ES2263775T3 - Adhesivos stein-hall de elevado contenido en materia seca y metodo de preparacion del mismo. - Google Patents

Adhesivos stein-hall de elevado contenido en materia seca y metodo de preparacion del mismo.

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ES2263775T3 ES02716704T ES02716704T ES2263775T3 ES 2263775 T3 ES2263775 T3 ES 2263775T3 ES 02716704 T ES02716704 T ES 02716704T ES 02716704 T ES02716704 T ES 02716704T ES 2263775 T3 ES2263775 T3 ES 2263775T3
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Abstract

Método para preparar un adhesivo Stein-Hall que comprende las fases de: u preparar un componente vehículo gelatinizando al menos una parte del total de almidón que hay en el adhesivo en un medio alcalino; u diluir el componente vehículo con un volumen de agua; y u añadir el almidón secundario restante; donde, en una primera fase, dicho componente vehículo se prepara empleando parte de la base y, en una segunda fase, el componente vehículo se diluye con un volumen de agua, seguido de adición de al menos una parte del almidón secundario, caracterizado porque se prepara un adhesivo Stein Hall de elevado contenido en materia seca, de entre un 32 y un 45% en peso de partículas sólidas de almidón en seco, usando un único recipiente de mezcla, donde, en la primera fase, dicho componente vehículo se prepara en tal único recipiente de mezcla y, en una tercera fase, se añade la base restante en forma diluida junto con el almidón secundario.

Description

Adhesivos Stein-Hall de elevado contenido en materia seca y método de preparación del mismo.
Campo y antecedentes de la invención
La presente invención se refiere a un método para preparar un adhesivo Stein Hall que comprende las fases de:
-
preparar un componente vehículo gelatinizando al menos una parte del total del almidón en el adhesivo en un medio alcalino;
-
diluir el componente vehículo con un volumen de agua; y
-
añadir el almidón secundario restante,
donde, en una primera fase, dicho componente vehículo se prepara utilizando parte de la base y, en una segunda fase, el componente vehículo se diluye con un volumen de agua, seguido de adición de al menos una parte del almidón secundario.
La invención también se refiere a un adhesivo Stein Hall de elevado contenido en materia seca (denominado también adhesivo o cola Stein Hall de alta concentración) con entre un 32 y un 45% en peso de partículas sólidas de almidón en seco que se obtiene empleando tal método.
Los adhesivos basados en almidón son bien conocidos en la industria del cartón ondulado. Entre los adhesivos utilizados, los adhesivos de tipo Stein Hall son los más comunes.
Es generalmente conocido que los adhesivos Stein Hall comprenden un componente vehículo de adhesivo que se obtiene gelatinizando aproximadamente entre un 10 y un 20% del almidón total de la cola usando sosa cáustica. La pasta resultante se enfría y diluye a continuación con agua y el almidón restante se añade después como almidón granulado natural. También se añade bórax (entre 1,5 y 2,5%).
En la US 4.917.870 por ejemplo, se describe un equipo empleado para preparar colas de almidón. El equipo comprende un eje sustancialmente vertical; este recipiente está provisto de un agitador que actúa en su nivel inferior; también comprende tubos para suministrar al recipiente todos los componentes de la cola a fabricar, introduciéndose el almidón neumáticamente en forma de polvo a través de un tubo. El tubo atraviesa la pared del recipiente desde fuera hacia adentro en un nivel próximo a la parte inferior del recipiente y en los alrededores del agitador. La preparación de las colas de almidón comprende las fases de: primero introducir agua en el tanque, añadir almidón de maíz, calentar el almidón, mezclar con agua y después añadir una disolución de NaOH, y posteriormente añadir agua de nuevo, el resto del almidón y finalmente bórax.
En estas circunstancias, la concentración máxima de almidón total en este tipo de formulaciones Stein Hall no sobrepasa el 25%, aunque se han documentado valores de hasta un 30 a un 37% en peso seco. Estos altos valores se obtuvieron cuando se redujo la viscosidad del vehículo mediante a una reacción de oxidación o equivalente.
La desventaja de estos adhesivos de baja concentración consiste en que tienen altos contenidos en agua, una velocidad de adhesión reducida y se retrasa el secado de la capa de adhesivo en la fase de adhesión. Además, los adhesivos con un contenido más elevado de materia seca consumen menos energía ya que se tienen que evaporar cantidades menores de agua.
Por tanto, se prefieren concentraciones de almidón más elevadas en la cola. Aunque, también se sabe que, cuando se usa almidón como agente aglutinante, hay un límite en la cantidad máxima de almidón que se puede emplear. Con grandes cantidades de almidón, la cantidad de agua se hace insuficiente para garantizar la adhesión deseada y al mismo tiempo la viscosidad aumenta demasiado.
En el estado de la técnica anterior ya ha se han descrito adhesivos basados en almidón. En la EP 0 038 627 se describe un adhesivo basado en almidón compuesto por una fracción de almidón completamente gelatinizada y una fracción de almidón parcialmente hinchada, esto en una proporción entre 0,2:100 y 2:1. El adhesivo puede contener entre un 10% y un 40% en peso de partículas sólidas de almidón en seco. La fracción gelatinizada se obtiene mediante tratamiento térmico a 95ºC o más y no vía mezcla con bases concentradas como en una formulación Stein Hall clásica. De hecho, es un adhesivo tipo no-vehículo al cual se añade una fracción de almidón gelatinizado para mejorar la pegajosidad en húmedo del adhesivo.
En la EP 0 576 221 se describen composiciones de adhesivo que comprenden entre el 15 y el 35% en peso de partículas de almidón sólidas. Una cantidad sustancial del almidón se hincha parcialmente (preferentemente entre el 20 y el 50%).
La EP 0 376 301 describe un adhesivo que se prepara tratando una lechada de almidón en un horno de cocción de chorro a una temperatura de entre 120 y 200ºC para obtener una dispersión gelatinizada. El almidón no gelatinizado se añade después a esta dispersión gelatinizada. El contenido total de partículas de almidón sólidas en esta fórmula, tal como se ilustra en el ejemplo, varía entre el 32 y el 40%.
También en la GB 1 571 336 se describe un método para preparar un adhesivo acuoso basado en almidón. En este método, se prepara un componente vehículo de almidón molecularmente disperso a un contenido en sólidos de entre un 3% y un 40% en peso cociendo una lechada de almidón en un horno de cocción de chorro. El componente vehículo se mezcla después con una lechada de almidón no gelatinizado. La base se añade a la mezcla resultante.
Los adhesivos descritos en estas solicitudes no son composiciones Stein Hall típicas.
En la EP 1 101 809 se describen adhesivos basados en almidón con elevado contenido de materia seca que contienen como mínimo un 40% y preferentemente al menos un 46% de materia seca. Este alto contenido en materia seca se consigue añadiendo sales inorgánicas, preferentemente carbonato de calcio, al adhesivo basado en almidón. La relación almidón/carga es de al menos 60:40. El adhesivo puede ser de tipo Stein-Hall, sin vehículo o tipo Minocar.
En la EP 0 409 240 se describe un adhesivo con una lechada de almidón a alta concentración que comprende entre un 20 y un 60% en peso de partículas de almidón sólidas. Este adhesivo se estabiliza añadiendo una goma, por ejemplo goma xantano o rhamsan, y algún hidróxido de sodio.
En la WO 9850478 se describen composiciones adhesivas de alto contenido en secos que contienen una cantidad sustancial de un silicato alcalino soluble en agua, junto con almidón, bórax e hidróxido de sodio. En los ejemplos se describen composiciones adhesivas que contienen hasta un 45% de partículas sólidas.
Parte de los documentos del estado anterior de la técnica citados no se refieren a adhesivos de tipo Stein Hall, por ejemplo la EP 0 038 627, la EP 0 576 221, la EP 0 376 301 y la EP 0 409 240.
Los otros dos documentos citados, es decir la EP 1 101 809 y la WO 9850478, pueden comprender adhesivos de tipo Stein Hall aunque difieren sustancialmente de las formulaciones estándar en que contienen material de carga inorgánico que proporciona el elevado contenido en materia seca de la cola.
En el estado de la técnica, se describen más adhesivos de tipo Stein Hall con elevado contenido en materia seca.
En la US 3.912.531 se describen adhesivos de elevado contenido en materia seca de tipo Stein Hall que contienen hasta un 40% en peso de partículas de almidón.
Sin embargo, la desventaja de este tipo de adhesivos Stein Hall de elevado contenido en materia seca consiste en que se producen usando un almidón fluidizado, con una fluidez de entre 25 y 90, como almidón vehículo o como parte del almidón vehículo.
La EP 0 049 009 también describe colas de tipo Stein Hall con un elevado contenido en materia seca. El problema de fondo de este documento de patente es cómo obtener una cola de alto DS final en la que la viscosidad no aumente sustancialmente y en la que la mezcla se pueda ir bombeando. De hecho, la cola debe mostrar estabilidad de almacenamiento y una viscosidad viable.
En este documento de patente se afirma que no se pueden obtener colas con un elevado contenido en materia seca con la tecnología convencional para preparar adhesivos tipo Stein Hall (que tienen un bajo contenido en materia seca). Como ya se ha descrito, el método con el que se preparan estos tipos de colas de Stein Hall consiste en preparar el vehículo y después diluirlo para reducir la alcalinidad. Cuando no se reduce la alcalinidad, la adición de un almidón secundario afectaría haciendo que se hinche el gránulo y se desestabilice la viscosidad. Sin embargo, si se tienen que obtener colas con un elevado contenido en materia seca, la dilución es insuficiente para evitar una hinchazón no deseada del gránulo. Además de esto, la combinación de un vehículo menos diluido y una alta concentración de almidón secundario da como resultado una composición no viable.
La solución a este problema que se propone en la solicitud EP 0 049 009 consiste en oxidar el componente vehículo y después gelatinizar el almidón oxidado en presencia de la cantidad necesaria de hidróxido de sodio, reduciendo así la viscosidad del vehículo a un valor que hace posible añadir el almidón secundario necesario. Este almidón secundario se añade después hasta alcanzarse un 40% de contenido en sólido en la cola. Se debe hacer hincapié en que el componente vehículo de almidón en la cola representa más del 14% de la materia seca de almidón presente en la cola.
La desventaja de este método es que se obtienen colas con un elevado contenido de enteria seca teniendo que emplearse almidones con una viscosidad reducida en el componente vehículo.
Los almidones de viscosidad reducida que se mencionan en los documentos de patente del estado de la técnica son normalmente almidones fluidizados o almidones oxidados donde los almidones fluidizados se obtienen mediante degradación química o enzimática.
En la US 6.048.391 se describe un proceso para preparar una cola basada en almidón para fabricar un cartón ondulado. El proceso se realiza en un sistema que incluye un primer recipiente de mezcla relativamente grande que contiene un agitador. Un segundo recipiente de mezcla más pequeño se conecta al primer recipiente de mezcla mediante una vía de recirculación. El segundo recipiente de mezcla más pequeño contiene medios para ejercer una fuerza de cizallamiento mayor que la fuerza de cizallamiento que se ejerce en el primer recipiente más grande. El proceso se lleva a cabo en dos fases. En una primera fase se suministra agua y almidón para formar un vehículo en el primer recipiente de mezcla, y después se transporta la el vehículo resultante al segundo recipiente de mezcla. Se añade primero lejía de forma controlada en el segundo recipiente de mezcla para preparar el vehículo. En una segunda fase, se añade más cantidad de almidón, agua, bórax y una segunda dosis de lejía al vehículo mientras está en el recipiente pequeño.
La desventaja de este sistema es que se proporciona un recipiente de mezcla adicional en el que se introduce un bucle circulante. De este modo, se proporciona una técnica más compleja y más costosa. Además, los adhesivos Stein Hall que se obtienen con este método no tienen un contenido elevado en materia seca.
Descripción detallada de la invención
El propósito de la invención consiste en preparar un adhesivo Stein Hall que no presente las desventajas mencionadas anteriormente.
Este propósito se consigue proporcionando un método para preparar un adhesivo Stein Hall que comprende las fases de:
-
preparar un componente vehículo gelatinizando como mínimo una parte del total de almidón que hay en el adhesivo en un medio alcalino;
-
diluir el componente vehículo con un volumen de agua; y
-
añadir el almidón secundario restante;
donde, en una primera fase, dicho componente vehículo se prepara empleando parte de las bases y, en una segunda fase, el componente vehículo se diluye con un volumen de agua, seguido de adición de al menos una parte del almidón secundario, preparándose un adhesivo Stein Hall con un elevado contenido en materia seca, de entre un 32 y un 45% en peso de partículas sólidas secas de almidón, usando un único recipiente de mezcla, donde, en la primera fase, dicho componente vehículo se prepara en el recipiente de mezcla único y, en una tercera fase, se añade la base restantes en forma diluida junto con el almidón secundario.
En un método preferente según la invención, la adición del almidón secundario restante y de la base se desarrolla por etapas.
Esto tiene la ventaja de que el almidón secundario no se somete directamente a concentraciones alcalinas excesivamente altas, evitando así que se hinche de manera prematura el almidón secundario.
En un método especialmente preferente según la invención, la adición de la base y el almidón se realiza en al menos dos etapas.
En un método específico según la invención, durante la primera fase se prepara un componente vehículo que contiene entre un 2 y un 9% del total de almidón mezclando el almidón con agua y la base hasta que el almidón se gelatiniza.
En un método más específico según la invención, en la primera fase el contenido de base en el componente vehículo es normalmente inferior a 2/3 de la cantidad total necesaria en la formulación adhesiva.
En otro método específico según la invención, en la segunda fase el componente primario se diluye con un volumen de agua que corresponde a entre un 60 y un 85% del volumen del componente vehículo.
En un método más específico según la invención, en la segunda fase se añade entre un 50 y un 75% del almidón secundario.
En un método preferente según la invención, después de la tercera fase se añade bórax.
La ventaja de esto consiste en que se mejora la pegajosidad inicial y se regula la capacidad de retención y penetración de agua en el adhesivo.
El propósito de la invención se consigue también proporcionado un adhesivo Stein Hall de un alto contenido en materia seca obtenido con un método tal como el descrito, que
-
contiene entre un 32 y un 45% de almidón natural o estabilizado;
-
la proporción entre el vehículo de almidón y el almidón secundario está comprendida entre 1:50 y 1:11;
-
presenta una viscosidad Bauer comprendida entre 21 s y 60 s; y
-
la concentración de base en la cola es suficiente como para proporcionar un SGP (punto de comienzo de la gelatinización) de entre 45ºC y 53ºC.
En un adhesivo Stein Hall de alto contenido en materia seca preferente según la invención, el almidón natural o estabilizado se obtiene a partir de cereales, tubérculos o raíces.
El método para preparar las colas de la invención comprende varias fases consecutivas;
-
durante la primera fase, se prepara un componente vehículo que contiene entre el 2 y el 9% del total de almidón mezclando el almidón con agua y bases hasta que el almidón se gelatiniza. El contenido de base en el componente vehículo es normalmente inferior a 2/3 de la cantidad total necesaria en la formulación del adhesivo;
-
durante la siguiente fase, el componente vehículo se diluye con un volumen de agua que corresponde a entre un 60 y un 85% del volumen del componente vehículo, seguido de adición de al menos la mitad y como máximo el 75% del almidón secundario;
-
en otra fase, se añade la base restante en forma diluida junto con el almidón secundario.
La adición del almidón restante y la base se puede realizar al mismo tiempo o por etapas. Cuando la adición se realiza simultáneamente, se debe tener cuidado de no exponer el almidón directamente a la base.
Durante la adición por etapas, la base se añade primero a la mezcla de las fases primera y siguiente, seguido de adición del almidón secundario restante. La adición por etapas de bases y almidón se lleva cabo, preferentemente, en dos o más fases. Finalmente se añade el bórax para acabar la cola.
Los adhesivos de tipo Stein Hall de elevado contenido en materia seca según la invención tienen las siguientes propiedades:
\bullet
contienen entre un 32 y un 45% de almidón natural o estabilizado;
\bullet
la proporción entre el vehículo de almidón y el almidón secundario está comprendida entre 1:50 y 1:11;
\bullet
presenta una viscosidad Bauer comprendida entre 21 s y 60 s; y
\bullet
la concentración de base en la cola es suficiente como para proporcionar un SGP (punto de comienzo de la gelatinización) de entre 45ºC y 53ºC.
El almidón natural o estabilizado se puede obtener a partir de cereales, tubérculos o raíces. Ejemplos típicos son los almidones obtenidos a partir de maíz, trigo, cebada, patata, tapioca o arrurruz, incluyendo los almidones del tipo ceroso y lo de alto contenido en amilasa.
Los almidones estabilizados mencionados en la solicitud corresponden a almidones que se han tratado física y/o químicamente para obtener almidones menos sensibles a las bases a temperatura ambiente o ligeramente alta. Como resultado de esto, se evita que se hinchen de manera prematura y/o se gelatinicen de manera incontrolada.
La ventaja de los adhesivos Stein Hall de elevado contenido en materia seca según la invención y que se producen según el método de la invención consiste en que no es necesario utilizar almidones con una viscosidad reducida en el componente vehículo, mientras que los adhesivos correspondientes siguen presentando una excelente estabilidad de almacenamiento y viscosidades viables. Sólo contienen almidones naturales o estabilizados. Además, se obtiene una cola final de elevado contenido en materia seca bombeable.
A continuación, se ilustra la presente invención con los siguientes ejemplos que no pretenden limitar el objeto de la invención como tal o según se expresa en las reivindicaciones anexas.
Ejemplo 1
Se preparó una cola de elevado contenido en materia seca de la siguiente manera:
En un recipiente de 2.000 l, se preparó primero el componente vehículo. Para ello, se mezclaron 16 l de una disolución de NaOH al 30% en peso en una dispersión que contenía 28 kg de almidón de trigo estabilizado y 650 l de agua. La mezcla se removió con un mezclador de alta cizalla a 1.500 rpm durante 10 minutos, dejando que se gelatinizara el almidón. El almidón del componente vehículo corresponde al 3,25% del almidón total contenido en la cola (proporción 1:30).
\newpage
En una fase posterior, se añadieron 550 l de agua corriente al vehículo junto con 550 kg de almidón de trigo estabilizado y 3 kg de bórax. Se mezcló todo a 1.500 rpm durante 5 minutos más.
Antes de añadir el resto de las bases y del almidón, se diluyeron primero los 12 l restantes de disolución de NaOH al 30% en peso con 100 l de agua.
A continuación se añadieron al recipiente 37 l de base diluida y después 200 kg de almidón de trigo estabilizado. Se removió esta mezcla durante 5 minutos antes de añadir una segunda cantidad de 37 l de base y 138 kg de almidón. Se removió de nuevo la mezcla intensamente. Finalmente, se añadieron los 38 l restantes de base y los 6,5 kg de bórax mientras se removía la cola.
La formulación de adhesivo así preparada comprende un 40% en peso de partículas sólidas de almidón y está formada por:
\vskip1.000000\baselineskip
Agua: 1.300 l
Almidón: 866 kg
Volumen: 1.820 l
NaOH: 6,25 g/l
Bórax: 5,21 g/l
\vskip1.000000\baselineskip
La cola así preparada presenta las siguientes propiedades:
\vskip1.000000\baselineskip
Directamente tras la preparación Después de 30 minutos Después de 6 horas
Bauer (segundos) 22 25 27
Brookfield (mPas, 20 rpm) 480 500 710
SPG: 47ºC
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo 2
En este ejemplo se describe una cola que contiene un 40% en peso de partículas sólidas de almidón de maíz. En un recipiente de 1.500 l se dispersaron 24 kg de almidón de maíz en 440 l de agua. A esta dispersión se añadieron 12 kg de NaOH al 33% en peso y se removió la mezcla con un mezclador de alta cizalla a 1.500 rpm durante 12 minutos. El almidón que hay en el componente vehículo corresponde al 4,2% del contenido total de almidón en la cola (proporción 1:24).
En una fase posterior, se añadieron 320 l de agua seguido de 4,5 kg de bórax y se removió la mezcla intensamente durante 3 minutos. Después se añadieron 300 kg de almidón al componente vehículo y se dispersaron de manera homogénea mezclando a 1.500 rpm durante 3 minutos más. Antes de añadir el resto de la base y el almidón, se diluyó esta parte de base adicional (10 kg de NaOH al 33%) con 100 l de agua.
Así, se añadieron al recipiente 37 l de base y después 151 kg de almidón de maíz estabilizado y se removieron a 1.500 rpm durante 3 minutos. A continuación se añadió una segunda cantidad de base y 100 kg de almidón y se dispersaron. Finalmente, mientras se estaba removiendo esto, se añadieron los 35 l restantes de base junto con 4 kg de bórax.
La formulación de adhesivo así preparada comprende un 40% en peso de partículas sólidas de almidón y está formada por:
Agua: 860 l
Almidón: 575 kg
Volumen: 1.200 l
NaOH 6,25 g/l
Bórax: 6,25 g/l
La cola así preparada presenta las siguientes propiedades:
Directamente tras la preparación
Viscosidad Bauer (segundos) 48
Brookfield (mPas, 20 rpm) 1.600
SGP: 48,5ºC

Claims (10)

1. Método para preparar un adhesivo Stein-Hall que comprende las fases de:
\bullet
preparar un componente vehículo gelatinizando al menos una parte del total de almidón que hay en el adhesivo en un medio alcalino;
\bullet
diluir el componente vehículo con un volumen de agua; y
\bullet
añadir el almidón secundario restante;
donde, en una primera fase, dicho componente vehículo se prepara empleando parte de la base y, en una segunda fase, el componente vehículo se diluye con un volumen de agua, seguido de adición de al menos una parte del almidón secundario,
caracterizado porque se prepara un adhesivo Stein Hall de elevado contenido en materia seca, de entre un 32 y un 45% en peso de partículas sólidas de almidón en seco, usando un único recipiente de mezcla, donde, en la primera fase, dicho componente vehículo se prepara en tal único recipiente de mezcla y, en una tercera fase, se añade la base restante en forma diluida junto con el almidón secundario.
2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque la adición del almidón secundario restante y de la base se efectúa por etapas.
3. Método según la reivindicación 2, caracterizado porque la adición de la base y el almidón se efectúa en al menos dos etapas.
4. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque durante la primera fase se prepara un componente vehículo que contiene entre un 2 y un 9% del contenido total de almidón mezclando el almidón con agua y bases hasta que se gelatiniza todo el almidón.
5. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque durante la primera fase el contenido de base en el componente vehículo es normalmente inferior a 2/3 de la cantidad total necesaria en la formulación adhesiva.
6. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque durante la segunda fase, el componente vehículo se diluye con un volumen de agua que corresponde a entre un 60 y un 85% del volumen del vehículo.
7. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque durante la segunda fase, se añade entre un 50 y un 75% de almidón secundario.
8. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque después de la tercera fase se añade bórax.
9. Adhesivo Stein Hall de elevado contenido en materia seca obtenido mediante el método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
\bullet
contiene entre un 32 y un 45% de almidón natural o estabilizado;
\bullet
la proporción entre el almidón primario y el almidón secundario está comprendida entre 1:50 y 1:11;
\bullet
presenta una viscosidad Bauer comprendida entre 21 s y 60 s; y
\bullet
la concentración de bases en la cola es suficiente como para proporcionar un SGP (punto de comienzo de la gelatinización) de entre 45ºC y 53ºC.
10. Adhesivo Stein Hall de elevado contenido en materia seca obtenido mediante el método según la reivindicación 9, caracterizado porque el almidón natural o estabilizado se obtiene a partir de cereales, tubérculos o raíces.
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