ES2257201B1 - Componente para producir mezclas polimericas a base de almidon termo-plastificado y un polimero hidrofugo y procedimiento de produccion de este componente. - Google Patents

Componente para producir mezclas polimericas a base de almidon termo-plastificado y un polimero hidrofugo y procedimiento de produccion de este componente. Download PDF

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Abstract

Componente para producir mezclas poliméricas a base de almidón termo-plastificado y un polímero hidrófugo y procedimiento de producción de este componente. La invención se refiere a un componente para producir moldeados termoplásticos, altamente resistente al agua, biodegradable así como claras mezclas de polímeros a base de almidón cuya resistencia y carácter biodegradable pueden ser ajustados. El componente de la invención puede utilizarse también para producir láminas, productos semiacabados o acabados, por ejemplo, para embalajes, recipientes, artículos de jardinería, especialmente auxiliares para cultivo y en otras aplicaciones. Además la invención se refiere a un procedimiento para producir un componente de acetato de polivinilo y silicato alcalino. Una suspensión de acetato de polivinilo es hidrolizada y saponificada en presencia de aditivos catalíticos, especialmente tales como glicerol en un procesamiento discontinuo, añadiendo silicato alcalino e hidróxidos a altas temperaturas. Los órgano-silicatos producidos tienen una gran homogeneidad y finura. Las pequeñas adiciones de este componente tienen un efecto positivo sobre la compatibilidad de fases del almidón hidrófilo y el polímero hidrófobo, tal como acetato de polivinilo, durante la producción por extrusión. Las propiedades del producto de extrusión son considerablemente mejoradas.

Description

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Componente para producir mezclas poliméricas a base de almidón termo-plastificado y un polímero hidrófugo y procedimiento de producción de este componente.
La invención se refiere a un componente de acetato de polivinilo y vidrio soluble alcalino para preparar mezclas poliméricas basadas en almidón, moldeables termo-plásticamente, con buena estabilidad dimensional frente al agua, biodegradables y claras, que se pueden utilizar para la producción de láminas, productos semiacabados o acabados, por ejemplo para embalajes, recipientes, artículos de jardinería, en particular recursos de cultivo, y en otras aplicaciones, y a un procedimiento para la producción de dicho componente.
En los últimos años se han dado a conocer numerosos procedimientos para la producción y el moldeo de almidón termoplástico (TPS) solo o en forma de mezcla o masa fundida polimérica o combinación polimérica (en lo sucesivo mezcla polimérica). Estos trabajos se llevaron a cabo con el objetivo de ampliar o abrir nuevos campos de aplicación para materias primas regenerativas.
Todas las invenciones conocidas hasta el momento se basan en el conocimiento de que la estructura granulosa del almidón nativo primero se puede transformar con proporciones determinadas de agua y/o alcoholes polifuncionales inferiores, como etilén-glicol, propilén-glicol, glicerol, 1,3-bután-diol, diglicérido, éteres correspondientes, y también compuestos como sulfóxido de dimetilo dimetil-formamida, dimetil-urea, dimetil-acetamida y/u otros aditivos, mediante una desintegración termodinámica para obtener un material termoplástico con ayuda de extrusoras convencionales, y después se puede moldear.
El material extrudido y los productos fabricados con el mismo tienen un valor de utilidad reducido. En particular, el material es muy hidrófilo.
Otras propuestas más recientes tratan de la adición y mezcla de polímeros resistentes al agua obtenidos sintéticamente, por ejemplo polietileno, polipropileno, policaprolactona, como componentes de mezcla para almidón. Sin embargo, en este caso surge el problema de que la compatibilidad entre los componentes poliméricos es insuficiente y las propiedades de biodegradación o también la estructura de gastos son desfavorables.
El estado actual de la técnica está ampliamente documentado en la literatura. Como referencia véase la publicación de R. F. T. Stepto et al. "Injection Moulding of Natural Hydrophilic Polymers in the Presence of Water", Chimia 41 (1987) nº 3, páginas 76-81, y la literatura citada en la misma, y por ejemplo los documentos de patente DE 4116404, EP 0327505, DE 4038732, US 5106890, DE 4117628, WO 94/04600, DE 4209095, DE 4122212, EP 0404723 o EP 407350.
En el documento DE 4038732, el almidón plastificado en la extrusora con agua y glicerol se procesa principalmente con acetato de polivinilo para obtener una mezcla polimérica. El material extrudido es más resistente al agua que el TPS. En caso de proporciones mayores de almidón, el material extrudido o las botellas fabricadas con el mismo adquieren un color entre amarillento y parduzco. En consecuencia, la cantidad de almidón utilizable está limitada a menos de un 50%.
Ya se ha propuesto un componente entre ligeramente ácido y neutro de acetato de polivinilo y vidrio soluble (DE 19533800), con el que se puede extrudir una mezcla polimérica de almidón y un polímero hidrófugo, por ejemplo acetato de polivinilo. El componente se produce a partir de vidrio soluble y acetato de polivinilo, y en caso dado otros componentes ácidos para ajustar el valor pH, en el proceso de extrusión con mezcla intensa. Se ha comprobado que incluso las adiciones pequeñas de este componente ya producen una mejora cualitativa considerable del material extrudido y los productos fabricados con él. En comparación con el estado actual de la técnica se puede utilizar una cantidad considerablemente mayor de almidón nativo sin cambio de color o sólo con un ligero cambio de color y manteniendo o mejorando la estabilidad dimensional frente al agua. Evidentemente, el componente contribuye a que las dos fases que no son compatibles en sí para la mezcla, el almidón termoplástico hidrófilo y el polímero hidrófugo, se vuelvan miscibles en un grado determinado.
Otros ensayos han demostrado que la calidad de los productos finales todavía ha de ser mejorada en lo que respecta a la resistencia y la estabilidad dimensional frente al agua. En particular no es posible fabricar láminas delgadas con un espesor inferior a aproximadamente 300 \mum.
Partiendo del objetivo ecológico de un mayor aprovechamiento de materias primas regenerativas para la fabricación económica de productos no contaminantes, la invención tiene por objeto indicar un componente con el que se puedan extrudir mezclas poliméricas biodegradables moldeables térmicamente de alta calidad a partir de almidón termoplástico y un polímero hidrófugo, por ejemplo acetato de polivinilo, e indicar un procedimiento para la producción del componente de acetato de polivinilo y vidrio soluble alcalino.
De acuerdo con la invención, el componente contiene órgano-silicatos con una estructura muy homogénea de acetato de polivinilo parcialmente saponificado y solución de silicato alcalino, otros productos de reacción producidos in situ y restos del catalizador utilizado para su producción, y se sintetiza en dispersión acuosa básica en un proceso por cargas añadiendo un catalizador de compuestos monohidroxílicos, dihidroxílicos o trihidroxílicos orgánicos de bajo peso molecular en una cantidad entre un 0,5 y un 20% con respecto a la masa del acetato de polivinilo.
Expresado de otra forma, de acuerdo con la invención, el componente se obtiene hidrolizando y saponificando en un proceso por cargas el acetato de polivinilo en presencia de aditivos catalíticos de compuestos monohidroxílicos, dihidroxílicos y trihidroxílicos orgánicos de bajo peso molecular (por ejemplo metanol, etanol, etilén-glicol, glicerol) bajo adición continua de compuestos que reaccionan de forma básica y del silicato alcalino.
El componente contiene órgano-silicatos de gran homogeneidad y finura de acetato de polivinilo parcialmente saponificado y solución de silicato alcalino, otros productos de reacción producidos in situ y restos del catalizador utilizado para su producción.
La reacción se lleva a cabo cargando primero el acetato de polivinilo en una solución aproximadamente al 50% con el catalizador y añadiendo luego bajo mezcla intensa los compuestos básicos antes de la solución de silicato alcalino o junto con ésta.
El procedimiento para producción del componente para producir mezclas poliméricas de almidón termo-plástico y un polímero hidrófugo comprende la mezcla y cizallamiento intensos a temperatura y presión elevadas de acetato de polivinilo y un silicato alcalino tal como vidrio soluble alcalino, conforme a la invención, el acetato de polivinilo se hidroliza y saponifica en un proceso por cargas en presencia de aditivos catalíticos de compuestos monohidroxílicos, dihidroxílicos y trihidroxílicos orgánicos de bajo peso molecular, en una cantidad entre un 0,5 y un 20% con respecto a la masa del acetato de polivinilo, bajo adición continua de compuestos que reaccionan de forma básica y del silicato alcalino.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, en este procedimiento el acetato de polivinilo se somete a saponificación previa con compuestos que reaccionan de forma básica hasta un grado de hidrólisis entre un 10% y un 30% y a continuación se saponifica por completo hasta un grado de hidrólisis entre un 50% y un 80%.
También en el procedimiento según la invención se elabora un órgano-silicato ligeramente alcalino con un valor pH de 7 a 8,5 a partir del acetato de polivinilo y el vidrio soluble, comenzando con un valor pH 9 a 10.
De acuerdo con otro aspecto del procedimiento de la invención se añade hidróxido de calcio al acetato de polivinilo hasta alcanzar un grado de saponificación entre un 10% y un 40%.
Según el procedimiento según la invención resulta aconsejable utilizar como catalizador metanol y/o etanol y/o etilén-glicol y/o dietilén-glicol y/o trietilén-glicol y/o glicerol.
Conforme a otro aspecto del procedimiento según la invención la totalidad de los compuestos catalizadores añadidos no supera una cantidad de un 5% a un 17% con respecto a la masa del acetato de polivinilo.
Además en el procedimiento según invención, resulta ventajoso que la proporción de mezcla entre el acetato de polivinilo y el silicato alcalino, expresada en proporciones de masa de la materia sólida, se encuentra en el intervalo entre 50:50 y 80:20.
Aún conforme a un aspecto adicional del procedimiento según la invención a la carga de reacción o al componente se añade (3-glicidiloxi-propil)-trimetoxi-silano. Aquí, la proporción de masa de silano representa entre un 3% y un 15% de la cantidad de silicato incorporada con la solución de silicato alcalino.
Conforme al procedimiento según la invención puede resultar apropiado añadir almidón nativo a la carga de reacción o al componente. Aquí, resulta adecuado añadir entre un 5 y un 15% de almidón nativo con respecto a la masa del acetato de polivinilo. Adicionalmente, junto con el almidón puede añadirse acetato de vinilo, más particularmente entre un 0,5 y un 1,5% de acetato de vinilo con respecto a la masa del acetato de polivinilo.
Se ha comprobado que con este componente se pueden extrudir mezclas poliméricas con grandes proporciones de almidón análogas a las del documento DE 19533800. Los productos fabricados con estas mezclas poliméricas tienen una calidad claramente superior en diversos parámetros, tal como se muestra más detalladamente en los ejemplos de realización. En particular, ahora ya es posible fabricar láminas con un espesor inferior a 100 \mum.
Ya se han descubierto diferentes modificaciones.
En particular, si el acetato de polivinilo se somete a una saponificación previa con hidróxido de calcio se obtiene un componente con el que se pueden producir mezclas poliméricas biodegradables de alta resistencia. Con hidróxido de calcio y disilicato sódico (en lugar de vidrio soluble) se han obtenido los mejores valores hasta el momento.
La calidad de los productos finales también se puede mejorar mediante pequeñas adiciones de almidón nativo y acetato de vinilo o silano polifuncional (por ejemplo Dynasilan GLYMO de la firma Hüls) durante la producción del componente.
El componente es sólido a temperatura ambiente y por encima de 40ºC es un líquido estructurado. Después de sacar el producto de la mezcladora, el agua sobrante se puede retirar por centrifugación. Normalmente, el producto conserva una humedad residual de un 25% a un 30% y contiene el catalizador utilizado en una cantidad aproximadamente proporcional a las cantidades utilizadas de catalizador/líquido.
La invención se describe más detalladamente a continuación en diversos ejemplos de realización.
Los diferentes componentes se producen en una mezcladora de sólido-líquido de funcionamiento discontinuo de la firma Gebrüder Lódige Maschinenbau GmbH. La mezcladora está equipada con un mecanismo de centrifugación de velocidad regulable (velocidad máxima de aproximadamente 350 r.p.m.) y un cabezal de cuchillas que se puede accionar a velocidad constante. El calentamiento tiene lugar a través de la envoltura doble de la mezcladora mediante un sistema regulador de temperatura con superposición de presión o con vapor directo.
Una vez alcanzada la temperatura de reacción de 120 a 140ºC, se requieren tiempos de reacción de 1 a 2 horas.
Se utiliza: una suspensión de acetato de polivinilo al 55%, glicerol al 99,5%, vidrio soluble de Na 37/40 al 40% y NaOH y/o Ca(OH)_{2}.
Para determinar la calidad se extrudieron análogamente al modo descrito en el documento DE 195 33 800 mezclas poliméricas basadas en acetato de polivinilo y almidón con un 10% del componente correspondiente en cada caso, y con el material extrudido se produjeron probetas y láminas planas. La proporción de masas entre el almidón y el acetato de polivinilo se mantuvo en un valor constante de 3:1 en todos los ensayos.
Las probetas se guardaron en agua a temperatura ambiente durante 24 horas y se determinó el grado de hinchamiento (H en %) y la solubilidad (S en %). El grado de hinchamiento corresponde al cociente de la diferencia entre las masas de la probeta hinchada no seca (m_{H}) y la misma probeta seca antes del hinchamiento (m_{I}) con respecto la masa inicial de la probeta seca antes del hinchamiento (m_{I}):
H = \frac{m_{H} - m_{I}}{m_{I}}
\hskip0.5cm
(en %)
La solubilidad se calcula a partir de la masa de la probeta inicial seca (m_{I}) menos la masa de la probeta remojada y secada (m_{S}) dividido por la masa de la probeta inicial seca:
H = \frac{m_{I} - m_{S}}{m_{I}}
\hskip0.5cm
(en %)
La resistencia a la tracción (\sigma en MPa), la dilatación (\varepsilon en %) y el módulo de elasticidad (en MPa) se determinaron en probetas en forma de varillas con salientes con saliente (L: 75 mm, A_{saliente}: 13 mm, A_{nervio}: 4 mm). Estas se produjeron por estampación de láminas planas extrudidas a 130ºC y se guardaron durante 24 horas con una humedad relativa del aire del 50%. El ensayo se llevó a cabo a una velocidad de 200 mm/min y las mediciones se realizaron según ISO 527.
Los valores numéricos indicados en la tabla (véase más abajo) representan valores medios de varias mediciones comparables.
Ejemplo 1
En una mezcladora de laboratorio no calentada se cargan y pesan 1.600 g de suspensión de acetato de polivinilo y 120 g de glicerol y se calientan a la temperatura de reacción de 140ºC bajo agitación con el mecanismo de centrifugación (n 300-350 r.p.m.). A través de una bomba de micro-dosificación se dosifican de forma continua en el medio de reacción caliente 900 g de la solución de silicato sódico, enriquecida con 171 g de hidróxido de sodio, contra la presión existente en el interior de la mezcladora, que corresponde a la temperatura y el contenido de agua. La velocidad de dosificación se elige de tal modo que al finalizar ésta se hayan completado esencialmente las reacciones deseadas. En el ejemplo, el tiempo de dosificación y reacción es de 2 horas. A lo largo de toda la dosificación también está conectado el cabezal de cuchillas además del mecanismo de centrifugación. Después de la dosificación de la solución de silicato sódico se lleva a cabo un lavado con sosa cáustica 0,25 N para conducir el vidrio soluble restante a la mezcla de reacción.
Las propiedades de la mezcla polimérica extrudida están incluidas en la siguiente tabla bajo Ejemplo 1.
Para comparar se produce un componente análogo al del documento DE 19533800, pero también en un proceso por cargas (es decir, en mejores condiciones). Las propiedades de la mezcla polimérica extrudida están incluidas en la siguiente tabla bajo Ejemplo 0.
Se puede observar que los valores de la mezcla polimérica extrudida con el componente producido según la invención son mejores, pero sobre todo se pueden producir láminas considerablemente más delgadas que las producibles hasta ahora.
Ejemplo 2
Se procede como en el Ejemplo 1, pero en lugar de la cantidad de hidróxido de sodio añadida al silicato sódico se añade una cantidad equi-molar de hidróxido de calcio a la carga de reacción. Después de calentar la carga se dosifica el vidrio soluble con la bomba de micro-dosificación y la reacción se finaliza tal como se describe en el Ejemplo 1.
Ejemplo 3
El hidróxido de calcio se introduce y pesa en la mezcla de acetato de polivinilo/glicerol y se homogeneiza de forma íntima. A continuación, la carga se calienta a la temperatura de reacción y se mantiene a esa temperatura durante más de una hora. Después se lleva a cabo la dosificación del silicato sódico como en los Ejemplos 1 y 2.
El grado de saponificación previa se puede modificar variando el tiempo y la temperatura de reacción y la concentración de las sustancias de partida básicas.
La resistencia al agua de la mezcla polimérica se mejora mediante la utilización de hidróxido de calcio y en particular mediante la variante de la saponificación previa (véase la tabla, Ejemplos 2 y 3).
Ejemplo 4
Antes de la saponificación previa se añade a la carga de reacción un 5% de almidón de patata, con respecto al peso de la carga de suspensión de acetato de polivinilo, y se somete a reacción del modo descrito en el Ejemplo 1. Los valores son en determinada medida peores que los del Ejemplo 1 (tabla, Ejemplo 4).
Ejemplo 5
Al producto de reacción de acetato de polivinilo, hidróxido de sodio y silicato sódico se le añaden un 5% de almidón de patata y un 0,5% de acetato de vinilo, con respecto al peso de la carga de suspensión de acetato de polivinilo, y se lleva a cabo una trans-esterificación durante una hora a 40ºC. Las propiedades del producto mejoran considerablemente (tabla, Ejemplo 5).
Ejemplo 6
La adición de un 5% de un silano organofuncional polar con un grupo glicidilo y con grupos metoxilano hidrolizables (Dynasilan GLYMO, firma Hills), con respecto a la masa del silicato incorporado en el componente a través del silicato sódico, también influye positivamente en las propiedades del compuesto extrudido (tabla, Ejemplo 6). Para ello, la cantidad incorporada y pesada del silano del componente acabado se mezcla a una temperatura inferior a 100ºC. La masa se calienta a 120ºC y se agita durante 20 minutos a esa temperatura.
Ejemplo 7
La síntesis de un componente consistente en la suspensión de acetato de polivinilo parcialmente saponificada con hidróxido de calcio y el disilicato sódico ofrece otra posibilidad de influir en el perfil de propiedades de las mezclas de almidón/acetato de polivinilo extrudidas. La composición de la carga de reacción se elige de tal modo que corresponda al grado de saponificación y el contenido de silicato del componente según el Ejemplo 1. En el recipiente se cargan y pesan la suspensión de acetato de polivinilo, el hidróxido de calcio y el disilicato sódico, se calientan a temperatura de reacción y se mantienen a dicha temperatura durante un tiempo correspondiente a la dosificación del vidrio soluble (2 h) (tabla, Ejemplo 7).
TABLA
Valores de las propiedades de las mezclas poliméricas extrudidas con los diferentes componentes según
la invención (Ejemplos 1 a 7) y el componente comparativo (Ejemplo 0)
Ejemplo Componente Q L \sigma \varepsilon Módulo de elasticidad
(%) (%) (MPa) (%) (MPa)
0 Fórmula según DE 195 33 800 142 20 8 80 76
1 NaOH disuelto en silicato sódico 113 16 10,9 74 88
2 Ca(OH)_{2}, sin saponificación previa 95 17 9,8 91 126
3 Ca(OH)_{2}, con saponificación previa 90 16 10,5 77 155
4 Con almidón de patata 129 21 6,7 118 23
5 Con almidón de patata y acetato de vinilo 105 14 12,6 62 293
6 con Dynasilan GLYMO 106 15 13,4 75 216
7 con Ca(OH)_{2} y disilicato sódico 87 15 15,4 56 464

Claims (17)

1. Componente para producir mezclas poliméricas de almidón termo-plastificado y un polímero hidrófugo, por ejemplo acetato de polivinilo, caracterizado porque, el componente contiene órgano-silicatos con una estructura muy homogénea de acetato de polivinilo parcialmente saponificado y solución de silicato alcalino, otros productos de reacción producidos in situ y restos del catalizador utilizado para su producción, y se sintetiza en dispersión acuosa básica en un proceso por cargas añadiendo un catalizador de compuestos monohidroxílicos, dihidroxílicos o trihidroxílicos orgánicos de bajo peso molecular en una cantidad entre un 0,5 y un 20% con respecto a la masa del acetato de polivinilo.
2. Procedimiento para producción del componente de la reivindicación 1, que comprende la mezcla y cizallamiento intensos a temperatura y presión elevadas de acetato de polivinilo y un silicato alcalino tal como vidrio soluble alcalino, caracterizado porque el acetato de polivinilo se hidroliza y saponifica en un proceso por cargas en presencia de aditivos catalíticos de compuestos monohidroxílicos, dihidroxílicos y trihidroxílicos orgánicos de bajo peso molecular, en una cantidad entre un 0,5 y un 20% con respecto a la masa del acetato de polivinilo, bajo adición continua de compuestos que reaccionan de forma básica y del silicato alcalino.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque el acetato de polivinilo se somete a saponificación previa con compuestos que reaccionan de forma básica hasta un grado de hidrólisis entre un 10% y un 30% y a continuación se saponifica por completo hasta un grado de hidrólisis entre un 50% y un 80%.
4. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque a partir del acetato de polivinilo y el vidrio soluble, comenzando con un valor pH 9 a 10, se elabora un órgano-silicato ligeramente alcalino con un valor pH de 7 a 8,5.
5. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque se añade un hidróxido junto con el vidrio soluble alcalino o antes de la adición de éste.
6. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque se añade hidróxido de calcio al acetato de polivinilo hasta alcanzar un grado de saponificación entre un 10% y un 40%.
7. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque como catalizador se utilizan metanol y/o etanol y/o etilén-glicol y/o dietilén-glicol y/o trietilén-glicol y/o glicerol.
8. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la totalidad de los compuestos catalizadores añadidos no supera una cantidad de un 5% a un 17% con respecto a la masa del acetato de polivinilo.
9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque en el proceso por cargas primero se carga acetato de polivinilo en forma de una suspensión acuosa, se calienta a la temperatura de reacción de 100ºC a 150ºC, el compuesto que reacciona de forma básica se añade por dosificación de forma continua para la saponificación previa y, una vez alcanzado el grado de saponificación deseado, se añade por dosificación la solución de vidrio soluble alcalino a la temperatura de reacción.
10. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la proporción de mezcla entre el acetato de polivinilo y el silicato alcalino, expresada en proporciones de masa de la materia sólida, se encuentra en el intervalo entre 50:50 y 80:20.
11. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque en lugar de la solución de silicato alcalino se utiliza como mínimo en parte di-silicato di-sódico y un hidróxido.
12. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque se añade (3-glicidiloxi-propil)-trimetoxi-silano a la carga de reacción o al componente.
13. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado porque la proporción de masa de silano representa entre un 3% y un 15% de la cantidad de silicato incorporada con la solución de silicato alcalino.
14. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque se añade almidón nativo a la carga de reacción o al componente.
15. Procedimiento según la reivindicación 14, caracterizado porque se añade entre un 5 y un 15% de almidón nativo con respecto a la masa del acetato de polivinilo.
16. Procedimiento según la reivindicación 14, caracterizado porque junto con el almidón se añade acetato de vinilo.
17. Procedimiento según la reivindicación 16, caracterizado porque se añade entre un 0,5 y un 1,5% de acetato de vinilo con respecto a la masa del acetato de polivinilo.
ES200402763A 1999-08-06 2004-11-17 Componente para producir mezclas polimericas a base de almidon termo-plastificado y un polimero hidrofugo y procedimiento de produccion de este componente. Withdrawn - After Issue ES2257201B1 (es)

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