado o madera, o cuero. La composición o extracto se utiliza para la hidrofobización de superficies de papel, cartón, madera, contrachapado, textil y/o cuero. Por textil se entienden aquí a los tejidos en general, por ejemplo, de algodón, y la ropa en particular. Por ejemplo, la composición o extracto de hidrofobización puede aplicarse sobre la superficie de un papel o cartón antes de la sección de secado de la máquina de papel o cartón. La composición o el extracto pueden añadirse a la composición del recubrimiento o utilizarse como apresto. La composición o el extracto pueden aplicarse sobre la superficie del papel utilizando equipos convencionales de recubrimiento y apresto de superficies. Según otra realización, la composición o el extracto pueden aplicarse sobre madera aserrada, por ejemplo, tablas, o madera contrachapada mediante aspersión antes del almacenamiento o de un posible tratamiento térmico. Por ejemplo, el contrachapado se seca por impulsos a unos 800 °C y la composición o el extracto pueden aplicarse sobre la superficie del contrachapado antes de la fase de secado.

[0047] Experimental

[0049] Ejemplo 1

[0051] Preparación de la corteza de abedul apta para la extracción

[0053] Se secaron al aire 100 kg de corteza de abedul procedente de una fábrica de contrachapado. La corteza se molió con un molino de martillos. La corteza se cribó con un tamiz rotatorio con un tamiz de malla metálica de 3 mm. La corteza que no pasó por el tamiz (> 3 mm, 28 kg) incluía un 98 % de corteza exterior, según el análisis químico y la clasificación manual. El material que pasaba por la criba estaba compuesto principalmente por corteza interna y otras impurezas.

[0054] Ejemplo 2

[0056] Preparación de un extracto de hidrofobización

[0058] 25 g de corteza exterior de abedul seca al aire preparada según el Ejemplo 1 se sometieron a reflujo en 1000 mL de etanol al 99 % durante 1 h en un matraz de fondo redondo de 2 L. El extracto se recuperó filtrando la solución a través de un papel filtro. El extracto contenía 7,49 g de sólidos secos, lo que corresponde a un rendimiento del 29,9 % sobre la corteza extraída. La composición del extracto seco comprendía un 70 % de betulinol, un 6 % de lupeol y un 3 % de ácido betulínico, así como pequeñas cantidades de triterpenoides y otros extractos de corteza de abedul. La concentración del extracto de hidrofobización fue del 0,75 % en peso de sólidos secos.

[0059] Ejemplo 3

[0060] Dependencia de la temperatura y el tiempo de la hidrofobicidad del papel filtro tratado

[0061] Se recortaron una serie de trozos de papel filtro, de 4 cm x 1 cm, en un extracto de hidrofobización preparado de acuerdo con el Ejemplo 2. Los trozos de papel filtro tratados se secaron en un horno durante distintos periodos de tiempo y a distintas temperaturas. Para alcanzar el mismo nivel de hidrofobicidad relativa, determinado colocando una gota de agua en la superficie del papel y observando que la gota no se había absorbido en el sustrato en 1 h, se observaron las siguientes temperaturas y tiempos. La concentración del extracto seco de hidrofobización aplicado fue del 0,5 % del peso del sustrato de papel.

[0062] 25 °C - varias semanas

[0063] 70 °C - 24 h

[0064] 85 °C - 30 min

[0065] 120 °C -15 min

[0066] 150 °C - 3 min

[0067] De estos resultados podemos ver claramente que la temperatura de secado influye en el tiempo de reacción necesario para obtener un sustrato hidrófobo.

[0068] Ejemplo 4

[0069] Aplicación del extracto de hidrofobización en papel filtro

[0070] Se sumergió un trozo de papel filtro, de 4 cm x 1 cm, en un extracto de hidrofobización preparado de acuerdo con el Ejemplo 2. El trozo de papel filtro tratado se secó en un horno durante 24 h a 105 °C. La propiedad hidrófoba se evaluó midiendo el ángulo de contacto de una gota de agua de 3 pL con un dispositivo de medición del ángulo de contacto. El ángulo de contacto fue de 126 grados a los 3 segundos después del contacto y el ángulo disminuyó a 118 grados a los 3 minutos. Excepto la propiedad hidrófoba, el papel filtro conservaba otras características típicas de un trozo de papel filtro sin tratar. Las imágenes de SEM del papel filtro hidrófobo revelaron una fina capa de material cristalino recubriendo la superficie, mostrada en la Fig. 1. Además, pueden observarse nódulos de cristal de unos pocos pm de diámetro.

[0071] Ejemplo 5

[0072] Aplicación de extracto de hidrofobización sobre tela de algodón

[0073] Un trozo de tela de algodón, de 4 cm x 1 cm, cortado de una camiseta blanca se sumergió en un extracto de hidrofobización preparado de acuerdo con el Ejemplo 2. El trozo de tela tratado se secó en un horno durante 24 h a 105 °C. La propiedad hidrófoba se evaluó midiendo el ángulo de contacto de una gota de agua de 3 pL con un dispositivo de medición del ángulo de contacto. El ángulo de contacto era de 135 grados a los 3 segundos después del contacto y el ángulo disminuyó a 130 a los 3 minutos. Excepto la propiedad hidrófoba, la tela de algodón conservaba otras características típicas de una pieza de tela de algodón sin tratar.

Claims

1. REIVINDICACIONES

1. Uso de un extracto que se obtiene extrayendo la corteza exterior de abedul en un disolvente orgánico, el cual se selecciona entre etanol, metanol, acetona, hexano e isopropanol, y cuyo extracto comprende al menos un 30 % en peso de betulinol, para la hidrofobización de superficies de papel, cartón, madera, contrachapado, textiles y/o cuero mediante su aplicación en la superficie seguida de un tratamiento térmico a una temperatura de al menos 70 °C.

2. El uso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el extracto comprende al menos 50 % en peso de betulinol, preferiblemente al menos 80 % en peso de betulinol, más preferiblemente al menos 90 % en peso.

3. El uso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el extracto comprende 30 - 97 % en peso de betulinol, preferiblemente 60 - 97 % en peso de betulinol, más preferiblemente 80 - 95 % en peso de betulinol.

4. Método de hidrofobización de una superficie, que comprende las etapas de

- aplicar una capa de extracto de hidrofobización que comprende betulinol sobre una superficie de un sustrato seleccionado entre papel, cartón, madera, contrachapado, textil o cuero, donde el extracto de hidrofobización se obtiene extrayendo corteza exterior de abedul en un disolvente orgánico seleccionado entre etanol, metanol, acetona, hexano e isopropanol, y cuyo extracto comprende al menos un 30 % en peso de betulinol, y

- secar y tratar térmicamente la composición de la capa de hidrofobización a una temperatura de al menos 70 °C.

5. El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado por aplicar el extracto sobre la superficie del sustrato por inmersión, recubrimiento, pintura o aspersión.

6. El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque forma una capa uniforme sobre la superficie del sustrato, proporcionando una cobertura total de la superficie.

7. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 4-6, caracterizado por repetir la etapa de aplicación sobre la superficie en repetidas ocasiones.

8. El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado por realizar el tratamiento térmico a una temperatura de al menos 85 °C, más preferiblemente de al menos 95 °C, aún más preferiblemente de al menos 105 °C.

9. El método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado por realizar el tratamiento térmico simultáneamente con el secado de la superficie del sustrato.

10. El método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque la duración del tratamiento térmico comprende de 3 - 60 min, preferiblemente 5 - 50 min, más preferiblemente 5 - 30 min, aún más preferiblemente 5 - 20 min.

11. El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el extracto comprende además aditivos, que se seleccionan entre conservantes, agentes dispersantes, agentes anticristalización, colorantes y aglutinantes.