ES2327244T3 - Composicion para formar un material compuesto. - Google Patents

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Abstract

Una composición de dos componentes para formar un material compuesto que comprende una mezcla del componente A y del componente B, comprendiendo el componente A: yeso en forma de sulfato de calcio semihidratado; y un inhibidor; y comprendiendo el componente B: una sustancia aceleradora; caracterizada porque al menos uno de entre el componente A y el componente B comprende adicionalmente un aglutinante polimérico que tiene una Tg inferior a -23ºC y porque, en un momento de su uso, los componentes A y B son capaces de ser combinados y mezclados, modelados de una forma mecanizable y se les permite fraguar.

Description

Composición para formar un material compuesto.
En el campo del diseño y la fabricación de herramientas y de creación de prototipos industriales, las escayolas de yeso son materiales bien conocidos para fabricar modelos y moldes. El yeso semihidratado de sulfato cálcico es seguro y sencillo de usar, y los modelos fabricados de yeso se pueden mecanizar mediante CNC a prototipos precisos. CNC se define como control numérico por ordenador, y hace referencia específicamente al control informático de los máquinas herramientas para el fin de fabricar piezas complejas. Sin embargo, entre las desventajas del yeso se encuentra la manipulación de restos polvorientos en la etapa de mezclar yeso con agua. Además, los yesos sencillos generan grandes cantidades de polvo fino cuando son mecanizados, que puede ser un irritante para los trabajadores al igual que interferir con la óptica de las máquinas CNC. Habitualmente, el yeso fraguado es frágil y por consiguiente propenso al agrietamiento o al desconchado durante la manipulación requerida para fabricar un molde a partir del modelo mecanizado.
Una clase de medios mecanizables son las pastas de epoxi, como los vendidos por Huntsman Advanced Materials (East Lansing, Michigan) bajo el nombre de RenPaste, al igual que SC 165 fabricado por Axson (Eaton Rapids, Michigan). Estas pastas son aplicadas de manera rutinaria sobre plantillas compuestas de espuma de poliuretano o de poliestireno expandido (EPS). Después de que se endurezcan las pastas, pueden ser mecanizadas mediante CNC. Sin embargo, el componente de epoxi puede tener toxicidad, son lentas de aplicar, y son caras.
También son conocidos algunos yesos modificados con polímeros como medios mecanizables. Por ejemplo, la patente US nº 5.534.059 (Immordino) describe mezclas que comprenden yeso, un almidón y un polímero en polvo redispersable en agua. El aditivo del polímero aumenta la fuerza y reduce el polvo. Esta mezcla es un polvo que debe ser mezclado con agua antes del moldeo y del endurecimiento, pero al mecanizar el objeto endurecido, se produce menos polvo en comparación con yesos sencillos.
El documento EP 1 403 227 (Rohm y Haas) desvela una composición de yeso de dos componentes que comprende un polímero alcalino.
La patente US nº 6.355.099 (Immordino y Kaligian) describe una composición mecanizable de yeso, un aglutinante lubricante interno dispersable en agua, y un aglutinante adhesivo. El polímero lubricante en la presente patente tiene preferentemente una temperatura de transición vítrea, o Tg, superior a la temperatura ambiente. La composición puede ser almacenada como un polvo, o como una suspensión acuosa que se mezcla entonces con una sustancia aceleradora inmediatamente antes de su uso.
United States Gypsum (Chicago, Illinois) fabrica un polvo de yeso modificado con polímeros con el nombre de Rayite. Supuestamente, esta composición puede ser moldeada en bloques, endurecida, y luego ser mecanizada. Las escayolas industriales, incluso las formuladas con algún polímero, tienen una dureza típica Shore D superior a 75, y habitualmente superior a 80.
La publicación US 2003/0105202 (Stone) describe una composición de yeso modificado con polímeros que tiene dos componentes líquidos con un polímero en cada componente. El intervalo preferente de Tg de los polímeros es desde -20ºC hasta +50ºC.
La presente invención se expone, en sus diversos aspectos, en las reivindicaciones adjuntas.
En la presente invención, los inventores han descubierto que un yeso modificado con polímeros en el que el polímero tiene una T_{g} inferior a -23ºC proporciona un medio mejorado mecanizable. Además, cuando el yeso modificado con polímeros tiene una dureza Shore D inferior a 70, la mecanizabilidad es superior. En particular, las composiciones de la invención apenas producen polvo, y cuando son mecanizadas, producen recortes y raspaduras más grandes que otro medio mecanizable, lo que facilita la limpieza. Las herramientas de corte y de fresado pueden cortar a través del medio inventivo con una mayor velocidad. Los modelos producidos de esta manera son estables dimensionalmente y mantienen bordes vivos y detallados.
Se puede obtener una T_{g} baja de un aglutinante polimérico mediante la selección apropiada de la composición polimérica o mediante la formulación de un polímero más duro con un plastificante o mediante la mezcla de un polímero duro y uno blando. Se cree que cualquier procedimiento que da una T_{g} aparente del polímero < -23ºC, o una dureza Shore D medida < 70 del material compuesto es adecuado para fabricar un medio mejorado mecanizable.
Un medio que debe ser fresado o mecanizado mediante CNC para la fabricación de modelos debería tener un número de propiedades físicas. Debería ser lo suficientemente blando como para ser mecanizado con formas y bordes bien definidos, y, sin embargo, lo suficientemente fuertes como para soportar la manipulación que experimentará el modelo en los pasos posteriores del procedimiento de creación de prototipos. Las raspaduras eliminadas durante el mecanizado deberían tener una toxicidad baja y ser lo suficientemente grandes como para ser recogidas fácilmente.
Un beneficio adicional es su fácil aplicación. Algunos medios mecanizables se suministran en forma de plantillas, por ejemplo, espuma de poliuretano. Para fabricar grandes modelos, estas plantillas deben ser pegadas entre sí hasta un tamaño superior al del modelo final, luego mecanizados otra vez, procedimiento que lleva mucho tiempo. Se prefiere que una espuma de bajo coste, como el poliestireno expandido (EPS), pueda ser mecanizada toscamente de nuevo a un tamaño ligeramente menor que el del modelo final. Entonces, se sobrerrecubre la espuma con un fluido que fragua o se endurece con el medio mecanizable, y luego se mecaniza. El modelo o fondo postizo final consiste en un núcleo de EPS con aproximadamente 5 a 50 mm del medio en su superficie, mecanizado de manera precisa a la forma de la pieza final. De este fondo postizo, se puede modelar un molde negativo de la pieza, por ejemplo, utilizando poliéster insaturado. El molde puede ser utilizado para moldear piezas finales positivas. Se utiliza normalmente un procedimiento tal paso a paso en la producción de barcos, de automóviles o de aeronaves, al igual que en otras industrias.
Un aspecto de la invención es una composición de dos componentes para formar un material compuesto como se expone en la reivindicación 1.
El componente A comprende yeso y un inhibidor y el componente B comprende una sustancia aceleradora.
El procedimiento de formar un material compuesto con un aglutinante polimérico que tiene una T_{g} inferior a -23ºC comprende proporcionar una primera mezcla en suspensión de yeso y un inhibidor y una segunda mezcla en suspensión de al menos una sustancia aceleradora, en el que al menos una de la primera mezcla en suspensión y de la segunda mezcla en suspensión comprende un aglutinante polimérico; y mezclar la primera mezcla en suspensión y la segunda mezcla en suspensión para formar un material compuesto blando utilizando una proporción de peso desde 10:1 hasta 1:2.
El componente A contiene yeso (sulfato de calcio semihidratado). Este es un mineral fraguable que, cuando se mezcla con agua y se activa de manera adecuada, fragua y se endurece para volverse un aglutinante inorgánico. Preferentemente, el yeso es yeso alfa, pero también se pueden utilizar yeso beta, o mezclas de las formas alfa y beta.
El yeso utilizado en la presente invención es sulfato de calcio semihidratado.
Existen dos tipos principales de semihidrato (CaSO_{4}* 1/2H_{2}O) disponibles comercialmente y denominados de manera convencional como las formas alfa y beta. El semihidrato alfa está preparado de manera convencional al colocar yeso en terrones en un autoclave y calcinándolo a una presión superatmosférica controlada en la presencia de vapor. En contraste, el semihidrato beta se prepara al calentar el dihidrato a presión atmosférica bien en una caldera o en un horno rotativo de calcinación. Aunque las apariencias físicas de estos dos tipos de yeso pueden ser las mismas, difieren en la relación de agua/yeso requerida para producir productos trabajables. La diferencia en la naturaleza física de las partículas de yeso de las dos formas surge de las diferencias en sus propiedades superficiales respectivas. Los mayores cristales alfa tienen una absorción baja de agua y un área superficial menor por unidad de peso. Esto se traduce en un menor requerimiento de agua para provocar el fraguado, o endurecimiento, del yeso. Cuanto menor sea el peso de agua en proporción al peso de los sólidos secos de yeso, mayor será la resistencia del producto final después del endurecimiento. La cantidad de yeso utilizada en la formulación del componente A es desde 50 a 80 partes, en base al peso total del componente A. preferentemente, se utilizan 60-75 partes.
Por sí solo, el yeso se fraguaría dando una masa dura. La presente invención describe el uso de un aglutinante polimérico que reduce la dureza del material compuesto fraguado, en el que al menos uno de los componentes A o B incluye un aglutinante polimérico que contiene al menos un monómero no iónico etilénicamente insaturado copolimerizado. En el presente documento, por "monómero no iónico" se entiende un monómero que es eléctricamente neutral en el intervalo de pH de 1-14. Los monómeros no iónicos etilénicamente insaturados incluyen, por ejemplo, monómeros de éster (met)acrílico incluyendo metil (met)acrilato, etil(met)acrilato, butil (met)acrilato, 2-etilhexil (met)acrilato, isodecil (met)acrilato, lauril (met)acrilato, hidroximetil (met)acrilato, e hidroxipropil (met)acrilato; (met)acrilamida, (met)acrilonitrilo; estireno y estirenos sustituidos; butadieno; etileno; acetato de vinilo; butirato de vinilo y otros ésteres de vinilo; y monómeros de vinilo como cloruro de vinilo, cloruro de vinilideno. Se prefieren los polímeros completamente acrílicos y de estireno/acrílicos. Se prefiere un polímero de emulsión acuosa predominantemente acrílico. En el presente documento, por "predominantemente acrílico" se entiende que el polímero contiene más del 50%, en peso, de unidades copolimerizadas derivadas de monómeros (met)acrílicos como, por ejemplo, ésteres de (met)acrilato, (met)acrilamidas, (met)acrilonitrilo, y ácido (met)acrílico. El uso del término "(met)" seguido de otro término como, por ejemplo, acrilato o acrilamida, según se utiliza durante toda la revelación, hace referencia tanto a los acrilatos como a las acrilamidas y a los metacrilatos y a las metacrilamidas, respectivamente.
El polímero de emulsión también puede contener desde 0% hasta 5%, en peso basado en el peso total del monómero, de un monómero de ácido monoetilénicamente insaturado copolimerizado, en base al peso del polímero, como, por ejemplo, ácido acrílico, ácido metacrílico, ácido crotónico, ácido itacónico, ácido fumárico, ácido maleico, itaconato de monometilo, fumarato de monometilo, fumarato de monobutilo, anhídrido maleico, ácido sulfónico de 2-acrilamido-2-metilpropano, ácido sulfónico de vinilo, ácido sulfónico de estireno, ácido sulfónico de 1-aliloxi-2-hidroxipropano, ácido sulfosuccínico de alquilalilo, (met)acrilato de sulfoetilo, (met)acrilatos de fosfoalquilo como (met)acrilato de fosfoetilo, (met)acrilato de fosfopropilo, y (met)acrilato de fosfobutilo, crotonatos de fosfoalquilo, maleatos de fosfoalquilo, fumaratos de fosfoalquilo, (met)acrilatos de fosfoalquilo, crotonatos de fosfodialquilo, y fosfato de alilo.
Para controlar la T_{g} del polímero, se deberían escoger adecuadamente los monómeros utilizados para sintetizar el polímero. La temperatura de transición vítrea de un polímero es la temperatura a la que un polímero pasa desde un estado rígido, vítreo a temperaturas inferiores a T_{g} a un estado fluido o elástico a temperaturas superiores a T_{g}. La T_{g} de un polímero se mide mediante calorimetría de exploración diferencial (DSC) utilizando el punto medio del calor con respecto a la transición de temperatura como el valor T_{g}. La tasa de calentamiento para la medición de DSC es de 20ºC/minuto.
En la presente invención, la T_{g} medida del aglutinante polimérico es inferior a -23ºC. Preferentemente, la T_{g} es de -35ºC hasta -60ºC.
El aglutinante polimérico de los componentes A y/o B puede estar emulsionado o puede estar en forma de un polvo redispersable en agua. El aglutinante polimérico también puede ser preparado mediante la polimerización en disolventes orgánicos o en bruto, siempre que el polímero pueda dispersarse o se emulsione en agua. Aunque puede funcionar cualquier procedimiento para preparar el polímero en el funcionamiento de la presente invención, puede ser más factible comercialmente utilizar aglutinantes poliméricos emulsionados. Las emulsiones formuladas para la composición de la invención pueden contener aproximadamente entre 35 y el 65% de sólidos, y preferentemente entre 45 y el 65%, por volumen. La concentración utilizada dependerá, por supuesto, de las características requeridas en el material compuesto final y la velocidad de endurecimiento. La polimerización de la emulsión puede llevarse a cabo mediante diversos procedimientos como, por ejemplo, con todo el monómero en la caldera de reacción al principio de la reacción de polimerización, con una porción del monómero en forma emulsionada presente en la caldera de reacción, y con una semilla polimérica de emulsión de pequeño tamaño de partícula prefijado en la caldera de reacción al principio de la reacción de polimerización. El procedimiento de la polimerización puede llevarse a cabo como un procedimiento discontinuo, semicontinuo, o continuo. Las técnicas específicas de polimerización de la emulsión que pueden ser empleadas en la presente invención incluyen, por ejemplo, las patentes U.S. n^{os} 4.325.856, 4.654.397 y 4.814.373.
Los expertos en la técnica conocerán otros procedimientos adecuados, y están previstos por los inventores, para reducir la T_{g} aparente de un polímero más duro. Por ejemplo, se pueden incluir codisolventes en la formulación. Estos codisolventes, también llamados plastificantes, hacen que el polímero se comporte como un polímero mucho más blando de lo que se podría esperar de la composición polimérica. Un ejemplo de un plastificante es ftalato de dioctilo, pero se conocen muchos otros. Otro procedimiento para reducir la T_{g} aparente de un polímero es mezclar un polímero muy blando con un polímero más duro. Estos polímeros duros y blandos pueden tener composiciones monoméricas similares pero difieren en peso molecular, o pueden diferir en sus composiciones monoméricas. Cuando se emplean mezclas de materiales, se pueden incluir todos los materiales en un componente de la invención, o pueden ser divididos entre los componentes A y B de la invención.
Un aglutinante polimérico adecuado es la emulsión Rhoplex^{TM} 1950 vendido por la Rohm and Hass Co., Filadelfia, Pensilvania. Esta emulsión completamente acrílica tiene un 63% de sólidos poliméricos por peso y una T_{g} calculada de -50ºC (calculada utilizando la ecuación de Fox).
El componente A también incluye un inhibidor, o más específicamente, un inhibidor de la hidratación del yeso. Esto permite que el sulfato de calcio semihidratado sin fraguar pueda ser almacenado en forma de suspensión acuosa hasta inmediatamente antes de su uso, cuando se puede añadir un activador, como sulfato de aluminio, para iniciar el fraguado del yeso. El inhibidor de la hidratación es un polímero o un copolímero de un ácido policarboxílico. Algunos inhibidores conocidos de hidratación incluyen proteínas animales (patente US nº 4.661.161), polifosfatos (patente US nº 5.746.822) y policarboxilatos (patente US nº 4.157.264 y también la publicación US 2003/0105202). Un inhibidor adecuado de la hidratación es el dispersante Tamol^{TM} 963 al 35%, vendido por la Rohm and Haas Co., Filadelfia, Pensilvania. El inhibidor polimérico puede estar convenientemente en forma de una sal de sodio o de amonio.
El componente B incluye una sustancia aceleradora, o más específicamente, una sustancia aceleradora de hidratación fraguada. La cantidad de sustancia aceleradora requerida estará basada en la cantidad de yeso alfa y de inhibidor de hidratación presentes en la composición. Preferentemente, se añadirá la sustancia aceleradora en una cantidad desde el 0,1 hasta el 6,0 por ciento en peso, y más preferentemente desde el 0,1 hasta el 4,0 por ciento en peso, basado en el peso del contenido de sólidos del componente B. Las sustancias aceleradoras adecuadas incluyen sales metálicas que pueden proporcionar cationes acídicos. Las sales metálicas preferentes son el sulfato de aluminio, el sulfato de calcio, el sulfato férrico, el sulfato de cinc y el cloruro férrico. La más preferente de las sustancias aceleradoras para esta composición es el sulfato de aluminio.
Se pueden incluir muchos otros aditivos opcionales en el componente A o B o en ambos. Es bien conocido que estos modifican las propiedades ya sea del componente líquido o del material compuesto final. Entre estos aditivos se encuentran:
-
Tensioactivos, y en particular, tensioactivos no iónicos, para estabilizar la suspensión acuosa o la emulsión del polímero y otros aditivos.
-
Despumadores, como los polisiloxanos, para minimizar la espuma durante la mezcla o la aplicación.
-
Un regulador de pH. Un regulador adecuado de pH para el componente A es hidróxido de calcio, como se describe en el documento EP 1403227.
-
Materiales para modificar la viscosidad. Entre los materiales adecuados para modificar la viscosidad se encuentran la arena y la sílice, el trihidrato de alúmina (ATH), el alabastro, el polvillo de cenizas y los materiales de peso reducido para modificar la viscosidad como la perlita o las esferas huecas de vidrio.
-
Espesantes como resinas solubles en álcali (ASR), resinas de uretano modificadas de manera hidrófoba (HEUR), celulosa de hidroxietilo, arcillas de atapulgita o bentonita, y otros. Muchos de estos son conocidos a los fabricantes de yeso y también de pinturas.
-
Otros aditivos como colorantes, agentes humectantes y ceras repelentes del agua.
En una realización, el componente A comprende el 60-75% en peso de yeso, el 0,1-3% en peso de inhibidor, el 10-30% en peso de aglutinante polimérico, y el 0-14,9% en peso de aditivos del componente A; y el componente B comprende el 5-50% en peso de aglutinante polimérico, el 1-15% en peso de sustancia aceleradora, y el 35-94% en peso de aditivos del componente B. La T_{g} de los aglutinantes poliméricos es inferior a -23ºC. Los aditivos del componente A pueden incluir un despumador, un tensioactivo, un regulador del pH, y combinaciones de los mismos; y los aditivos del componente B pueden incluir un material para modificar la viscosidad, un despumador, un tensioactivo, un espesante, un activador y combinaciones de los mismos.
Preferentemente, tanto el componente A como el B son suspensiones acuosas. En el momento de su uso, se combinan y se mezclan los componentes A y B, modelados en la forma mecanizable y se permite que fragüe. El material compuesto puede ser aplicado mediante moldeo, alisamiento o pulverización, u otro medio conocido.
La dureza Shore D del material compuesto es menor de 70. Preferentemente, la dureza Shore D del material compuesto es entre 50-70.
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Ejemplo comparativo 1
Rohm and Haas Company vende Castonite^{TM} MM Mining Membrane. Este material puede ser mezclado y moldeado en bloques, o puede ser mezclado y aplicado sobre EPS. Después del endurecimiento a temperatura ambiente, el medio tiene una dureza Shore D de 75. Puede ser tallado con un cuchillo multiusos afilado o taladrado con una broca estándar, dejando raspaduras de 0,2 mm de tamaño medio. El borde tallado o taladrado es vivo y bien definido.
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Ejemplo comparativo 2
El Rayite^{TM} 100 es un medio mecanizable vendido por United States Gypsum Co. (Chicago, Illinois). Es un polvo que debe ser mezclado con agua y moldeado en formas mecanizables. Cuando se preparó, se moldeó y se secó a temperatura ambiente un bloque, tenía un Shore D de 77. Puede ser tallado con un cuchillo multiusos afilado o taladrado con una broca estándar, dejando raspaduras de 0,5 mm de tamaño medio.
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Ejemplo
Leyenda:
Ingredientes utilizados en los ejemplos a continuación.
Aglutinante polimérico:
Emulsión Rhoplex^{TM} 1950; Rohm and Haas Co.
Despumador:
BYK©-024; BYK Chemie
Tensioactivo:
Triton^{TM} X405; Dow Chemical Co.
Inhibidor de hidratación:
Dispersante Tamol^{TM} 963 al 35%; Rohm and Haas Co.
Aglutinante de látex:
Emulsión Rhoplex^{TM} HA 16; Rohm and Haas Co.
Activador:
Octadecahidrato de sulfato de aluminio (50% en agua)
Yeso:
Semihidrato alfa
Espesante de atapulgita:
Attagel® 50; Englehard Corp.
Espesante celulósico:
Natrosol® 250HHR; Hercules Inc.
ATH:
Trihidrato de alúmina, Moldex^{TM} A120; J. M. Huber
1
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3
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4
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Cuando se mezclan el componente A y B con una relación de 100:48 en peso (100:50 en volumen), fraguan en aproximadamente 6 minutos. La expansión lineal tras el fraguado es de aproximadamente un 0,2%. Después del endurecimiento y del secado a temperatura ambiente, el Shore D es de 60. Cuando se talla con un cuchillo multiusos afilado o se taladra con una broca estándar, las raspaduras tienen un tamaño de 5-10 mm sin polvo. Se talla con menos presión por parte del cuchillo que los ejemplos comparativos. Con una presión moderada de taladrado, el taladro perfora a través del ejemplo inventivo aproximadamente el doble de rápido de lo que lo hace a través de los ejemplos comparativos.

Claims (10)

1. Una composición de dos componentes para formar un material compuesto que comprende una mezcla del componente A y del componente B,
\quad
comprendiendo el componente A:
yeso en forma de sulfato de calcio semihidratado; y
un inhibidor; y
\quad
comprendiendo el componente B:
una sustancia aceleradora;
\quad
caracterizada porque al menos uno de entre el componente A y el componente B comprende adicionalmente un aglutinante polimérico que tiene una Tg inferior a -23ºC y porque,
\quad
en un momento de su uso, los componentes A y B son capaces de ser combinados y mezclados, modelados de una forma mecanizable y se les permite fraguar.
2. La composición de la reivindicación 1, en la que el componente A comprende además:
\quad
un despumador;
\quad
un tensioactivo; y
\quad
un regulador de pH.
3. La composición de la reivindicación 1, en la que el componente B comprende además:
\quad
un material para modificar la viscosidad:
un despumador;
un tensioactivo;
un espesante; y
un activador.
4. La composición de la reivindicación 1, en la que el componente A comprende entre el 60-75% en peso de yeso en base al peso total del componente A.
5. La composición de la reivindicación 1, en la que
\quad
el componente A comprende:
60-75% en peso de yeso;
0,1-3% en peso del inhibidor;
10-30% en peso de aglutinante polimérico; y
0-14,9% en peso de aditivos del componente A seleccionados del grupo constituido por
un despumador, un tensioactivo, un regulador del pH, y combinaciones de los mismos; y
\quad
el componente B comprende:
5-50% en peso de aglutinante polimérico;
1-15% en peso de sustancia aceleradora; y
35-94% en peso de aditivos del componente B seleccionados del grupo constituido por un material para modificar la viscosidad, un despumador, un tensioactivo, un espesante, un activador, y combinaciones de los mismos.
6. La composición de la reivindicación 1, que comprende además un colorante.
7. La composición de la reivindicación 1, en la que el yeso comprende sulfato de calcio semihidratado, el inhibidor comprende policarboxilato acuoso, el aglutinante polimérico comprende un copolímero acrílico, y la sustancia aceleradora comprende sulfato de aluminio.
8. La composición de la reivindicación 2, en la que el despumador comprende un polisiloxano, el tensioactivo comprende un tensioactivo no iónico, y el regulador de pH comprende hidróxido de calcio.
9. La composición de la reivindicación 3, en la que el aglutinante polimérico comprende un copolímero acrílico, el material para modificar la viscosidad comprende trihidrato de alúmina, el despumador comprende polisiloxano, el tensioactivo comprende un tensioactivo no iónico, el espesante comprende celulosa de hidroxietilo, y el activador comprende sulfato de aluminio.
10. La composición de cualquier reivindicación precedente, en la que los componentes A y B son ambos suspensiones.
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