ES2970218T3 - Composiciones aglutinantes sin formaldehído y métodos para preparar materiales compuestos - Google Patents

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Abstract

Se describen composiciones aglutinantes libres de formaldehído que incluyen un aldehído o cetona, un anhídrido orgánico, una alcanolamina y una sal de un ácido inorgánico que contiene nitrógeno. Las composiciones aglutinantes se pueden aplicar a fibras, tales como fibras de vidrio, para preparar compuestos reforzados con fibras libres de formaldehído. También se describen métodos para fabricar compuestos reforzados con fibras, donde dichos métodos pueden incluir mezclar una alcanol amina con un anhídrido orgánico para preparar una primera mezcla y agregar un azúcar reductor a la primera mezcla para preparar una segunda mezcla. Se puede añadir una sal que contiene nitrógeno a la segunda mezcla para preparar una composición aglutinante, que se puede aplicar a las fibras para formar una amalgama de fibras aglutinantes. La amalgama se puede calentar para curar la composición aglutinante y formar el compuesto reforzado con fibras. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Composiciones aglutinantes sin formaldehído y métodos para preparar materiales compuestos
Antecedentes de la invención
Los aglutinantes poliméricos orgánicos se usan en una variedad de productos fibrosos de materiales compuestos, incluyendo esteras de fibra de vidrio para aplicaciones en tejados y guatas de fibra de vidrio para aislamiento de edificios. Estos aglutinantes poliméricos orgánicos se fabricaban a menudo a partir de polímeros termoestables sintéticos tales como fenol-formaldehído y urea-formaldehído. Sin embargo, a medida que crecieron las preocupaciones sobre los efectos potencialmente cancerígenos del formaldehído y la sostenibilidad ambiental de las materias primas poliméricas a base de petróleo, se han considerado nuevos materiales aglutinantes.
Un aglutinante polimérico alternativo reemplaza al formaldehído por ésteres reticulados covalentemente formados por reacciones de esterificación entre polímeros policarboxílicos y alcoholes. El agua es el principal subproducto de estas reacciones de esterificación y no hay formaldehído que pueda ser liberado por el artículo de material compuesto final. Sin embargo, los polímeros policarboxílicos y los alcoholes que constituyen los componentes básicos de estas composiciones aglutinantes todavía suelen obtenerse de materias primas no renovables basadas en petróleo.
Otro aglutinante polimérico alternativo aborda el problema de las materias primas renovables sustituyendo al menos una parte de las materias primas a base de petróleo por carbohidratos desarrollados de forma sostenible. Sin embargo, los sistemas aglutinantes que dependen de altas concentraciones de carbohidratos pueden ser propensos a una degradación acelerada en ambientes húmedos y requieren acondicionamiento adicional y aditivos para mejorar la resistencia a la humedad y al agua. En algunos casos, los aglutinantes que contienen carbohidratos también pueden ser propensos a la degradación microbiana. Por tanto, existe la necesidad de mejorar la estabilidad y la resistencia al agua de las composiciones aglutinantes que contienen carbohidratos hasta niveles que sean competitivos con las composiciones aglutinantes a base de petróleo convencionales. Estas y otras cuestiones se abordan en la presente solicitud.
Los documentos WO 2010/106181 A1, WO 2013/079680 A1 y EP 2730689 A1 divulgan composiciones aglutinantes acuosas sin formaldehído que incluyen diversas combinaciones de carbohidrato, sal de amina-ácido, anhídrido orgánico y alcanolamina en su formulación.
Breve compendio de la invención
Se describen composiciones aglutinantes que incluyen una combinación de un aldehído o cetona, un anhídrido orgánico, una alcanolamina y una sal que contiene nitrógeno de un ácido inorgánico. La sal que contiene nitrógeno de un ácido inorgánico puede incluir una sal mono- o poliamínica de un ácido inorgánico que contiene fósforo, tal como ácido fosfórico (H<3>PO<4>). La inclusión de la sal que contiene nitrógeno en la composición aglutinante puede tener múltiples beneficios, incluido el aumento de la resistencia al fuego y a las llamas de materiales compuestos preparados con la composición aglutinante y el aumento de la resistencia a la tracción de los materiales compuestos.
Realizaciones de la divulgación incluyen composiciones aglutinantes sin formaldehído que incluyen un aldehído o cetona, un anhídrido orgánico, una alcanolamina y una sal que contiene nitrógeno de un ácido inorgánico. Ejemplos de sales que contienen nitrógeno de ácidos inorgánicos pueden incluir fosfatos de mono- y poliamina.
Las realizaciones pueden incluir además compuestos reforzados con fibra que incluyen fibras de vidrio y un aglutinante curado formado a partir de una composición aglutinante sin formaldehído. La composición aglutinante puede incluir un aldehído o cetona, un anhídrido orgánico, una alcanolamina y una sal que contiene nitrógeno de un ácido inorgánico.
Las realizaciones pueden incluir adicionalmente métodos para fabricar materiales compuestos reforzados con fibra. Los métodos pueden incluir mezclar una alcanolamina con un anhídrido orgánico para preparar una primera mezcla. Se puede añadir un azúcar reductor a la primera mezcla para preparar una segunda mezcla. Se añade a la segunda mezcla una sal que contiene nitrógeno, formada como producto de reacción de un compuesto que contiene nitrógeno y un ácido inorgánico, para preparar la composición aglutinante con un pH de entre 2 y 4,5. La composición aglutinante se puede aplicar a una pluralidad de fibras para formar una amalgama de aglutinante-fibra, y la amalgama se puede calentar para curar la composición aglutinante y formar el compuesto reforzado con fibra.
Breve descripción de los dibujos
Se puede lograr una comprensión adicional de la naturaleza y las ventajas de la presente divulgación haciendo referencia a las partes restantes de la memoria descriptiva y a los dibujos, en los que se usan números de referencia similares en todos los dibujos para hacer referencia a componentes similares. En algunos casos, una subetiqueta está asociada con un número de referencia y sigue un guion para indicar uno de los múltiples componentes similares. Cuando se hace referencia a un número de referencia sin especificación a una subetiqueta existente, se pretende hacer referencia a todos esos múltiples componentes similares.
La Fig. 1 es un diagrama de flujo con etapas seleccionadas en un método para preparar una composición aglutinante según realizaciones de la divulgación.
Las Figs. 2A-C muestran ilustraciones simplificadas de materiales compuestos ejemplares según realizaciones de la divulgación.
La Fig. 3 representa un esquema simplificado de un sistema de fabricación ejemplar para preparar los materiales compuestos que contienen fibra según realizaciones de la divulgación.
La Fig. 4 es una imagen de un material compuesto curado en forma de hueso colocado en un instrumento de medición de la resistencia a la tracción Instron; y
La Fig. 5 es un gráfico con los resultados de la prueba de resistencia a la tracción de la pieza en forma de hueso para materiales compuestos aglutinantes.
Descripción detallada de la invención
Las presentes composiciones aglutinantes pueden incluir una composición curable de un aldehído o cetona, un anhídrido orgánico, una alcanolamina y una sal que contiene nitrógeno de un ácido inorgánico. Las composiciones pueden aplicarse a fibra de vidrio y curarse para formar un aglutinante fuerte insoluble en agua que tenga buena adherencia a las fibras de vidrio. La presencia de la sal que contiene nitrógeno del ácido inorgánico puede impartir un aumento de la resistencia a la tracción al material compuesto de fibra de vidrio, así como un aumento de la resistencia al fuego y a las llamas, entre otras mejoras.
Composiciones aglutinantes sin formaldehído ejemplares
Como se señaló anteriormente, las presentes composiciones aglutinantes pueden incluir un aldehído y/o cetona como uno de los componentes aglutinantes. Aldehídos y cetonas ejemplares usados en las composiciones aglutinantes pueden incluir, sin limitación, aldehídos mono- y multifuncionales tales como acetaldehído, hidroxiacetaldehído, butiraldehído, acroleína, furfural, glioxal, gliceraldehído, glutaraldehído, polifurfural, poliacroleína, copolímeros de acroleína y otros. También pueden incluir azúcares reductores, incluidos mono-, di- y polisacáridos tales como glucosa (dextrosa), fructosa, galactosa, celobrosa y maltosa, entre otros. También pueden incluir acetona, acetilacetona, 1,3-dihidroxiacetona, bencel y benjuí, entre otras cetonas.
Anhídridos orgánicos ejemplares pueden incluir anhídrido maleico, anhídrido ftálico, anhídrido metilftálico, anhídrido glutárico, anhídrido tetrahidroftálico, anhídrido perhidroftálico, anhídrido itacónico, anhídrido succínico y anhídrido trimelítico, entre otros anhídridos.
Alcanolaminas ejemplares pueden tener la fórmula:
donde R<1>, R<2>y R<3>se eligen independientemente entre un hidrógeno, un grupo alquilo C<1>-<10>, un grupo aromático y un grupo hidroxialquilo C<1>-<10>, y donde al menos uno de R<1>, R<2>y R<3>es un grupo hidroxialquilo.
Ejemplos específicos de alcanolaminas pueden incluir metanolaminas tales como mono-, di- y trimetanolamina; etanolaminas tales como monoetanolamina (MEA), dietanolamina (DEA) y trietanolamina (TEA); isopropanolaminas tales como mono-, di- y triisopropanolamina; metildietanolamina; etildietanolamina; propildietanolamina; isopropildietanolamina; y n-butildietanolamina, entre otras.
Ejemplos específicos de la sal que contiene nitrógeno del ácido inorgánico pueden incluir sales de amonio y sales de amina-ácido de ácidos inorgánicos. Ácidos inorgánicos ejemplares pueden incluir ácidos oxigenados o ácidos no oxigenados. Ejemplos de ácidos oxigenados adecuados pueden incluir ácido fosfórico, ácido pirofosfórico, ácido fosforoso, ácido sulfúrico, ácido sulfuroso, ácido hipoclórico y ácido clórico. Ejemplos de ácidos no oxigenados incluyen ácido clorhídrico, sulfuro de hidrógeno y fosfina.
La sal se puede preparar usando cualquier técnica convencional para crear sales de ácidos inorgánicos. Las sales pueden incluir sales de amonio no sustituidas de un ácido inorgánico tal como ácido fosfórico (es decir, (NH4)H2PO4, (NH4)2HPO4 y/o (NH<4>HPO<4>). La reacción del amoníaco (NH<3>) con el ácido dará la sal. Las sales también pueden incluir sales de amonio sustituidas en las que uno o más átomos de hidrógeno están reemplazados por un resto orgánico tal como un grupo alquilo. Las sales de amonio sustituidas también se denominan sales de amina-ácido y pueden formarse haciendo reaccionar una amina (por ejemplo, etilendiamina) con el ácido inorgánico en agua. La relación molar de la funcionalidad ácido a la funcionalidad amina puede variar y puede incluir intervalos ejemplares tales como 1:25 a 25:1, 1:5 a 5:1, 1:2 a 2:1.
Componentes ejemplares que contienen nitrógeno de las sales pueden incluir aminas tales como aminas alifáticas, cicloalifáticas y aromáticas. Las aminas pueden ser lineales o ramificadas. Las funcionalidades amina pueden ser aminas primarias o secundarias di- o multifuncionales. Las aminas pueden incluir otras funcionalidades y enlaces tales como alcoholes, tioles, ásteres, amidas, éteres y otros. Aminas representativas pueden incluir etilendiamina, 1,3-propanodiamina, 1,4-butanodiamina, 1,5-pentanodiamina, 1,6-hexanodiamina, a,a'-diaminoxileno, dietilentriamina, trietilentetramina, tetraetilenpentamina y mezclas de estas. Sales de diamina ejemplares de ácidos inorgánicos pueden incluir sales de 1,4-butanodiamina y 1,6-hexanodiamina de ácido fosfórico. Ejemplos de monoaminas incluyen, entre otros, metilamina, etilamina, etanolamina, dietanolamina, dimetilamina, dietilamina, anilina, N-metilanilina, N-hidroxietilanilina. Aminoácidos naturales y sintéticos tales como glicina, lisina, arginina, histidina, cisteína también puede ser el componente que contiene nitrógeno.
Cuando el amoníaco y/o la amina se mezclan en solución acuosa con el ácido inorgánico, la amina más alcalina es protonada por el ácido para formar un catión amonio que se empareja con el anión ácido desprotonado para formar la sal de amonio. Por lo tanto, las aminas descritas anteriormente forman sus iones amonio protonados y se emparejan con el anión ácido desprotonado para formar una sal que contiene nitrógeno (p.ej., sal de amonio sustituida o no sustituida) del ácido inorgánico. Cuando estas sales de amonio se forman en soluciones próticas polares tales como soluciones acuosas, el catión amonio y el anión ácido desprotonado de la sal pueden estar en forma disociada.
Las composiciones aglutinantes también pueden incluir opcionalmente estimuladores de la adherencia, eliminadores de oxígeno, disolventes, emulsionantes, pigmentos, cargas, adyuvantes contra la migración, adyuvantes coalescentes, agentes humectantes, biocidas, aceleradores del curado, plastificantes, organosilanos, agentes antiespumantes, colorantes, ceras. agentes de suspensión, antioxidantes, inhibidores de la corrosión, catalizadores de la reticulación, reticulantes secundarios, y combinaciones de estos.
Métodos ejemplares para preparar las composiciones aglutinantes
La Fig. 1 es un diagrama de flujo que muestra etapas seleccionadas en un método 100 para preparar una composición aglutinante según realizaciones de la divulgación. El método 100 incluye combinar una alcanolamina y un anhídrido orgánico 102 para formar una primera mezcla de reacción que incluye los productos de reacción de alcanolaminaanhídrido. Cada uno de los reaccionantes puede ser parte de soluciones acuosas separadas que se mezclan en una única mezcla de reacción. La mezcla de reacción se puede calentar por encima de la temperatura ambiente para estimular la reacción de la alcanolamina con el anhídrido orgánico (p. ej., calentado hasta una temperatura de 40°C a 250°C). En algunos casos, una o ambas soluciones acuosas separadas pueden calentarse por encima de la temperatura ambiente antes de mezclar las soluciones.
El aldehído o la cetona se puede añadir a la primera mezcla de reacción de la alcanolamina y el anhídrido orgánico. El aldehído o la cetona también pueden estar en solución (p. ej., una solución acuosa) que se mezcla en la primera mezcla de reacción para preparar una segunda mezcla 104.
Por separado, la sal que contiene nitrógeno de un ácido inorgánico se puede crear mezclando una solución del compuesto que contiene nitrógeno (por ejemplo, una solución de amoníaco o de amina) con una solución del ácido inorgánico 106 (por ejemplo, una solución acuosa de ácido fosfórico). La solución se puede agitar durante un período (por ejemplo, de 5 a 10 minutos) y a continuación añadirse a la segunda mezcla para preparar la composición aglutinante 108.
Las concentraciones relativas de los componentes en la composición aglutinante se ajustan para mantener el pH en un intervalo de 2 a 4,5 (p. ej., un pH de 3 a 4,2). En algunos casos, se puede añadir un ácido o una base a la composición aglutinante para ajustar y/o mantener el pH en el intervalo buscado. Ácidos ejemplares pueden incluir ácidos orgánicos (p. ej., ácido maleico, ácido cítrico) y ácidos inorgánicos (por ejemplo, ácido fosfórico). Bases ejemplares pueden incluir bases de hidróxido y compuestos que contienen amonio, tales como hidróxido de amonio.
Realizaciones adicionales de los métodos para preparar las composiciones aglutinantes incluyen variaciones en el orden en el que los componentes aglutinantes se añaden unos a otros. Por ejemplo, la sal que contiene nitrógeno del ácido inorgánico se puede añadir a la alcanolamina, al anhídrido orgánico o a la mezcla de reacción de la alcanolamina y el anhídrido orgánico en lugar de (o además de) añadir la sal después de la adición del aldehído o la cetona.
Materiales compuestos que contienen fibra ejemplares
Las composiciones aglutinantes se pueden usar para preparar materiales compuestos que contienen fibra que incluyen fibras tejidas o no tejidas unidas entre sí mediante una matriz curada del aglutinante. Las fibras en el material compuesto pueden incluir uno o más tipos de fibras elegidas entre fibras de vidrio, fibras de carbono, fibras minerales y fibras poliméricas orgánicas, entre otros tipos de fibras. Al concluir la fase de curado, el aglutinante curado puede estar presente como un revestimiento seguro sobre la estera de fibra en una concentración de aproximadamente 0,5 a 50 por ciento en peso de la composición, por ejemplo el aglutinante curado puede estar presente en una concentración de aproximadamente 1 a 10 por ciento en peso de la composición.
Los materiales compuestos que contienen fibra pueden adoptar una variedad de formas, por ejemplo materiales de construcción que incluyen aislamiento de tuberías, tableros para conductos (por ejemplo, tableros para conductos de aire) y aislamiento de edificios, mallas de refuerzo y membranas para techos, entre otros materiales de construcción. Ejemplos adicionales pueden incluir aislamiento soplado de relleno suelto, recubrimiento de conductos, envoltura de conductos, medios de conductos flexibles, aislamiento de tuberías, aislamiento de tanques, recubrimiento rígido de cámaras de presión, aislamiento de recubrimiento de conductos textiles, recubrimiento de equipos, aislamiento de hornos, tablero para temperaturas elevadas, envoltura para temperaturas elevadas, panel para temperaturas elevadas, guatas y rollos de aislamiento, aislamiento de guatas de alta densidad, aislamiento de guatas de baja densidad, tableros aislantes de cimientos exteriores y aislamiento de cascos de barcos, entre otros materiales. Los materiales compuestos también pueden encontrar uso en placas de circuito impreso, separadores de baterías y materiales de filtración, entre otras aplicaciones.
Las Figs. 2A-C ilustran algunos de estos materiales compuestos ejemplares. La Fig. 2A es un esquema simplificado de un material 202 de guata que contiene fibra ejemplar que puede usarse para aislamiento de edificios. El material 202 puede incluir una guata 203 de fibras no tejidas unidas por el aglutinante. Las fibras pueden ser fibras de vidrio usadas para preparar aislamiento de fibra de vidrio (por ejemplo, aislamiento de fibra de vidrio de baja o alta densidad), o una combinación de dos o más tipos de fibras, tal como una combinación de fibras de vidrio y fibras poliméricas orgánicas, entre otros tipos de fibras. En algunos ejemplos, se puede unir una chapa 204 a una o más superficies de la guata 203.
La Fig. 2B es un esquema simplificado de un tablero 206 de material compuesto que contiene fibra ejemplar que puede usarse como tablero aislante, tablero para conductos, tablero para temperaturas elevadas. Las fibras del tablero 206 pueden incluir fibras de vidrio, fibras poliméricas orgánicas, fibras de carbono, fibras minerales, fibras metálicas, entre otros tipos de fibras, y combinaciones de dos o más tipos de fibras.
La Fig. 2C es un esquema simplificado de un material 208 aislante flexible que contiene fibras ejemplar que puede usarse como envoltura y/o recubrimiento para conductos, tuberías, tanques y equipos. El material 208 aislante flexible que contiene fibras puede incluir una chapa 210 unida a una o más superficies del material 212 fibroso. Materiales ejemplares para la chapa 210 pueden incluir una chapa de papel Kraft con malla de aluminio pirorresistente.
Ejemplos específicos de materiales compuestos que contienen fibra que usan las presentes composiciones aglutinantes incluyen aislamiento de fibra de vidrio de baja densidad (p. ej., menos de 8 kg/m3 (0,5 libras/pie3)) y aislamiento de fibra de vidrio de alta densidad.
Métodos ejemplares para preparar los materiales compuestos que contienen fibra
Las presentes composiciones aglutinantes se pueden usar en métodos para unir fibras para preparar materiales compuestos que contienen fibra. Los materiales compuestos que contienen fibra pueden incluir fibras de uno o más tipos, tales como fibras de vidrio, fibras de carbono y fibras poliméricas orgánicas, entre otros tipos de fibras. Las composiciones aglutinantes usadas para preparar los materiales compuestos pueden incluir un azúcar reductor y un producto de reacción de un compuesto de urea y un compuesto que contiene aldehído según se describió anteriormente. Los métodos pueden incluir la etapa de aplicar la composición aglutinante a una estera de fibras tejidas o no tejidas para preparar una amalgama curable de aglutinante-fibra. A continuación, la amalgama curable se cura para formar el material compuesto que contiene fibras de fibras unidas entre sí por el aglutinante curado.
La etapa de aplicación de la composición aglutinante a las fibras se puede realizar mediante una variedad de técnicas que incluyen pulverización, revestimiento en cortina giratoria, revestimiento en cortina y revestimiento con rodillo de inmersión. La composición se puede aplicar a fibras recién formadas o a fibras que han sido enfriadas y procesadas (p.ej., cortadas, revestidas, aprestadas). El aglutinante se puede proporcionar al aplicador como una composición premezclada o se puede suministrar al aplicador en soluciones separadas para el agente reticulante y el componente de azúcar reductor. En algunos casos en los que la composición aglutinante incluye un disolvente, una parte o la totalidad del disolvente se puede retirar de la composición antes o después de su aplicación sobre las fibras.
La etapa de curado de la composición aglutinante puede incluir la exposición de la composición aplicada a las fibras a un entorno propicio para el curado. Por ejemplo, la amalgama curable de fibras y composición aglutinante se pueden calentar hasta una temperatura de curado del aglutinante. Temperaturas de curado del aglutinante ejemplares pueden incluir un intervalo de temperatura de 100°C a 250°C. La amalgama que se cura se puede calentar hasta la temperatura de curado durante un período de 1 minuto a 100 minutos (p. ej., 20 minutos).
La etapa de curado puede producir el material compuesto que contiene fibra acabado, tal como un aislamiento de fibra de vidrio. En algunos métodos ejemplares, se pueden aplicar agentes adicionales como un agente contra el polvo durante o después de la etapa de curado.
Sistema ejemplar para preparar materiales compuestos que contienen fibra
La Fig. 3 muestra un esquema simplificado de un sistema 300 de fabricación ejemplar para preparar los materiales compuestos que contienen fibra descritos anteriormente. El sistema 300 incluye una unidad 302 de suministro de fibras que suministra las fibras para el material compuesto. La unidad 302 de suministro de fibras puede llenarse con fibras prepreparadas o puede incluir equipo para preparar las fibras a partir de materiales de partida tales como vidrio fundido o polímeros orgánicos. La unidad 302 de suministro de fibras deposita las fibras 304 sobre una cinta 306 transportadora porosa que transporta las fibras bajo la unidad 308 de suministro de aglutinante.
La unidad 308 de suministro de aglutinante contiene una composición 310 aglutinante líquida sin curar, que se deposita sobre las fibras 304. En la realización mostrada, la composición 310 aglutinante se reviste por pulverización sobre las fibras 304 con boquillas 312 de pulverización; sin embargo, se pueden usar otras técnicas de aplicación (p. ej., revestimiento en cortina, revestimiento por inmersión) además de (o en lugar de) la técnica de revestimiento por pulverización ilustrada por las boquillas 312.
La composición 310 aglutinante aplicada sobre las fibras 304 forma una amalgama de fibras y aglutinante sobre la superficie superior de la cinta 306 transportadora. La cinta 306 puede estar perforada y/o ser porosa para permitir que el exceso de composición 310 aglutinante pase a través de la cinta 306 hasta una unidad de recogida (no se muestra) posterior. La unidad de recogida puede incluir filtros y bombas de circulación para reciclar al menos una porción del exceso de aglutinante de regreso a la unidad 308 de suministro de aglutinante.
La cinta 306 transportadora transporta la amalgama a un horno 314 donde se calienta hasta una temperatura de curado y la composición aglutinante comienza a curarse. La temperatura del horno 314 y la velocidad de la cinta 306 transportadora se pueden ajustar para controlar el tiempo y la temperatura de curado de la amalgama. En algunos casos, las condiciones del procedimiento se pueden establecer para curar completamente la amalgama hasta el compuesto que contiene fibras. En casos adicionales, las condiciones del procedimiento se pueden establecer para curar parcialmente la amalgama hasta un material compuesto en fase B.
La amalgama también puede comprimirse antes o durante la fase de curado. El sistema 300 muestra una amalgama que se comprime al pasar por debajo de una placa 316 que se estrecha hacia abajo para disminuir el espacio vertical disponible para la amalgama que se cura. La amalgama emerge de debajo de la placa 316 en un estado comprimido y tiene menos espesor que cuando entró en contacto por primera vez con la placa. El ángulo cónico formado entre la placa 316 y la cinta 306 transportadora se puede ajustar para ajustar el nivel de compresión ejercido sobre la amalgama. El material compuesto parcial o totalmente curado que emerge de debajo de la placa 316 se puede usar para una variedad de aplicaciones, incluidos materiales de construcción tales como aislamiento de tuberías, conductos y/o paredes, entre otras aplicaciones.
Ejemplos
Se realizaron pruebas de resistencia a la tracción en materiales compuestos preparados con una composición aglutinante comparativa que incluía los productos de reacción de monoetanolamina y anhídrido maleico mezclados con dextrosa (es decir, una composición aglutinante de EMD) y una composición aglutinante presente que incluye los reaccionantes anteriores en combinación con una sal que contiene nitrógeno de un ácido inorgánico en forma de fosfato de etilendiamina (es decir, una composición aglutinante de EMEPD).
La preparación de la composición aglutinante de EMD comenzó disolviendo aproximadamente 61 g (1 mol) de monoetanolamina (MEA) en 169 g de agua a temperatura ambiente en un reactor que tenía capacidad de agitación. La temperatura de la mezcla se elevaba hasta 55°C a medida que la MEA formaba una solución acuosa en el reactor. Se añadieron lentamente aproximadamente 98 g (1 mol) de anhídrido maleico a la solución acuosa de MEA de manera que la temperatura de la solución se mantuviera por debajo de 80°C. Después de disolver el anhídrido maleico, se obtuvo una solución transparente que contenía 50% en peso de sólidos. A continuación, se añadió a la solución una solución acuosa de dextrosa, donde la solución de dextrosa se preparó a partir de 1080 g (6 moles) de dextrosa anhidra disuelta en 1080 g de agua. Después de la adición de la solución acuosa de dextrosa, se añadieron 62,5 g de sulfato de diamonio para formar la composición aglutinante de EMD (una solución). La composición tiene un pH de 3,8 a 4,0.
La preparación de la composición aglutinante de EMEPD comenzó con una solución similar a la composición aglutinante de EMD descrita anteriormente (es decir, una solución de EMD), excepto que no hubo adición de sulfato de diamonio. En cambio, se disolvieron 60 g (1 mol) de etilendiamina en 141 g de agua en un segundo reactor separado. Mientras se agitaba la solución acuosa de etilendiamina, se añadieron 115,3 g (1 mol) de una solución acuosa de ácido fosfórico al 85% en peso para generar una solución al 50% en peso de sal de fosfato de etilendiamina. La solución de sal de fosfato se añadió a la solución de EMD (sin sulfato de amonio) y se agitó para mezclar completamente las soluciones y formar la composición de aglutinante de EMEPD (una solución). La solución de EMEPD tiene un pH de 4,0.
Cada una de las composiciones aglutinantes de EMD y EMEPD se formuló en muestras de 25 g que tenían un nivel de sólidos del 50% en peso y se mezclaron con 1000 g de microesferas de vidrio para preparar materiales compuestos sin curar. A continuación, se extendieron muestras de alrededor de 28,3 g (1 onza) de los materiales compuestos sin curar en moldes en forma de hueso y se prensaron en los moldes a una presión de aproximadamente 4536 kg (10.000 libras). A continuación, las muestras en forma de hueso se liberaron de los moldes y se calentaron hasta aproximadamente 204°C (400°F) durante aproximadamente 20 minutos para formar materiales compuestos en forma de hueso curados. Los materiales compuestos en forma de hueso curados tenían alrededor de 25 mm de anchura y 6 mm de espesor.
Se ensayó la resistencia a la tracción de los materiales compuestos en forma de hueso curados tanto en estado no envejecido como después de haber sido envejecidos en una atmósfera de alta humedad. Los materiales compuestos sin envejecer se tomaron directamente del horno de curado y se colocaron en un instrumento para pruebas de resistencia a la tracción Instron (Harry W. Dietert Co. - Tensile Core Grip Assembly Part No. 610-7CA) como se muestra en la Fig. 4. Los materiales compuestos envejecidos se tomaron del horno de curado y se colocaron durante 24 horas en un horno humidificador graduado a aproximadamente 95% de humedad y 49°C (120°F). Después de que las muestras envejecidas se enfriaran durante aproximadamente 8 horas, se colocaron en el instrumento Instron para probar su resistencia a la tracción.
La Fig. 5 es un gráfico que muestra los resultados de la prueba de resistencia a la tracción en muestras en forma de hueso para el presente aglutinante de EMEPD en condiciones sin envejecimiento y con envejecimiento en húmedo, así como los resultados de la prueba de resistencia para el material compuesto comparativo preparado a partir de la composición aglutinante de EMD. Los resultados demuestran que el compuesto aglutinante de EMEPD sin envejecer tiene una resistencia a la tracción significativamente mayor (2,99 MPa) en comparación con el material compuesto de EMD (1,77 MPa). Los materiales compuestos que se envejecían en húmedo en primer lugar antes de ser probados mostraban una diferencia reducida en la resistencia a la tracción entre los materiales compuestos, pero todavía tenían el material compuesto de EMEPD con una resistencia a la tracción más alta (2,25 MPa) que el material compuesto de EMD (2,17 MPa).

Claims (18)

  1. REIVINDICACIONES 1. Una composición aglutinante acuosa sin formaldehído que comprende: (i) un aldehido o cetona que es un azúcar reductor; (ii) un anhídrido orgánico, el anhídrido orgánico se elige entre anhídrido maleico, anhídrido ftálico, anhídrido tetrahidroftálico, anhídrido perhidroftálico, anhídrido itacónico y anhídrido succínico; (iii) una alcanolamina, teniendo la alcanolamina la estructura:
    donde R<1>, R<2>y R<3>se eligen independientemente entre un hidrógeno, un grupo alquilo C<1>-<10>, un grupo aromático y un grupo hidroxialquilo C<1>-<10>, y donde al menos uno de R<1>, R<2>y R<3>es un grupo hidroxialquilo; y (iv) una sal que contiene nitrógeno de un ácido inorgánico, teniendo dicha composición aglutinante un pH en el intervalo de 2 a 4,5.
  2. 2. La composición aglutinante sin formaldehído según la reivindicación 1, en la que el aldehído o cetona, el anhídrido orgánico y la alcanolamina reaccionan para formar un producto de reacción que reacciona con la sal que contiene nitrógeno del ácido inorgánico cuando la composición aglutinante se cura.
  3. 3. La composición aglutinante sin formaldehído según la reivindicación 1, en la que el azúcar reductor es dextrosa.
  4. 4. La composición aglutinante sin formaldehído según la reivindicación 1, en la que la alcanolamina se elige entre monoetanolamina, dietanolamina y trietanolamina.
  5. 5. La composición aglutinante sin formaldehído según la reivindicación 1, en la que la sal que contiene nitrógeno es una sal de amonio sustituida o no sustituida.
  6. 6. La composición aglutinante sin formaldehído según la reivindicación 1, en la que la sal que contiene nitrógeno es una sal de amonio sustituida que tiene un ion poliamonio, preferiblemente el ion poliamonio se elige entre ion etilendiamonio, ion 1,3-propanodiamonio, ion 1,4-butanodiamonio, ion 1,5-pendanodiamonio, ion 1,6-hexanodiamonio, ion a,a'-diaminoxileno, ion dietilentriamonio, ion trietilentetramonio, ion tetraetilenpentamonio e ion diaminobenceno.
  7. 7. La composición aglutinante sin formaldehído según la reivindicación 1, en la que el ácido inorgánico es ácido fosfórico.
  8. 8. La composición aglutinante sin formaldehído según la reivindicación 1, en la que la sal que contiene nitrógeno de un ácido inorgánico se elige entre fosfato de etilendiamonio y fosfato de hexametilendiamonio.
  9. 9. La composición aglutinante sin formaldehído según la reivindicación 1, donde la composición aglutinante comprende uno o más compuestos adicionales elegidos entre promotores de la adherencia, eliminadores de oxígeno, repelentes de humedad, disolventes, emulsionantes, pigmentos, cargas, adyuvantes contra la migración, adyuvantes coalescentes, agentes humectantes, biocidas, plastificantes, organosilanos, agentes antiespumantes, colorantes, ceras, agentes de suspensión, antioxidantes y catalizadores de la reticulación.
  10. 10. La composición aglutinante sin formaldehído según la reivindicación 1, en la que la alcanolamina y el anhídrido orgánico se mezclan para preparar una primera mezcla y el aldehído o cetona que es un azúcar reductor se añade a la primera mezcla para preparar una segunda mezcla y la sal que contiene nitrógeno de un ácido inorgánico, dicha sal comprende un producto de reacción de un compuesto que contiene nitrógeno con un ácido inorgánico, se añade a la segunda mezcla para preparar la composición aglutinante.
  11. 11. Un material compuesto reforzado con fibra que comprende: fibras de vidrio; y un aglutinante curado formado a partir de una composición aglutinante acuosa según la reivindicación 1.
  12. 12. El material compuesto reforzado con fibra según la reivindicación 11, en el que la composición aglutinante según la reivindicación 10 se aplica a una pluralidad de fibras para formar una amalgama de aglutinante-fibra; y calentar la amalgama de aglutinante-fibra para curar la composición aglutinante y formar el material compuesto reforzado con fibra.
  13. 13. El material compuesto reforzado con fibra según la reivindicación 11 o 12, donde el material compuesto reforzado con fibra comprende un aislamiento de edificios de fibra de vidrio.
  14. 14. El material compuesto reforzado con fibra según la reivindicación 11 o 12, en el que para la composición aglutinante: (i) el aldehido o cetona comprende dextrosa; (ii) el anhídrido orgánico comprende anhídrido maleico; (iii) la alcanolamina comprende monoetanolamina; y (iv) la sal que contiene nitrógeno del ácido inorgánico comprende una sal diamínica de ácido fosfórico.
  15. 15. Un método para preparar un material compuesto reforzado con fibra, comprendiendo el método: (i) mezclar una alcanolamina con un anhídrido orgánico para preparar una primera mezcla, teniendo la alcanolamina la estructura:
    donde R<1>, R<2>y R<3>se eligen independientemente entre un hidrógeno, un grupo alquilo C<1>-<10>, un grupo aromático y un grupo hidroxialquilo C<1>-<10>, y donde al menos uno de R<1>, R<2>y R<3>es un grupo hidroxialquilo y el anhídrido orgánico se elige entre anhídrido maleico, anhídrido ftálico, anhídrido tetrahidroftálico, anhídrido pe rh id roftálico, anhídrido itacónico y anhídrido succínico; (ii) añadir un azúcar reductor a la primera mezcla para preparar una segunda mezcla; (iii) añadir una sal que contiene nitrógeno a la segunda mezcla para preparar una composición aglutinante, donde la sal que contiene nitrógeno comprende un producto de reacción de un compuesto que contiene nitrógeno con un ácido inorgánico, y donde la composición aglutinante tiene un pH entre 2 y 4,5; (iv) aplicar la composición aglutinante acuosa a una pluralidad de fibras, preferiblemente la pluralidad de fibras comprende una estera de fibra de vidrio tejida o no tejida, para formar una amalgama de aglutinante-fibra; y (v) calentar la amalgama de aglutinante-fibra para curar la composición aglutinante y formar el material compuesto reforzado con fibra, preferiblemente el material compuesto reforzado con fibra comprende un aislamiento de fibra de vidrio.
  16. 16. El método según la reivindicación 15, en el que (i) la alcanolamina se elige entre monoetanolamina, dietanolamina y trietanolamina, (ii) el anhídrido orgánico se elige entre anhídrido maleico, anhídrido ftálico, anhídrido tetrahidroftálico, anhídrido perhidroftálico, anhídrido itacónico y anhídrido succínico, (iii) el azúcar reductor es dextrosa, (iv) el compuesto que contiene nitrógeno es una diamina y el ácido inorgánico comprende ácido fosfórico.
  17. 17. El método según la reivindicación 15, en el que la relación molar del azúcar reductor con respecto a la sal que contiene nitrógeno es de 1:50 a 50:1, preferiblemente la relación molar del azúcar reductor con respecto a la sal que contiene nitrógeno es de 1:10 a 10:1.
  18. 18. El método según la reivindicación 15, en el que el pH de la composición aglutinante varía de 3 a 4,2.
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