ES2304863A1

ES2304863A1 - Papel retardante de llama.

Info

Publication number: ES2304863A1
Application number: ES200650009A
Authority: ES
Inventors: Ann Denholm
Original assignee: William Allen Trusts Pty Ltd
Current assignee: William Allen Trusts Pty Ltd
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2024-07-16
Also published as: EP1651813A4; WO2005012638A1; US7510628B2; AU2003903873A0; EP1651813A1; US20070082194A1; ES2304863B1

Abstract

Método de tratamiento de un papel fabricado impregnado en resina para hacer al papel retardante de llama, comprendiendo dicho método la adición de un compuesto retardante de llama que contiene bórax y fosfato de diamonio introducido en el papel. Es un objetivo de la invención que el sistema retardante de llama mejore cualquier degradación de las características físicas deseables de los materiales fibrosos. En particular, las características de absorción por efecto de mecha y retención de líquido no deberían ser indebidamente degradadas cuando el material base sea papel que puede absorber por efecto de mecha ("wickable"). Es un objetivo adicional que los sistemas retardantes de llama de las realizaciones de la presente invención no sean significativamente degradados cuando el material fibroso tratado con resina sea sumergido continuamente en agua en circulación.

Description

Papel retardante de llama.

Campo técnico

Esta invención se refiere a las propiedades retardantes de llama de papel impregnado con resina.

Antecedentes de la técnica

A lo largo de esta descripción y las siguientes reivindicaciones, salvo que el contexto requiera lo contrario, la palabra "comprenden" o variaciones tales como "comprende" o "comprender", se entenderá que implica la inclusión de un número entero o etapa o grupo de números enteros o etapas indicados.

La referencia a cualquier técnica anterior en esta memoria descriptiva no es y no se debe considerar como la admisión o cualquier forma de sugerencia de que la técnica anterior forma parte del dominio público en Australia.

El papel consiste en un tejido complejo de fibras celulósicas más o menos unidas entre sí en una matriz. Las características de las fibras y la naturaleza de la matriz que las mantiene unidas entre sí crean la capacidad de absorción por efecto de mecha y retención de líquido dentro de la matriz de forma que la masa del papel se humedece a una distancia considerable del punto de entrada del líquido. Esta característica es indeseable en muchas aplicaciones del papel. Por ejemplo, es necesario que el papel de escritura y de impresión, tengan una característica de absorción por efecto de mecha muy baja con el fin de evitar que la tinta marque las fibras a cualquier distancia de su aplicación, manteniendo de esta forma líneas clara y marcadamente definidas sólo en los sitios en los que el bolígrafo o la impresora han aplicado la tinta.

Sin embargo, hay otras aplicaciones en las que la capacidad de absorción por efecto de mecha, retención y sustitución de líquido del papel es una característica muy conveniente. Un ejemplo de dicha aplicación es el medio de evaporación usado en forma de almohadillas de evaporación en un acondicionador de aire evaporativo. En esta aplicación, el rendimiento de enfriamiento del acondicionador evaporativo depende mucho del agua que se distribuya por toda la matriz de la almohadilla de evaporación y que de esta forma asegure que todo el aire que pasa por la almohadilla de evaporación se pone en contacto sólo con superficies húmedas dentro de la almohadilla. El enfriamiento del aire que pasa por la almohadilla por evaporación del agua que humedece la almohadilla sólo se puede producir en superficies húmedas de forma continua. Cualquier superficie que no se mantenga en estado húmedo de forma continua, no enfriará el aire que incide en ella, mermando de esta forma el efecto global de enfriamiento del acondicionador.

En el diseño de un enfriador evaporativo un objetivo es siempre distribuir el agua regular y uniformemente por toda la almohadilla de evaporación con el fin de lograr el máximo efecto de enfriamiento en el aire que pasa a través de ella. En términos prácticos, no es posible la completa distribución uniforme de agua y en cualquier dispositivo práctico siempre habrá partes de la almohadilla de evaporación que no estén directamente húmedas. También es siempre muy conveniente que el material del cual está hecha la almohadilla de evaporación pueda absorber agua por efecto de mecha desde el punto de aplicación del agua al área superficial general del material. Para alcanzar este objetivo, los fabricantes de papel ofrecen papel que es muy absorbente y capaz de absorber líquidos por efecto de mecha a una distancia considerable. Una propiedad relacionada de este papel es la capacidad de sustituir líquido dentro de la matriz de papel. Estos papeles se comercializan como "papel kraft absorbente" o similar.

El papel usado para fabricar componentes tales como almohadillas de acondicionadores evaporativos también debe tener una vida útil larga en las duras condiciones de estar continuamente húmedo mientras está en uso, y sometido a ciclos húmedos y secos repetidos. El papel también debe aguantar el rigor de estar expuesto a la luz del sol (en particular al componente de luz ultravioleta de la luz solar) y a los extremos del clima. Si las almohadillas de evaporación, o aplicaciones similares, estuvieran hechas simplemente del papel como lo suministra el fabricante de papel, la vida útil sería muy corta antes de que el material base del papel se volviera a convertir en una pasta papelera.

Para potenciar la vida útil de estos productos, en general el papel se trata con una resina protectora que tiene el efecto de proteger las fibras de celulosa por encapsulación. Es importante lograr esta encapsulación sin interferir en las propiedades absorbentes de las fibras porosas de celulosa. Este procedimiento de protección protege a la celulosa de los elementos y potencia las propiedades físicas del producto final haciéndolo más fuerte, más rígido y resistente a la inmersión en agua a largo plazo. Es necesario potenciar estas propiedades de la resina sin mermar la propiedad deseable de que tenga capacidad de absorber líquidos por efecto de mecha. Una resina usada ampliamente para este propósito es el polímero termoestable de fenol-formaldehído, aunque se pueden usar otros polímeros termoestables. Esta resina se puede aplicar en una forma líquida penetrando así en toda la matriz del papel y recubriendo las fibras de celulosa de ésta. Después el papel se puede procesar en cualquier forma conveniente, y curar y endurecer la resina por aplicación de calor. Una vez curada, la resina rodea y protege las fibras en el papel permitiendo de esta forma que el papel aguante la inmersión en agua a largo plazo sin merma de las propiedades físicas. La cantidad de resina incorporada en el papel debe mantenerse en unos límites estrechos. Si hay poca resina presente en el papel no estará suficientemente protegido. Si hay demasiada resina, estarán comprometidas las características de absorción por efecto de mecha del papel.

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Aunque estos métodos de tratamiento y procesado del papel son conocidos, en la práctica se encuentra que hay otra característica importante del papel que no se potencia con el tratamiento con resina termoestable. Se encuentra que la tendencia del papel a quemarse cuando se somete a la llama o a ascuas todavía es alta cuando se trata dentro del intervalo deseado de contenido de resina, incluso aunque la mayoría de las resinas termoestables no son inherentemente inflamables. La capacidad de combustión que retiene es un subproducto de la porosidad que mantiene el papel con áreas abiertas para la transferencia de agua. La tendencia a la combustión es más importante en algunas aplicaciones del papel tratado. En el ejemplo anterior de un acondicionador de aire evaporativo, el alojamiento de un ascua en la almohadilla de evaporación cuando no se usa el acondicionador, y por lo tanto está seco, podría dar como resultado fácilmente que el acondicionador se incendiara siendo un riesgo para la vida y la propiedad.

Es muy conveniente hacer que el papel tratado para usar en estas aplicaciones sea ignífugo para evitar estas consecuencias. Aunque hay muchos métodos conocidos para hacer que el papel sea ignífugo, las duras condiciones de funcionamiento de la almohadilla del acondicionador evaporativo usado como ejemplo en esta memoria, hacen que estos métodos no sean eficaces. El mecanismo del retardante de llama usado debe poder aguantar la continua inmersión en agua durante muchos años sin que se produzca lixiviación y se vuelva así ineficaz. Además, debe ser no volátil y no debe disiparse de la base del papel con el tiempo. El mecanismo tampoco debe interferir en las características deseables de humectabilidad y procesabilidad del papel.

Robinson et al., en el documento US 5.723.020 "Fire-retardant saturating kraft paper" describen un mecanismo para hacer el papel ignífugo. El método descrito por Robinson añade los productos químicos retardantes de llama trihidrato de alúmina y borato sódico al tejido estructurado de celulosa del papel durante la fase de fabricación del papel. Aunque es un método eficaz para hacer que el papel sea retardante de llama, el método sólo está disponible para el fabricante de papel, puesto que la estructura del tejido estructurado de celulosa sólo se puede mejorar antes del procesado de la pasta papelera en papel. El método no es útil para el fabricante que compra papel kraft absorbente en el mercado general para convertirlo, por ejemplo, en almohadillas de evaporación para los acondicionadores evaporativos. Además, este método da como resultado papel que ya no tiene las características de absorción por efecto de mecha requeridas en los ejemplos de aplicación citados, debido al efecto de rellenado de la porosidad del papel del trihidrato de alúmina.

Lowe y Cabello en el documento GB 901.663 describen un método de fabricación de materiales ignífugos para usar en la fabricación de plásticos laminados. Su método requiere la adición de una sal inorgánica soluble en agua a la mezcla de la resina antes de la saturación del material base de fibra, y curado de la resina. Aunque es eficaz como retardante de llama, este método no tiene en cuenta la inmersión en agua del producto resultante a largo plazo. Las pruebas de los retardantes de llama que implican simplemente la adición de sales inorgánicas solubles en las mezclas de resina, indican que los productos químicos retardantes de llama lixivian fácilmente por inmersión en agua y posteriormente cuando el material está seco disminuye rápidamente la resistencia al fuego.

Descripción de la invención

Un objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema retardante de llama para proteger materiales fibrosos inflamables tratados con resinas protectoras.

Un objetivo de una realización preferida de la invención es que el sistema retardante de llama mejore cualquier degradación de las características físicas deseables de los materiales fibrosos. En particular, no deben degradarse en exceso las características de absorción por efecto de mecha y retención de líquido, cuando el material base es un papel "que puede absorber por efecto de mecha".

Un objetivo adicional es que los sistemas retardantes de llama de las realizaciones de la presente invención no se degraden significativamente cuando el material fibroso tratado con resina se sumerja continuamente en agua en circulación.

La presente invención proporciona en un aspecto un método de tratamiento de papel fabricado impregnado con resina para hacer que el papel sea retardante de llama, y dicho método comprende la adición de un compuesto retardante de llama que contiene bórax y fosfato de diamonio introducido en el papel.

En una forma preferida adicional, un material fibroso tratado con resina, que incluye el sistema retardante de llama de una realización de la presente invención, satisface de forma ideal los requisitos de los laboratorios aseguradores de EE.UU., de la normativa UL94 para la prueba de combustión del material de muestra, y los requisitos de la normativa internacional IEC335-1. Ambas normativas se refieren a la seguridad contra incendios de aparatos y/o componentes individuales.

Preferiblemente, la mezcla retardante de llama permanece unida al sistema de resina y no es desplazada por la inmersión en agua del papel tratado.

Preferiblemente, el compuesto retardante de llama se añade usando hidróxido sódico como tampón.

Preferiblemente, el pH del compuesto retardante de llama se mantiene dentro del intervalo de 8,0-9,0 mediante un tampón de hidróxido sódico durante la adición a la resina, inhibiendo dicho tampón la formación de lodos o residuo durante la adición del bórax.

Preferiblemente, el sistema de resina se introduce en el compuesto retardante de llama antes de aplicarla al papel, potenciando así la estabilidad de la mezcla retardante de llama y la resistencia del papel a la degradación.

En otro aspecto, la presente invención proporciona un papel retardante de llama sumergible en agua, en el que dicho papel está impregnado con resina e incluye un compuesto retardante de llama que contiene bórax y fosfato de diamonio.

Mejor modo

El constituyente principal de cualquier papel kraft es la celulosa, y la descomposición y degradación térmica de la celulosa a altas temperaturas en presencia de agua, ácidos y oxígeno, conducirá finalmente a la polimerización de las moléculas de celulosa y a la formación de grupos carbonilo, carboxilo e hidroperóxido. La temperatura a la que es probable que se produzca esta degradación es aproximadamente 200-300°C, y en general da como resultado el avance de la combustión del papel.

El uso de fosfatos para ayudar a aumentar las propiedades retardantes de llama del papel es conocido, y cuando se usa ácido fosfórico y sus sales, incluyendo fosfato de diamonio, con temperaturas altas pueden reaccionar formando una unión entre moléculas de sales de fosfato en presencia de compuestos orgánicos ligeramente ácidos. La adición de una sal voluble, tal como el bórax, ayuda como retardante de llama al ser susceptible al movimiento de la humedad dentro del material base, y migrar de acuerdo con cualquier movimiento de esta humedad dentro del producto. Se puede observar el mecanismo de los retardantes de llama en el interior del papel kraft encapsulado y comparar con el producto no retardante, y la disminución de cenizas y el aumento de zonas carbonizadas explican la reducción de productos volátiles libres y vapores de combustión. Los compuestos retardantes de llama, incluyendo el bórax y el fosfato de diamonio, ayudan a aumentar el carbonizado residual visible y a reducir la generación de cenizas y material totalmente descompuesto. Se puede hacer papel kraft en forma de medio de evaporación para demostrar las propiedades retardantes de llama deseadas en el producto, lo cual no implica que se produzca un producto que sea totalmente no combustible.

La reacción del fosfato de diamonio (NH_{4})_{2}HPO_{4} a altas temperaturas hace que la molécula pierda NH_{3} para dar fosfato de monoamonio. Esta reacción conduce a la deshidratación de las unidades de glucosa de la cadena de celulosa por la adición de una partícula con carga positiva al átomo de oxígeno del grupo hidroxilo (OH^{-}), que da como resultado la formación del ion carbonio inestable. El ion carbonio se transpone y vuelve a generar una partícula con carga positiva propagando de esta forma el proceso y el enlace C-O se rompe para formar un catión carbonio cíclico intermedio, que inicia la adición de una molécula de agua, que da como resultado un producto final estable. El grado de polimerización con una combinación de fosfato de diamonio y bórax reduce la cantidad de productos volátiles inflamables producidos y potencia el efecto de la reacción de despolimerización de la cadena. La despolimerización de la glucosa de la cadena de celulosa se ilustra a continuación.

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En una realización particularmente preferida, se introduce un papel kraft absorbente sin blanquear en un compuesto resinoso retardante de llama que contiene bórax y fosfato de diamonio. El sistema de resina se acelera y se estabiliza usando hidróxido sódico como solución "tampón". La solución de hidróxido sódico permite que el pH del sistema total permanezca a un nivel mayor que 9,0 sin formación de ningún lodo o residuo durante la adición de bórax que normalmente tiene a reducir el pH a un intervalo de 3,0-3,5 debido a la formación de ácido en forma de complejos de tetraborato con la resina de fenol durante el procedimiento de mezcla. La estabilidad del compuesto retardante de llama mejora más si el sistema de resina se introduce en la formulación del retardante de llama durante la mezcla de componentes. Esto dará como resultado un compuesto gelatinoso que después se dispersa y disuelve fácilmente cuando se añade al baño de la resina base a una

\hbox{velocidad de  aproximadamente
3-6%/en volumen, con agitación vigorosa.}

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En este punto de la reacción se producen otras reacciones, incluyendo la unión de los compuestos retardantes de llama, debido a la existencia de las posiciones activadas que quedan en orto y para.

La reacción forma posibles compuestos de "metilol", más habitualmente trimetilolfenol trisustituido. La formación del trimetilolfenol indica que la reacción de curado se ha optimizado y que se puede lograr un estado de curado completo cuando se produzca la reacción de condensación.

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La reacción de condensación da como resultado un aumento global de la temperatura del sistema y un curado completo del sistema a 140°C-150°C durante aproximadamente 5 minutos es suficiente para conseguir la optimización de todas las reacciones iniciadas.

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La reacción total (menos H_{2}O) da como resultado la formación de una resina de
fenol-formaldehído completamente curada.

La adición de los iones hidroxilo introducidos durante el ajuste del pH con el hidróxido sódico beneficia el enlace de los componentes retardantes de llama y la velocidad de curado y eficacia final del proceso de reticulación. La eficacia total es una medida de la capacidad de formar trimetilolfenol.

Se ha demostrado que el papel kraft absorbente tratado con resinas impregnantes combinadas con productos químicos retardantes de llama, aplicadas usando los sistemas de la realización descrita, proporcionan un retardo eficaz de la propagación del fuego en el papel, con respecto al papel impregnado con resina no tratado con retardantes de llama. Puesto que el sistema retardante de llama se ha unido químicamente dentro de las resinas impregnantes, los retardantes de llama no tienen tendencia, o tienen muy poca, a lixiviar durante la inmersión prolongada en agua. El mecanismo esencial de impregnado y protección del papel no ha cambiado por el uso de los sistemas de la realización descrita, asegurando así que las propiedades físicas deseadas del papel impregnado que incluye el sistema retardante de llama preferido de la invención, no difieren esencialmente de las del papel impregnado antes de la adición del sistema retardante de llama.

Mientras que el mecanismo básico del retardo de llama en el papel impregnado se puede demostrar fácilmente, la optimización de los materiales y el método de fabricación requieren experimentación y ensayos considerables.

Cuando se aplica la presente invención a materiales de papel, da como resultado una gran potenciación de las propiedades retardantes de llama del papel sin merma de las características deseables, incluyendo la tendencia a la absorción por efecto de mecha y absorción de líquidos. Cuando se aplica la invención como se describe en esta memoria, las propiedades retardantes de llama del papel tratado de esta forma, no se degradan por la inmersión en agua.

Claims

1. Un papel retardante de llama, en el que dicho papel está impregnado con resina y dicha resina incluye un compuesto retardante de llama que contiene bórax y fosfato de diamonio.

2. Un papel retardante de llama según la reivindicación 1, en el que la mezcla retardante de llama permanece unida a la resina durante la inmersión del papel en agua.

3. Un método de tratamiento de impregnación con resina en papel fabricado, para hacer al papel retardante de llama, comprendiendo dicho método la adición de un compuesto retardante de llama que contiene bórax y fosfato de diamonio introducido en dicha resina.

4. Un método según la reivindicación 2, en el que el compuesto retardante de llama se añade junto con hidróxido sódico como tampón.

5. Un método según la reivindicación 2 ó 3, en el que el pH del compuesto retardante de llama es mayor que 9,0 durante la introducción en la resina.

6. Un método para producir un papel retardante de llama que comprende introducir un papel kraft en un compuesto resinoso retardante de llama que contiene bórax y fosfato de diamonio.

7. Un método según la reivindicación 6, en el que una parte del compuesto resinoso se introduce en el bórax y el fosfato de diamonio durante la mezcla de los componentes antes de añadir el resto del compuesto resinoso e introducir en el mismo el papel kraft.

8. Un método según la reivindicación 6 ó 7, en el que el pH del compuesto resinoso retardante de llama es mayor que 9,0.

9. Un método según la reivindicación 8, en el que se usa hidróxido sódico como disolución tampón para mantener el pH del compuesto resinoso retardante de llama.

10. Un papel impregnado con resina retardante de llama que incorpora un compuesto retardante de llama que contiene bórax y fosfato de diamonio sustancialmente como se ha descrito en lo que antecede.