ES2346571T3 - Metodo para obtener particulas totalmente aromaticas de tipo para. - Google Patents

Metodo para obtener particulas totalmente aromaticas de tipo para.

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Abstract

Un procedimiento para obtener partículas de poliamida totalmente aromática de tipo para, que comprende las etapas de: (a) introducir una solución de polímero aramida en un líquido coagulante basado en agua para obtener un producto conformado hidratado, y (b) someter el producto conformado no secado o parcialmente secado que tiene un contenido de agua de 10 a 99% en peso a molienda en estado congelado.

Description

Método para obtener partículas totalmente aromáticas de tipo para.
La presente invención se refiere a un procedimiento para obtener partículas de poliamida totalmente aromática de tipo para que son útiles como material de carga para componentes de precisión tales como engranajes, etc. y que son excelentes en cuanto a resistencia a la abrasión, capacidad de deslizamiento, resistencia al calor y estabilidad dimensional.
Las fibras de poliamida totalmente aromática de tipo para tienen una resistencia al calor excelente, alta resistencia mecánica, una alta relación de resiliencia, resistencia química, etc. y se usan ampliamente en diversos materiales industriales. Además de tener estas propiedades, las partículas de poliamida totalmente aromática de tipo para son también excelentes en términos de resistencia a la abrasión, capacidad de deslizamiento y capacidad de lubricación y, por tanto, se han usado como aditivo en resinas termoplásticas.
Entre los procedimientos de producción de partículas de poliamida totalmente aromática de tipo para figuran, por ejemplo, procedimientos de trituración de un polímero de granel usando un molino de molienda, tal como un molino de perlas o chorro. Para la producción de resinas termoplásticas se han descrito en la Publicación de Patente Japonesa no Examinada nº. H7-234551 procedimientos de molienda en frío en estado congelado, procedimientos en los que, enfriando la resina a -196ºC usando nitrógeno líquido, se aprovecha la ventaja de la fragilidad de las resinas termoplásticos a bajas temperaturas. Además, como se describe en la Publicación de Patente Japonesa no Examinada nº. 3-152130, se ha usado un procedimiento de molienda de una dispersión acuosa de un polvo tal como celulosa con un homogeneizador de alta presión, así como un procedimiento de producción directa de partículas usando polimerización en emulsión y similares. Además, para obtener partículas con un menor tamaño de partícula, se usa una máquina selectora con el fin de escoger los granos con los tamaños de partícula apropiados.
Además, algunos de los procedimientos antes mencionados se han usado en la producción de partículas de poliamida totalmente aromática de tipo para. Sin embargo, puesto que las poliamidas totalmente aromáticas de tipo para son extremadamente rígidas, la molienda mecánica mencionada debe realizarse varias veces con el fin de obtener partículas finas para la selección. Por tanto, las etapas son extremadamente complicadas y el aumento de costes es inevitable. En el caso de poliamidas totalmente aromáticas de tipo para, las partículas de polímero se pueden producir directamente por polimerización, o se pueden procesar después de la polimerización para obtener artículos con otra forma tales como flóculos, escamillas, fibrillas y similares.
Cuando se usan como material de carga para componentes de precisión pequeños, en términos de la dispersión en una resina termoplástica y la capacidad de uso y similares, son muy útiles las partículas de tamaños menores y hay una gran demanda de un procedimiento para producir eficientemente tales partículas de poliamida totalmente aromática de tipo para.
Se encontró que, después de la introducción de una solución de un polímero aramida en un líquido coagulante y después de lavar con agua, el producto amorfo hidratado obtenido sin haber tenido una etapa de secado no presentaba una cristalización suficiente y que el producto conformado contenía una gran cantidad de agua.
Es un objetivo de la presente invención proporcionar un procedimiento simple y eficaz para fabricar partículas de poliamida totalmente aromática de tipo para que no se pueden producir fácilmente por procedimientos de molienda convencionales, y que pueda conducir a partículas pequeñas.
Con este fin, la presente invención concierne al hallazgo de que un artículo conformado obtenido introduciendo una solución de polímero aramida en un liquido coagulante basado en agua, producto que no se ha secado o que sólo se ha secado parcialmente para que contenga como mínimo 10% en peso de agua, se puede moler en partículas finas por aplicación de una etapa de molienda en estado congelado, producto que no se puede producir por procedimientos de molienda convencionales. Se ha encontrado además que el procedimiento de la invención permite unos tiempos de molienda cortos.
De acuerdo con la presente invención, se obtiene un procedimiento de fabricación simple y eficiente de partículas de poliamida totalmente aromática de tipo para, procedimiento que es particularmente adecuado para obtener partículas pequeñas.
Por el procedimiento de molienda en estado congelado, se puede moler fácilmente a partículas finas un producto conformado con un alto contenido de agua, que se obtiene introduciendo una solución de polímero aramida en un líquido coagulante y omitiendo la etapa de secado después del lavado con agua. Las partículas resultantes son particu-
larmente útiles, por ejemplo, como material de carga para componentes de precisión tales como engranajes y similares.
Las poliamidas totalmente aromáticas de tipo para, esto es, el polímero aramida de la presente invención, es un polímero que se puede obtener por policondensación de una mezcla de monómeros que principalmente está compuesta por dicloruro de tereftaloílo y p-fenilendiamina. Esta reacción puede realizarse en N-metilpirrolidona aunque, debido a la insolubilidad del polímero en N-metilpirrolidona a medida que progresa la polimerización, generalmente el polímero obtenido se disuelve en ácido sulfúrico y se usa esta solución de ácido sulfúrico como lubricante para hilar.
En la presente invención, la forma del polímero aramida usada en la etapa de molienda puede ser cualquiera tal como escamillas, fibrillas, pulpa, partículas en forma de hoja, partículas en forma de película, partículas laminares polímeras, o fibras, así como fibras cortas obtenidas cortando fibras, que usualmemente se conocen como flóculos, y similares. El tamaño de la partícula conformada, en concreto la longitud, el espesor, la superficie y la forma de la sección transversal, etc. no está restringido, aunque para uso en la etapa de molienda en estado congelado se prefieren partículas con forma de escamillas, pulpa y flóculos. Una escamilla, de acuerdo con la presente invención, significa una partícula pequeña en forma de película similar a una hoja delgada descrita, por ejemplo, en el documento WO 2005/059247, que se produce por un procedimiento en el que se mezcla, por ejemplo, una solución de un polímero aramida en un sistema usando el líquido coagulante de la solución del polímero aramida y aplicando una fuerza de cizalladura. El término "pulpa" significa fibras pequeñas cortas distribuidas al azar como, por ejemplo, se describe en el documento WO 2004/099476. El término "fibrilla" significa un polímero que ha formado totalmente pelusa y predominantemente contiene la parte de pelusa y no los tallos de fibra de los que arranca, a diferencia de la pulpa según se describe, por ejemplo, en el documento WO 2005/059211.
En la presente invención, el producto conformado de polímero aramida usado en la etapa de molienda debe ser un producto conformado hidratado. El producto puede ser cristalino o amorfo. El término "amorfo" se refiere aquí a la estructura que se presenta antes de formarse la estructura cristalina por unión de hidrógeno. Cualquier porción del producto conformado que no haya recristalizado puede considerarse como producto conformado amorfo. Además, esas estructuras amorfas que contienen agua se denominan productos conformados hidratados. Generalmente, se obtiene un producto conformado hidratado como tal o después de lavar con agua el producto coagulado. El producto de la invención no se seca o sólo se seca parcialmente antes de la molienda. Cuando el producto de la invención se seca parcialmente, el contenido debe ser como mínimo de 10% en peso. Si el contenido de agua del producto conformado hidratado se mantiene dentro de 10% a 99% en peso, preferiblemente entre 10% y 95% en peso, en el proceso de molienda en estado congelado se pueden usar también las partículas que se ha hecho que formen fibrillas al azar aplicando sobre las partículas fuerzas mecánicas de cizalladura usando un refinador o batidor conocido o un dispositivo similar.
El contenido de agua debe ser de 10% a 99% en peso, preferiblemente de 20% a 95% en peso. Por debajo de 10%, incluso si la estructura contiene agua, el proceso de molienda es tan ineficaz que no se pueden obtener las deseadas partículas finas. Además, por encima de 99% se pueden producir partículas finas, pero la cantidad de producto conformado es tan pequeña que la productividad disminuye significativamente.
Aunque no están claras, se pueden considerar algunas razones que subyacen en el efecto del agua. En general, la cristalinidad de estos materiales es tan baja que contienen una gran cantidad de agua intercristalina e intracristalina, lo que promueve la rotura en partículas pequeñas. La gran cantidad de agua inter/intracristalina es debida al hecho de que el material no se ha secado completamente y esto siempre da por resultado el crecimiento (sinterización) de las cristalitas, resultando contenidos de agua mucho más bajos. Además, después de congelar el agua contenida en los espacios entre los cristales del polímero, la molienda progresa desde los sitios que contienen agua. Se encontró además que el polímero que se secó totalmente y luego se humedeció nuevamente para que contuviera de 10% a 99% en peso de agua, preferiblemente de 10% a 95% en peso de agua, no puede molerse en estado congelado en partículas pequeñas. Por ello es necesario usar polímero no secado o polímero secado sólo parcialmente a un contenido de agua de como mínimo 10% en peso, preferiblemente de como mínimo 20% en peso.
En la presente invención no hay restricciones particulares en cuanto al procedimiento para congelar el agua contenida en el polímero a moler; sin embargo, considerando las propiedades de trabajado o el aspecto del coste, aunque es posible congelar usando hielo seco o nitrógeno líquido, se prefiere usar nitrógeno líquido.
Además, no hay restricciones particulares en cuanto al dispositivo a usar para moler en estado congelado el producto congelado y se puede usar cualquier aparato de molienda en estado congelado generalmente conocido. Por otra parte, las condiciones del proceso de molienda no están particularmente restringidas y se pueden hacer los ajustes apropiados dependiendo del tamaño o forma de partícula deseado.
Seguidamente se describen detalladamente las etapas de la fabricación de las partículas de la presente invención.
Primeramente se prepara la solución del polímero aramida. Para esta solución del polímero aramida se puede usar una solución de polímero aramida polimerizado en un disolvente como tal, o una solución disuelta en un disolvente en el que es soluble el polímero aramida (en adelante abreviadamente, el polímero) después de separar el polímero aramida resultante. Por ejemplo, en el caso de poli-p-fenilenéterftalimida, se policondensan en N-metilpirrolidona dicloruro de tereftaloílo y p-fenilendiamina. La solución en N-metilpirrolidona del polímero se puede usar como tal o, alternativamente, se puede usar una solución del polímero en ácido sulfúrico. Debido a la mala solubilidad del polímero en N-metilpirrolidona a medida que progresa la polimerización, se pueden separar y disolver en ácido sulfúrico los polímeros.
En este caso, la concentración o la viscosidad de la solución de polímero no está particularmente restringida; sin embargo, con el fin de conseguir las deseadas propiedades de trabajado o de manipulación de la solución de polímero resultante, por razones prácticas puede ser necesario cierto grado de restricción.
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Seguidamente se introduce la solución de polímero en un líquido coagulante basado en agua (en lo que sigue, abreviadamente, líquido coagulante). La técnica para introducir la solución no está particularmente restringida, pudiendo aplicarse usualmente procedimientos conocidos tales como hilado en un sistema usando un líquido coagulante bajo una fuerza de cizalladura, procedimientos de extrusión a un líquido coagulante a través de una boquilla, procedimientos de colada de la solución de polímero al líquido coagulante a través de una hilera y procedimientos de extrusión a través de una ranura. Además, cuando es necesario, la aplicación de una fuerza de cizalladura sobre la solución de polímero inmediatamente antes de la extrusión a través de la boquilla o usando un espacio de aire antes de hilar la solución de polímero al líquido coagulante a través de la hilera no causa problemas particulares. Además, en cuanto al líquido coagulante usado en la presente invención que contiene agua o, preferiblemente, que tiene agua como el componente principal, no hay restricciones particulares respecto a la adición de aditivos al agua.
Después del hilado al líquido coagulante, el lavado se realiza con agua y, cuando es necesaria, se realiza una etapa de neutralización. Seguidamente, sin aplicar una etapa de secado, se recoge el polímero que todavía contiene agua. Después de recoger las fibras, si es necesario, se puede aplicar una fuerza de cizalladura usando un dispositivo refinador o batidor para la formación de fibrillas al azar. En este momento, el contenido de agua del polímero es de 10 a 99% en peso, preferiblemente de 20 a 95% en peso.
Si la molienda en estado congelado no se realiza inmediatamente después de la recogida o, si por ejemplo, se han de cortar las fibras en fibras cortas después de su producción, se requiere un cuidado particular de manera que no se escape agua del polímero. Se prefiere almacenar el polímero en un recipiente impermeable al aire y ponerlo en un medio húmedo y a temperatura controlada fuera del contacto con la luz solar.
Posteriormente el polímero se somete a molienda en estado congelado. En este momento no hay restricción particular en cuanto a la forma del polímero. Sin embargo, para obtener partículas menores, es preferible que la longitud o el tamaño de partícula de las fibras sea inferior a 1 mm. También se pueden usar sin problemas las partículas de más de 1 mm; pero en este caso se debe hacer un ajuste de las condiciones de molienda, como puede ser aumentar la producción de la molienda o aumentar las rotaciones, etc.
Antes de moler el polímero se debe congelar el agua contenida en el polímero. No hay restricciones particulares sobre los procedimientos de congelación, aunque, considerando las propiedades de trabajado o el aspecto de costes, se prefiere congelar con nitrógeno líquido.
Luego se somete el polímero que contiene agua congelada a una etapa de molienda usando un aparato de molienda en estado congelado conocido. Además, aparte del aparato de molienda en estado congelado también se puede usar un molino equipado con un dispositivo capaz de mantener la molienda a menos de 0ºC. Las condiciones de molienda se pueden ajustar apropiadamente de acuerdo con el funcionamiento del aparato o la cantidad de polímero usada y de acuerdo con el tamaño o forma de partícula deseado, etc. Aunque dependiendo de las condiciones de molienda, usando este procedimiento se pueden obtener partículas con un amplio intervalo de tamaños de partícula y, en esta caso, se puede usar un aparato de selección de tamaños públicamente conocido para hacer la selección sin problemas, pudiendo obtenerse así partículas del tamaño de partícula deseado con una menor variación del tamaño de
partícula.
Por tanto, es también un objetivo de la invención proporcionar partículas de para-aramida de un tamaño que es menor que el que se puede obtener por procedimientos convencionales. Así, la invención se refiere también a partículas de poliamida totalmente aromática de tipo para, molidas en estado congelado, que tienen un tamaño de partícula con una d_{50} de menos de 75 \mum, preferiblemente de menos de 50 \mum y, muy preferiblemente, de menos de 30 \mum. Puesto que la distribución del tamaño de partícula es simétrica o casi simétrica, el valor de d_{50} corresponde satisfactoriamente al diámetro medio de las partículas.
Como se ha descrito, de acuerdo con la presente invención, un producto conformado obtenido introduciendo una solución de polímero aramida en un líquido coagulante basado en agua se somete a molienda en estado congelado con un contenido de agua de 10 a 99% en peso para obtener eficientemente partículas de poliamida totalmente aromática de tipo para.
En lo que sigue se describe detalladamente la presente invención sobre la base de varias realizaciones. Sin embargo, la presente invención no está particularmente limitada a estas realizaciones. Para las mediciones se empleó el siguiente procedimiento.
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1. Tamaño de partícula (\mum)
Se recogieron sin seleccionar las partículas resultantes y se midieron los tamaños de partícula por difracción de láser usando un aparato medidor da tamaños de partícula (Microtrac X100, fabricado por Leeds & Northrup Co.). El valor indicado para d_{50} significa que el 50% de las partículas es menor que este valor. d_{10} y d_{90} se definen como que el 10% y el 90% de las partículas, respectivamente, es menor que este valor.
2. Contenido de agua
El contenido de agua se calcula por la siguiente fórmula después de haber medido de acuerdo con JIS L1013:
(W0-W)/W0 x 100
siendo W0 el peso antes de secar y W el peso después de secar.
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3. Finura
Finura (dtex):
Medida conforme a JIS L1013.
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4. Longitud de la fibra
Medida usan un aparato medidor de la longitud de fibras "Pulp Expert" (Metso Automation Co.)
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Ejemplo 1
Se produjeron escamillas de poli-p-fenilen-tereftalamida de acuerdo con el Ejemplo 1 de WO2004/099476. La longitud media ponderada de las fibras y el contenido de agua de las escamillas resultantes eran 0,81 mm y 91,5% en peso, respectivamente. Seguidamente, después de congelar las escamillas con nitrógeno líquido, se realizó la molienda en estado congelado usando una máquina de molienda en estado congelado (nombre del aparato: Linrexmill LX-1, fabricado por Hosokawamicron). Se recogieron sin seleccionar etc. las partículas resultantes y se midió el tamaño de partícula por difracción de láser usando un aparato medidor del tamaño de partícula. Como resultado, después de una etapa de molienda, se obtuvieron partículas con el tamaño de partícula deseado, (d_{50}) inferior a 30 \mum. Puesto que se omitió la etapa de secado después del hilado a un líquido coagulante y el lavado del polímero con agua, en los espacios entre los cristales de las escamillas estaba presente una gran cantidad de agua y, al congelar el agua, las porciones que contenían agua se convirtieron en puntos de promoción de la molienda.
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Ejemplo 2
Se preparó una solución de polímero en la que se disolvió poli-p-fenilentereftalamida en ácido sulfúrico y se hiló continuamente, usando una máquina de hilado a través de un espacio de aire de una hilera, a un líquido coagulante compuesto por ácido sulfúrico y agua. Luego, después de haberlo lavado con agua y neutralizado, el hilo se arrolló antes de la etapa de secado para obtener fibras. Además, la finura de la fibra era de 5830 dtex (finura después de secado: equivalente a 1680 dtex), el número de filamentos era de 1000 y el contenido de agua 71,2% en peso. Seguidamente, los filamentos se cortaron en fibras cortas con una guillotina de manera que la longitud de corte fuera 1,00 mm. El contenido de agua de las fibras cortas resultantes era de 55,2% en peso. En cuanto a las fibras cortas obtenidas, éstas se sometieron a molienda en estado congelado usando el mismo procedimiento e iguales condiciones a las del Ejemplo 1, y se midió el tamaño de partícula. Como resultado, se obtuvieron partículas con el deseado tamaño de partícula, inferior a 30 \mum, después de una etapa de molienda como en el Ejemplo 1.
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Ejemplo 3
Sin dejar secar completamente las escamillas obtenidas en el Ejemplo 1, se obtuvieron escamillas con una longitud media ponderada de la fibra de 0,79 m y con un contenido de agua de 21,4% en peso después de mantenerlas en reposo en un ambiente a 20ºC y una humedad relativa de 65%.
La molienda en estado congelado de las escamillas se realizó usando el mismo procedimiento e iguales condiciones a las del Ejemplo 1 y seguidamente se midió el tamaño de partícula. Como resultado, se obtuvieron partículas con el deseado tamaño de partícula, inferior a 30 \mum, después de una etapa de molienda como en el Ejemplo 1.
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Ejemplo comparativo 1
Después de secar completamente las escamillas obtenidas en el Ejemplo 1, se ajustó la humedad y se obtuvieron escamillas con una longitud media ponderada de fibra de 0,79 mm y un contenido de agua de 6,6%.
La molienda en estado congelado de las escamillas se realizó usando el mismo procedimiento e iguales condiciones a las del Ejemplo 1 y seguidamente se midió el tamaño de partícula. Como resultado, debido al bajo contenido de agua de las escamillas, el tamaño de partícula vino a ser de más de 100 \mum. Se consideró que esto era debido al secado completo y a que, a causa de se eliminó el agua completamente de los espacios libres, aunque se produjo la cristalización del polímero, no estaba presente agua suficiente en los puntos en que se desencadena la molienda en estado congelado, por lo que la molienda en estado congelado no alcanzó una molienda fina.
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Ejemplo comparativo 2
Usando el mismo procedimiento e iguales condiciones a las del Ejemplo 1, se realizó la molienda en estado congelado de una pulpa (nombre del producto, "Twaron® 1094", fabricado por Teijin Twaron; longitud media ponderada de fibra: 0,91 mm; contenido de agua: 64,5% en peso) en la que las fibras de poli-p-fenilentereftalamida tenían muchas fibrillas, y seguidamente se midió el tamaño de partícula. Como resultado, debido al bajo contenido de agua de la pulpa, el tamaño de partícula vino a ser de más de 100 \mum. Se consideró que esto era debido al hecho de que, después de hilar la solución de polímero, los filamentos se obtuvieron mediante lavado con agua, neutralización y secado y luego se cortaron en fibras cortas, que luego se sometieron a refino mecánico también para que resultara una alta formación de fibrillas dando una pulpa. Por tanto, la eliminación de agua de los espacios entre los cristales debida a la etapa de secado promueve la cristalización del polímero, haciéndolo rígido y, además, puesto que la cristalización es irreversible, incluso si más tarde estuviera contenida una gran cantidad de agua, dado que en la pulpa había sólo poca agua en los espacios entre los cristales, la molienda en estado congelado dio un grado de molienda mínimo.
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Ejemplo comparativo 3
Se cortaron con una guillotina filamentos de poli-p-fenilentereftalamida (nombre del producto, "Twaron® 1000", fabricado por Teijin Twaron; finura: 1680 dtex, número de filamentos: 1000; contenido de agua: 5,1% en peso) siendo la longitud de corte de 1,0 mm, obteniéndose fibras cortas.
La molienda en estado congelado de las fibras cortas resultantes se hizo usando el mismo procedimiento e iguales condiciones a las del Ejemplo 1 y seguidamente se midió el tamaño de partícula. Como resultado, el tamaño de partícula fue de más de 100 \mum, que es el mismo resultado que el obtenido en el Ejemplo comparativo 1, creyéndose que la razón es la misma.
En la Tabla 1 se presentan los resultados de las mediciones del tamaño de partícula realizadas en los Ejemplos.
TABLA 1
1
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Un polímero secado totalmente que se rehumedece no dio partículas pequeñas después de molienda en estado congelado (Ejemplo comparativo 2).
Las partículas obtenidas en la presente invención son particularmente útiles en materiales abrasivos de alta prestación a usar para frenos, tales como frenos de disco o frenos de tambor para automóviles, o en materiales de carga para componentes de precisión tales como engranajes de resina reforzados con fibra y similares.

Claims (6)

1. Un procedimiento para obtener partículas de poliamida totalmente aromática de tipo para, que comprende las etapas de:
(a)
introducir una solución de polímero aramida en un líquido coagulante basado en agua para obtener un producto conformado hidratado, y
(b)
someter el producto conformado no secado o parcialmente secado que tiene un contenido de agua de 10 a 99% en peso a molienda en estado congelado.
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2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el producto conformado se somete a una etapa de lavado antes de someter el producto conformado no secado o parcialmente secado a molienda en estado congelado.
3. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que el producto conformado no se seca cuando se somete a molienda en estado congelado.
4. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, en el que la poliamida totalmente aromática de tipo para es poli-p-fenilentereftalamida.
5. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que las partículas de poliamida totalmente aromática de tipo para se obtienen teniendo una distribución del tamaño de partícula de menos de 75 \mum, preferiblemente de menos de 50 \mum, muy preferiblemente de menos de 30 \mum.
6. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que el producto conformado es escamilla, fibrilla, pulpa, partícula laminar o flóculo.
ES06831788T 2005-12-28 2006-12-21 Metodo para obtener particulas totalmente aromaticas de tipo para. Active ES2346571T3 (es)

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