Comprimé d'hydroxyéthylcellulose et procédé pour sa préparation
La présente invention concerne la cellulose qui a été substituée au moyen d'oxyde d'éthylène et ainsi transformée en hydroxyéthylcellulose de différents degrés de substitution, et a pour objet un produit d'hydroxyéthylcellulose perfectionné et un procédé de préparation de ce produit. L'hydroxyéthylcellulose (HEC) se présente sous forme d'une masse fibreuse et duveteuse de faible densité apparente, et le but de l'invention est la transformation de cette masse volumineuse en un produit de densité beaucoup plus élevée sans porter préjudice à sa transformation ultérieure en d'autres produits finals à base de HEC. Ce but est atteint par une mise de la masse sous forme de comprimés dans des conditions bien déterminées.
Le produit qui fait l'objet de l'invention est un comprimé d'hydroxyéthylcellulose alcali-soluble, exempt de vernissage, facilement dispersable dans l'eau, formé de particules d'hydroxyéthylcellulose à 2-8 /o de substitution par l'oxyde d'éthylène, et ayant une teneur en humidité de 40 O/o à 58 /o, ce comprimé ayant une densité apparente qui varie entre une valeur maximum comprise entre 0,48 à 0,56 g/cc pour une teneur en humidité des particules de 40 o/o et une valeur minimum de cette densité apparente comprise entre 0,32 à 0,40 g/cc pour une teneur en humidité des particules de 58 0/o.
L'invention est basée sur notre découverte d'une corrélation critique entre la densité apparente, la teneur en humidité et le degré de substitution de la fibre. Les comprimés de HEC produits conformément à l'invention représentent une forme très favorable pour la vente, du fait qu'ils peuvent être emballés et expédiés économiquement, stockés dans un espace relativement petit, et être transformés en produits par l'utilisateur ou fabricant final pratiquement aussi facilement, en ce qui concerne la dispersion et la solubilisation, que s'il s'agissait de la masse lâche originale.
Au cours de nos recherches, nous avons rencontré des difficultés pour former des comprimés de densité apparente suffisamment élevée et qui puisse se redisperser dans l'eau, redevenir une masse fibreuse lâche, sans que les fibres présentent une agglomération excessive susceptible de vernisser ou de cémenter la surface. Cette partie vernissée ne se disperse pas facilement dans l'eau et ne peut se dissoudre rapidement que dans les solutions caustiques diluées.
I1 est préférable qu'un déchiquetage préalable avec un lubrifiant des fibres, qui est par lui-même un agent dispersant en même temps qu'un lubrifiant, soit effectué. Des comprimés de HEC peuvent ainsi être produits économiquement et présenter la dispersabilité nécessaire à leur transformation de manière pratique en formes dispersables ou solubles.
La masse de HEC préférée, pour être traitée conformément à l'invention, a un degré de substitution par l'oxyde d'éthylène tel qu'elle est essentiellement insoluble dans l'eau tout en étant soluble dans la soude caustique diluée et appropriée pour la préparation de solutions formeuses de filaments et de pellicules en vue de la transformation en filaments ou en pellicules tenaces et limpides de HEC, et en d'autres produits.
I1 est important que le degré de substitution par l'oxyde d'éthylène soit tel que la HEC soit à l'état fibreux, que la limite inférieure de ce degré de substitution soit d'au moins environ 2 o/o en poids, pour que la HEC puisse se dissoudre dans une solution diluée d'hydroxyde de sodium, et que sa limite supérieure ne dépasse pas environ 8 O/o en poids, pour prévenir le gonflement et une solubilité au moins partielle dans l'eau.
La masse de HEC peut être produite à partir de bourre de coton ou de pulpe de bois, de préférence à partir d'une cellulose de longueur de chaîne uniforme que l'on transforme en alcali-cellulose et fait réagir avec de l'oxyde d'éthylène. Dans l'intérêt de la qualité du produit et du contrôle, il est important que la substitution soit uniforme à n'importe quel degré donné, et pour cette raison nous préférons former la HEC par le procédé décrit dans le brevet des
USA No 2847411.
Il est important que le produit ait une forte densité, pour l'économie du transport, mais qu'il puisse se disperser librement en fibres séparées dans l'eau, cette dispersion constituant le stade préliminaire des traitements de transformation de la HEC effectués par l'utilisateur final. Pour que la HEC puisse être dispersée ou dissoute de manière pratique, il est nécessaire que, dans un premier stade, les comprimés se désintègrent rapidement et uniformément dans l'eau, en une suspension fibreuse ou dispersée, en général à l'aide de moyens d'agitation mécanique.
Dans un second stade, un alcali peut être ajouté pour la solubilisation. Si nécessaire, un troisième stade, consistant en un refroidissement, améliore la qualité de la solution. Si la teneur en humidité de la masse et le degré de compression ne sont pas rigoureusement déterminés et équilibrés, les comprimés deviennent vernissés ou cémentés , et par conséquent les fibres ne se séparent pas pendant la redispersion, et si l'on tente de les dissoudre dans une solution caustique diluée, on obtient une masse visqueuse très difficile à filtrer.
I1 existe divers facteurs technologiques et diverses conditions qui, par exemple, déterminent la possibilité d'une production commerciale des comprimés, et qui peuvent être englobés par l'expression de élaborabilité , qui embrasse des caractéristiques opératoires telles que consommation d'énergie pendant la mise en comprimés, quantité de matière recyclée dans cette opération, faculté réelle d'être mise en comprimés, c'est-à-dire la mesure dans laquelle des comprimés compacts pouvant être soumis à des opérations subséquentes sont formés, facilité de séchage des comprimés, quantité de matière recyclée pendant le séchage, et dégradation du produit pendant la formation des comprimés. Les propriétés des comprimés qui sont importantes pour l'utilisateur final des comprimés de HEC peuvent être désignées par dispersabilité .
L'une des propriétés les plus importantes de cette catégorie est la dispersabilité dans l'eau, puisque le premier stade de la préparation d'une solution de HEC dans les alcalis est la dispersion des comprimés dans l'eau jusqu'à ce que les fibres soient séparées les unes des autres et qu'il n'y ait plus d'amas fibreux. La filtrabilité de la solution alcaline de HEC résultante dépend directement de la dispersabilité dans un laps de temps de mélange raisonnable.
Le problème résolu par la présente invention consiste en la production de comprimés denses dans des conditions d'élaborabilité qui sont économiques pour le producteur des comprimés, ces derniers ayant les propriétés physiques et chimiques d'une bonne dispersabilité, et sont par conséquent pratiques à traiter par l'utilisateur final.
Si le taux de substitution d'une HEC initiale est d'environ 4 o/o et sa teneur en humidité inférieure à 45 /o, la densité apparente ne peut pas être poussée jusqu'à la valeur désirée dans la pratique, sans vernissage et diminution de la dispersabilité de la HEC.
D'autre part, si la teneur en humidité est supérieure à 60 /o, la HEC ne peut pas donner des comprimés stables par compression.
Si la teneur en humidité de la HEC de départ était inférieure à 40 O/o, des comprimés pourraient encore être formés, mais l'élaborabilité et la dispersabilité subséquente seraient sacrifiées car il se formerait des comprimés extrêmement durs et fortement vernissés (avec une consommation d'énergie excessive), et ces comprimés ne sont guère utilisables.
Les limites extrêmes pratiques de teneur en humidité sont de 40 à 60 o/,,, mais les limites commerciales optimum de teneur en humidité pour la mise en comprimés d'une masse de HEC sont de 50 à 55 O/o. La densité apparente des comprimés diminue avec les teneurs en humidité croissantes de la HEC de départ mais au-delà d'environ 60 O/o d'humidité dans la HEC de départ, il ne se forme plus de comprimés, la masse restant pratiquement inchangée après son passage dans la machine à faire les comprimés.
Nous avons également trouvé que l'incorporation facultative d'une faible proportion d'un lubrifiant des fibres dans les fibres de la HEC facilite le déchiquetage des fibres et une formation uniforme des comprimés avec une faible consommation d'énergie, ainsi qu'une redispersion aisée. Une substance tensioactive, telle que le Tetronic 304 , le Pluronic L-64 ou le Carbowax 1540 marques de fabrique, outre qu'elle améliore l'élaborabilité en diminuant la puissance nécessaire à la mise en comprimés de la masse et en augmentant la densité apparente réalisable, assure la présence d'un agent de pénétration incorporé qui augmente la dispersabilité des comprimés au cours de l'utilisation subséquente.
Le lubrifiant des fibres permet de comprimer jusqu'à une densité apparente plus élevée avec moins d'effort et sans détérioration de la qualité des comprimés (vernissage). L'addition éventuelle d'un lubrifiant des fibres, en proportion de 0,05 à 0,20 o/o en poids de la cellulose, modifie ces propriétés et étend le domaine utile de la mise en comprimés. I1 en résulte que tout comprimé formé dans les limites de conditions mentionnées plus haut a un comportement amélioré.
Les comprimés peuvent être confectionnés par refoulement de la masse déchiquetée à travers une filière, de manière à former des comprimés mesurant 3,17-9,5 mm de diamètre et 12,7-25,4 mm de longueur.
Après l'ajustement de l'humidité et l'addition du lubrifiant des fibres agissant également comme dispersant, il est préférable de déchiqueter ou réduire en peluche pour assurer une alimentation uniforme de la matière fibreuse sur la surface de la filière, cette matière étant pratiquement exempte de noeuds. Elle est plus uniforme et exempte de noeuds si un additif du type mentionné est utilisé.
L'agent tensio-actif désiré est un agent qui, en plus de lubrifier pendant le déchiquetage et la mise en comprimés, agit comme agent mouillant, adjuvant de pénétration et dispersant des fibres lorsque les comprimés sont redispersés. L'agent tensio-actif doit également être compatible et être favorable au procédé dans lequel les comprimés sont utilisés. Les substances convenant le mieux pour cet emploi sont les polyéthylène glycols simples et les polyéthylène-polypropylène glycols complexes tels que les Carbowax , les Pyronic et les 4 Tetronic .
La densité des comprimés est mesurée en g/cc et varie entre un maximum de 0,48 à 0,56 pour une teneur en humidité de 40 o/o à un minimum de 0,32 à 0,40 pour une teneur en humidité de 58 /o. Pour les teneurs en humidité intermédiaires, les densités apparentes varient proportionnellement entre ces limites supérieure et inférieure, et l'addition d'un lubrifiant des fibres comparable au Pluronic L-64 permet d'augmenter uniformément la densité d'environ 10 oxo ou même 20 oxo pour chaque teneur en humidité, sans effet défavorable sur la dispersabilité des comprimés.
La facilité de dispersion peut être déterminée par inspection visuelle au moment où les comprimés de l'invention se désintègrent ou se séparent en fibres libres dans l'eau; de bons comprimés se séparent en une suspension fibreuse dans l'espace de quelques secondes ou minutes ; des comprimés médiocres peuvent nécessiter des heures pour le même résultat.
Cependant, une mesure plus technique de la dispersabilité des types alcalisolubles consiste à mesurer la filtrabilité d'une solution des comprimés de HEC dans la soude caustique après les opérations de dispersion normales. Pour cela, on mesure la quantité de solution en grammes qui traverse une surface de filtre de 1 cl2 jusqu'au colmatage du filtre par les résidus insolubles.
Le pourcentage d'humidité dans la masse de HEC auquel on se réfère dans cet exposé est déterminé par les méthodes ordinaires basées sur la différence entre le poids tel quel et le poids séché à l'étuve .
Les exemples suivants illustrent la production de comprimés conformément à l'invention et leurs propriétés comparatives.
Exemple I
On a déchiqueté une HEC de départ (4 o/o de substitution par l'oxyde d'éthylène) de teneur en humidité uniforme (45 o/o d'humidité, 55 o/o de HEC absolument sèche et contenant 0,1 O/o de l'agent tensio-actif Pluronic La64,, en une masse fibreuse uniformément divisée par un seul passage dans une dichiqueteuse de laboratoire de 30,5 cm. On a ensuite fait arriver la masse déchiquetée dans une machine à comprimés de laboratoire, pourvue d'une filière d'un diamètre de 6,3 mm. Les fibres lubrifiées ont été comprimées dans les orifices de 6,3 mm et tronçonnées en longueurs d'environ 12,7 mm après l'extrusion. Un jeu de 0,15 mm entre la filière et un rouleau à pression a été employé.
Un débit d'alimentation uniforme a été maintenu ainsi qu'une décharge uniforme du produit. Des comprimés bien formés sans vernissage superficiel ont été obtenus sans que la machine soit surchargée et sans consommation d'énergie excessive. Ces comprimés ont été séchés dans un séchoir du type rotatif jusqu'à une teneur en humidité de 7 O/o (93 o/o de HEC absolument sèche).
Ces comprimés séchés ont présenté une densité apparente de 0,48 g/cc et une teneur en fines de moins de 1 o/o. Le produit a présenté une brillance (réflectivité) égale à celle de la masse originale, ce qui dénote que le dégagement dv chaleur dû à la friction n'a pas été excessif. La dispersabilité, mesurée par le temps nécessaire à la désintégration dans l'eau jusqu'à séparation des fibres, a été inférieure à 1 mn.
La filtration d'une solution alcaline (8,0 o/o de HEC et 7,0 /o de NaOH) préparée à partir de ces comprimés a donné une valeur de colmatage de 500 g/cm ?.
La filtrabilité de la matière de départ était aussi de 500 g/cm2.
Exemple 2, à titre comparatif
Une masse de HEC de 4 o/o de substitution par l'oxyde d'éthylène et d'une teneur d'humidité de 60 /o (40 O/o de HEC absolument sèche) ne contenant pas d'agent tensio-actif Pluronic L-64 a été fournie à la filière après déchiquetage, au même débit que dans l'exemple 1. La matière fibreuse a traversé la filière sans agglomération appréciable et il ne s'est formé que peu ou pas de comprimés. La matière sortant de la filière était encore sous forme de masse, simplement avec une densité un peu plus forte (0,19 g/cc) que la matière de départ (0,16 g/cc).
La matière sortant de la filière n'a donc pas été très différente de la matière de départ et cette dernière s'est montrée fondamentalement incapable d'être mise en comprimés.
Une matière de départ analogue contenant 58 o/o d'humidité a formé des comprimés d'une densité apparente de 0,32-0,35 g/cc.
Exemple 3, à titre comparatif
Une masse de HEC prédéchiquetée (4 O/o de substitution par l'oxyde d'éthylène, 45 o/o d'humidité) ne contenant pas d'agent tensio-actif, a été fournie à la machine à comprimés au même débit que dans l'exemple 1. La puissance nécessaire à l'actionnement de la machine a été de plus du double de celle nécessaire dans l'exemple 1. Un chauffage considérable s'est produit dans la chambre de la filière au cours de l'essai, et le produit sortant de la filière avait une température très supérieure à celle de la matière de départ. Il s'est produit un vernissage important, au point que certains comprimés se sont montrés presque translucides.
La densité apparente a été forte (0,61 g/cc) mais la dispersabilité des comprimés a été très mauvaise, la plupart des comprimés restant partiellement intacts même après 20 mn de mélange dans l'eau. En plus du vernissage, la surface des comprimés a présenté une plus forte coloration, due à la haute température développée pendant la mise en comprimés. Ceci s'est traduit par un bas niveau de brillance dans le produit comprimé, outre la mauvaise dispersabilité de ces comprimés, un espace de temps beaucoup plus long a été nécessaire pour mélanger une solution standard dans l'alcali. L'effet défavorable sur la qualité du produit ressort également de la filtrabilité de la solution alcaline standard (100 g/cm2).
Une matière semblable, mais contenant 0,1 o/o de Pluronic L-64 et 50 O/o d'humidité a formé des comprimés d'une densité apparente de 0,51 g/cc et d'une excellente dispersabilité.