ES2635045T3 - Método para aumentar la reactividad de la lignina - Google Patents

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Abstract

Un método para aumentar la reactividad de la lignina, caracterizado porque el método comprende las siguientes etapas: a) formar, bajo calentamiento a una temperatura de 30 - 70 ºC, una dispersión acuosa que comprende álcali y lignina, en la que el álcali comprende un hidróxido de un metal alcalino, y en la que la concentración de lignina es de un 10 - 50 % en peso basándose en el peso total de la dispersión en la etapa a); y b) calentar la dispersión formada en la etapa a) a una temperatura de 50 - 95 ºC para producir una lignina alcalinizada.

Description

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Metodo para aumentar la reactividad de la lignina DESCRIPCION
Campo de la invencion
La invencion se refiere a un metodo para aumentar la reactividad de la lignina y al uso adicional de tal lignina. Antecedentes de la invencion
La lignina es un polfmero natural, que se puede extraer por ejemplo a partir de la madera. Dado que la lignina es un biopoUmero natural, su uso como un componente en pegamentos en lugar de materiales sinteticos se ha investigado para conseguir una composicion de adhesivo mas ecologica. Especialmente, el objeto de la tecnica anterior ha sido la capacidad de sustituir el fenol sintetico en resinas fenolicas, tales como resina de fenol y formaldel'ndo.
Con productos de madera se pueden usar diferentes tipos de composiciones adhesivas, tales como pegamentos fenolicos. Los ejemplos de los pegamentos de este tipo incluyen composiciones que comprenden resina de fenol y formaldel'ndo. Tradicionalmente, las resinas sinteticas fenol y formaldel'ndo se producen polimerizando fenol y formaldel'ndo en presencia de un catalizador. Los ejemplos de catalizadores de este tipo son. hidroxido sodico (NaOH) y acidos. El metodo para producir resina de fenol y formaldel'ndo comprende la adicion de formaldel'ndo de una forma escalonada a una composicion de fenol y a partir de ese momento aumentar la temperatura de la composicion formada hasta 80 - 90 °C. La composicion se calienta a esta temperatura hasta que se alcanza una viscosidad deseada de la longitud de la resina o polfmero formados.
La lignina se puede usar con el fin de disminuir la cantidad de fenol sintetico en una composicion de resina. La lignina se ha usado anteriormente para sustituir al fenol durante la produccion de resina de lignina- fenolformaldehndo.
Ha sido posible sustituir hasta un 30 % del fenol sintetico en la resina final, por ejemplo resina de fenol y formaldel'ndo, con lignina, pero una sustitucion mas elevada como resultado propiedades no deseadas para el pegamento producido.
Por lo tanto, los inventores han reconocido una necesidad de un metodo, que podna dar como resultado una sustitucion mas elevada del fenol en la composicion y por lo tanto una composicion de aglutinante ecologica con propiedades adecuadas para su uso en diferentes aplicaciones.
Objeto de la invencion
El objeto de la invencion es proporcionar un nuevo metodo para aumentar la reactividad de la lignina. Ademas, el objeto de la invencion es proporcionar un tipo de metodo nuevo, en el que la lignina mas reactiva se usa para sustituir al menos parte de la cantidad de los materiales sinteticos usados durante la produccion de una composicion de aglutinante. Especialmente con el objeto es producir una composicion de aglutinante mas ecologica para su uso por ejemplo en aplicaciones adhesivas.
Sumario
El metodo para aumentar la reactividad de la lignina de acuerdo con la presente invencion se caracteriza porque se presenta en la reivindicacion 1.
La lignina que se puede obtener con el metodo de acuerdo con la presente invencion se caracteriza porque se presenta en la reivindicacion 8.
El metodo para producir una composicion de aglutinante de acuerdo con la presente invencion se caracteriza porque se presenta en la reivindicacion 9.
La composicion de aglutinante de acuerdo con la presente invencion se caracteriza porque se presenta en la reivindicacion 14.
La composicion de adhesivo de acuerdo con la presente invencion se caracteriza porque se presenta en la reivindicacion 15.
Los usos de acuerdo con la presente invencion se caracterizan porque se presentan en las reivindicaciones 16 y 17.
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Breve descripcion de las figuras
Las figuras adjuntas, que se incluyen para proporcionar una comprension adicional de la invencion y forman una parte de la presente memoria descriptiva, ilustran algunas realizaciones de la invencion y, junto con la descripcion, ayudan a explicar los principios de la invencion. En las figuras:
Fig. 1 es una ilustracion de diagrama de flujo de un metodo para aumentar la reactividad de la lignina y del uso de lignina que presenta un aumento de la reactividad de acuerdo con una realizacion de la presente invencion; Fig. 2 muestra el resultado de la medicion de calorimetna de barrido diferencial (DSC) de una composicion de aglutinante (resina) producida usando lignina alcalinizada de acuerdo con la presente invencion; y Fig. 3 muestra el resultado de la medicion de DSC de una composicion de aglutinante (resina) producida usando lignina tratada de acuerdo con el ejemplo comparativo 1.
Descripcion detallada de la invencion
La presente invencion se refiere a un metodo para aumentar la reactividad de la lignina, metodo que comprende las siguientes etapas:
a) formar, bajo calentamiento a una temperatura de 30 - 70 °C, una dispersion acuosa que comprende alcali y lignina, en la que el alcali comprende un hidroxido de un metal alcalino; y
b) calentar la dispersion formada en la etapa a) a una temperatura de 50 - 95 °C para producir una lignina alcalinizada.
Un inconveniente de los diferentes metodos para la separacion o aislamiento de lignina a partir de, por ejemplo, biomasa es que la lignina se condensa durante el procedimiento debido al entorno de bajo pH usado. Por lo tanto, la lignina separada tiene una reactividad bastante baja y una naturaleza heterogenea, que influye en las reacciones con otros componentes reactivos durante la produccion de una composicion de aglutinante. La baja reactividad de la lignina ha sido una de las razones para evitar un mayor nivel de sustitucion de, por ejemplo, fenol sintetico en composiciones de aglutinante con lignina de base biologica. Se ha reconocido que las propiedades de las composiciones de aglutinante disponibles en la actualidad, en las que hasta un 50 - 60 % del fenol sintetico se ha reemplazado por lignina, no son aceptables para, por ejemplo, aplicaciones de pegado. Por ejemplo, la resistencia de las uniones pegadas no se ha encontrado en un nivel requerido.
Los inventores descubrieron de forma sorprendente que la reactividad de la lignina se puede aumentar con el metodo de la presente invencion y ademas que se puede conseguir un nivel de sustitucion mas elevado, por ejemplo, de fenol sintetico en composiciones de aglutinante cuando se usa este tipo de lignina activada durante la produccion de la composicion de aglutinante.
En la presente memoria descriptiva se debena entender que la expresion "lignina que presenta un aumento de la reactividad", a menos que se indique de otro modo, se refiere a lignina, que ha sido tratada con el metodo de acuerdo con la presente invencion. El tratamiento de la lignina con el metodo de acuerdo con la presente invencion activa la lignina haciendola mas adecuada para su uso en otras aplicaciones. Por lo tanto, la reactividad de la lignina aumenta en comparacion con la lignina, que no ha sido tratada con el metodo de acuerdo con la presente invencion.
En la presente memoria descriptiva, a menos que se indique de otro modo, la expresion "lignina" se debena entender como cualquier lignina adecuada para su uso en la presente invencion.
La lignina puede incluir principalmente lignina pura, asf como derivados de lignina y modificaciones de lignina.
Mediante la expresion "lignina esencialmente pura" se debena entender al menos un 90 % de lignina pura, preferentemente al menos un 95 % de lignina pura. En una realizacion de la presente invencion la lignina esencialmente pura comprende como maximo un 10 %, preferentemente como maximo un 5 %, de los otros componentes. Los extractos y carbohidratos tales como hemi-celulosas se pueden mencionar como ejemplos de tales otros componentes.
En una realizacion de la presente invencion la lignina a tratar con el metodo de acuerdo con la presente invencion se selecciona entre un grupo que consiste en lignina kraft, lignina productora de biomasa, lignina del proceso de formacion de pulpa alcalina, lignina del proceso de sosa, lignina de formacion de pulpa con organosolv y combinaciones de los mismos.
Diferentes componentes de lignina pueden tener diferentes propiedades, por ejemplo peso molecular, masa molar, polidispersion, hemicelulosa y contenido de extractos. En una realizacion de la presente invencion la lignina incluye agua pero ningun disolvente.
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En la presente memoria descriptiva, por "lignina kraft" se debe entender, a menos que se indique de otro modo, lignina que se origina a partir de agua madre de residuos de kraft. El agua madre de residuos es una solucion acuosa alcalina de restos de lignina, hemicelulosa, y productos qmmicos inorganicos usados en el proceso de formacion de pulpa de kraft. El agua madre de residuos del proceso de formacion de pulpa comprende componentes que se originan a partir de diferentes especies de madera blanda y madera dura en diversas proporciones. La lignina se puede separar del agua madre de residuos mediante tecnicas diferentes que incluyen por ejemplo precipitacion y filtracion. Normalmente la lignina comienza a precipitar a valores de pH inferiores a 11 - 12. Se pueden usar diferentes valores de pH para precipitar fracciones de lignina con propiedades diferentes. Estas fracciones de lignina se diferencian entre sf por la distribucion del peso molecular, por ejemplo Pm y Mn, polidispersion hemicelulosa y contenido de extractos. La masa molar de la lignina precipitada a un valor de pH mas alto es mayor que la masa molar de lignina precipitada a un valor de pH mas bajo. Ademas, la distribucion del peso molecular de la fraccion de lignina precipitada a un valor de pH mas bajo es mas amplia que la de la fraccion de lignina precipitada a un valor de pH mas alto. Por lo tanto las propiedades de la lignina pueden variar dependiendo del uso final de la aplicacion de pegado.
La lignina precipitada se puede purificar a partir de impurezas inorganicas, hemicelulosa y extractos de madera usando etapas de lavado con acido. La purificacion adicional se puede conseguir por filtracion.
En una realizacion de la presente invencion el contenido de materia seca de la lignina es inferior a un 98 %, preferentemente un 40 - 80 %, y mas preferentemente un 50 - 70 %.
En una realizacion de la presente invencion la lignina se separa de la biomasa pura. El proceso de separacion puede comenzar con la fluidizacion de la biomasa con un alcali fuerte seguido de un proceso de neutralizacion. Despues del tratamiento con alcali la lignina se puede precipitar de una manera similar a la presentada anteriormente. En la realizacion de la presente invencion la separacion de lignina de biomasa comprende una etapa de tratamiento enzimatico. El tratamiento enzimatico modifica la lignina a extraer de la biomasa. La lignina separada de la biomasa pura no contiene azufre y por lo tanto es valiosa para su procesamiento posterior.
El alcali comprende un hidroxido de un metal alcalino. En una realizacion de la presente invencion el alcali se selecciona entre un grupo que consiste en hidroxido sodico, hidroxido potasico y mezclas de los mismos. En una realizacion de la presente invencion el alcali es hidroxido sodico.
En una realizacion de la presente invencion la concentracion de alcali es de un 5 - 50 % en peso, y preferentemente un 10 - 25 % en peso basandose en el peso total de la dispersion en la etapa a).
En una realizacion de la presente invencion la concentracion de lignina en la etapa a) es de un 10 - 50 % en peso, preferentemente un 20 - 50 % en peso, y mas preferentemente un 20 - 45 % en peso basandose en el peso total de la dispersion en la etapa a).
En una realizacion de la presente invencion la temperatura en la etapa a) es preferentemente 50 - 65 °C.
En una realizacion de la presente invencion la temperatura en la etapa b) es preferentemente 60 - 75 °C.
En una realizacion de la presente invencion la etapa b) se realiza durante 15 minutos - 24 horas, preferentemente durante un periodo de tiempo no superior a 5 horas, y mas preferentemente durante 0,5 - 1,5 horas.
El metodo de acuerdo con la presente invencion, y especialmente las etapas a) y b) de alcalinizacion da como
resultado la activacion de la lignina. Como se ha discutido anteriormente, la lignina se condensa durante aislamiento con acido o procesos de separacion. Sin limitar la invencion a ninguna teona espedfica con respecto a por que la alcalinizacion de la lignina da como resultado la formacion de una lignina mas reactiva, se debe considerar que la alcalinizacion abre la estructura macromolecular de la lignina de modo que los impedimentos histericos que normalmente desactivan los grupos reactivos en las estructuras de lignina se retiran. La alcalinizacion tambien puede anadir grupos cargados a la macromolecula de lignina. La ventaja del uso de lignina alcalinizada por ejemplo para producir una composicion de aglutinante es que la compatibilidad y el comportamiento de reaccion son mucho
mejor que en un caso normal, en el que la lignina no tratada se ha usado en la etapa de calentamiento o de
polimerizacion.
En una realizacion de la presente invencion el metodo comprende, antes de la etapa a), la etapa i) de hacer
reaccionar lignina con un compuesto seleccionado entre la clase de fenoles. En una realizacion de la presente
invencion el compuesto se selecciona entre un grupo que consiste en fenol, cresol, resorcinol y combinaciones de los mismos. En una realizacion de la presente invencion el compuesto es fenol. Permitir que la parte alifatica de la lignina reaccione con, por ejemplo, fenol aumenta el numero de grupos OH fenolicos unidos a la parte alifatica de la lignina. A medida que aumenta el numero de grupos OH aumenta la reactividad de la lignina durante, por ejemplo, la fase de calentamiento de un metodo de produccion de aglutinante con los otros componentes reactivos. La ventaja
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de alcalinizar la lignina fenolizada es que ademas de tener nuevos grupos OH fenolicos unidos a la lignina, la estructura de lignina se abrira como se ha discutido anteriormente. El aumento de la reactividad de la lignina tiene la ventaja de permitir la sustitucion de una cantidad mas elevada de reactivos sinteticos tales como fenol con lignina de base biologica en la composicion final de aglutinante.
En una realizacion de la presente invencion la etapa i) se realiza a una temperature de 100 - 140 °C durante 1 - 3 horas en presencia de un catalizador. En una realizacion de la presente invencion el catalizador usado en la etapa i) es un acido, preferentemente acido sulfurico (H2SO4).
En una realizacion de la presente invencion el metodo comprende, despues de la etapa b), la etapa ii) de anadir un aldehfdo, un derivado de un aldehfdo, o una combinacion de los mismos a la dispersion formada en la etapa b). En una realizacion de la presente invencion el derivado de un aldehfdo es paraformaldel'ndo. En una realizacion de la presente invencion la lignina alcalinizada reacciona con un aldehfdo aromatico, o glioxal. En una realizacion de la presente invencion el aldehfdo aromatico es aldehfdo furfunlico. En una realizacion de la presente invencion el aldehfdo es formaldehndo.
En una realizacion de la presente invencion la lignina alcalinizada reacciona con un aldehfdo, por ejemplo formaldehido, con el fin de formar lignina hidroximetilada. Permitir que la lignina alcalinizada reaccione, por ejemplo, con formaldehido aumenta adicionalmente la reactividad de la lignina a medida que los grupos hidroximetilo aumentan, grupos que reaccionan facilmente con los otros componentes reactivos durante, por ejemplo, la etapa de calentamiento de la resina.
En una realizacion de la presente invencion, en la etapa ii), la proporcion de peso del aldehfdo con respecto a la lignina en la dispersion de la etapa b) es 0,2 - 0,7, y preferentemente 0,3 -0,6.
La presente invencion tambien se refiere a una lignina que se puede obtener con el metodo de la presente invencion. En una realizacion de la presente invencion la lignina que se puede obtener con el metodo de la presente invencion puede ser lignina, que ha sido sometida a alcalinizacion; a fenolizacion y alcalinizacion; a alcalinizacion e hidroximetilacion; o a fenolizacion, alcalinizacion e hidroximetilacion.
La presente invencion tambien se refiere a un metodo para producir una composicion de aglutinante, en la que el metodo comprende la etapa de:
(iii) calentar una composicion acuosa que comprende componentes reactivos, incluyendo lignina tratada de acuerdo con la presente invencion, una sustancia polimerizable y un agente de reticulacion en presencia de un catalizador a una temperatura de 60 - 95 °C para polimerizar los componentes reactivos hasta que se forme una composicion de aglutinante con un valor de viscosidad determinado previamente.
En una realizacion de la presente invencion la lignina usada en el metodo para producir una composicion de aglutinante es lignina, que se ha alcalinizado de acuerdo con la presente invencion. En una realizacion de la presente invencion la lignina usada en el metodo para producir una composicion de aglutinante es lignina, que se ha fenolizado y alcalinizado de acuerdo con la presente invencion. En una realizacion de la presente invencion la lignina usada en el metodo para producir una composicion de aglutinante es lignina, que se ha alcalinizado e hidroximetilado de acuerdo con la presente invencion. En una realizacion de la presente invencion la lignina usada en el metodo para producir una composicion de aglutinante es lignina, que se ha fenolizado, alcalinizado e hidroximetilado de acuerdo con la presente invencion.
En una realizacion de la presente invencion el valor de viscosidad determinada previamente de la composicion final de aglutinante es al menos 0,04 Pa.s, preferentemente al menos 0,05 Pa.s, y mas preferentemente al menos 0,08 Pa.s. En una realizacion de la presente invencion el valor de viscosidad determinada previamente de la composicion final de aglutinante es al menos 0,04 Pa.s pero no superior a 0,25 Pa.s, preferentemente al menos
0,05 Pa.s pero no superior a 0,15 Pa.s, y mas preferentemente al menos 0,08 Pa.s pero no superior a 0,12 Pa.s.
En una realizacion de la presente invencion el valor de viscosidad determinada previamente de la composicion final de aglutinante es al menos 0,25 Pa.s, preferentemente al menos 0,3 Pa.s, y mas preferentemente al menos 0,5 Pa.s. En una realizacion de la presente invencion el valor de viscosidad determinada previamente de la
composicion final de aglutinante es al menos 0,25 Pa.s pero no superior a 1,5 Pa.s, preferentemente al menos
0,3 Pa.s pero no superior a 1,2 Pa.s, y mas preferentemente al menos 0,5 Pa.s pero no superior a 1 Pa.s. La viscosidad se mide a 25 °C usando un viscosfmetro giratorio. El valor de viscosidad determinada previamente de la composicion final de aglutinante puede variar dependiendo de la aplicacion espedfica en la que se va a usar la composicion de aglutinante.
El orden preciso de combinacion y/o adicion de los componentes necesarios para la produccion de composicion de aglutinante puede variar dependiendo por ejemplo de las propiedades necesarias de la composicion de aglutinante
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formada. La eleccion de la secuencia de combinacion y/o adicion de los componentes necesarios esta dentro del conocimiento de la persona con experiencia. La cantidad precisa de los componentes usados para producir la composicion de aglutinante puede variar y la eleccion de las cantidades de los diferentes componentes esta dentro del conocimiento de la persona con experiencia basandose en la presente memoria descriptiva. La temperatura se puede controlar durante la produccion de la composicion de aglutinante enfriando y/o calentando la composicion.
La caractenstica esencial del metodo de produccion de aglutinante es que se permite que los componentes reactivos, por ejemplo la lignina tratada de acuerdo con la presente invencion, el agente de reticulacion y la sustancia polimerizable, reaccionen en un ambiente acuoso en presencia de un catalizador I. bajo calentamiento de un modo tal que los componentes reactivos se sintetizan verdaderamente juntos y no simplemente ser mezclan entre sf por via ffsica.
De forma sorprendente el metodo de la presente invencion como resultado una composicion de aglutinante mas ecologica ya que en el metodo de produccion de aglutinante la lignina polimerica natural, que es un polfmero fenolico, ha reemplazado al menos parte de la sustancia fenolica sintetica usada normalmente en la produccion de composiciones fenolicas tales como resina de fenol y formaldehndo. Sin limitar la invencion a ninguna teona espedfica con respecto a por que el metodo de la presente invencion da como resultado la ventaja mencionada anteriormente ventaja, se debe considerar que la idoneidad de la sustitucion de al menos una parte de, por ejemplo con el fenol con lignina se debe al hecho de que la lignina, cuya reactividad ha sido aumentada con el metodo de la presente invencion, reacciona de forma eficaz con un aldehndo, tal como formaldetndo, de una manera bastante similar al fenol.
En una realizacion de la presente invencion la composicion acuosa comprende adicionalmente tanino como un componente reactivo.
En una realizacion de la presente invencion el tanino usado se origina a partir de cualquier especie de madera. Los taninos se pueden originar a partir de, por ejemplo, corteza o duramen. El quebracho, el haya y la acacia se presentan como ejemplos de posibles fuentes de taninos. En una realizacion de la presente invencion el tanino usado proviene de la corteza de madera blanda. En una realizacion de la presente invencion el tanino se separa de la corteza de madera blanda de unidades de descortezado en aserraderos o fabricas de pasta de papel. El proceso de separacion se puede combinar con un proceso de extraccion de etanol, un proceso de extraccion con agua caliente, un proceso de extraccion con vapor caliente o un proceso de extraccion con agua y etanol de corteza de madera blanda. En una realizacion de la presente invencion el tanino es tanino condensado. El tanino condensado tiene un alto contenido de materia seca y por lo tanto es adecuado para uso en la presente invencion. El contenido de materia seca de tanino condensado puede variar entre un 40 - 100 % y esta adecuadamente entre un 60 - 90 % y preferentemente entre un 70 -80 %. El tanino con un contenido de materia seca de este tipo se puede dispersar facilmente, con lo que se consigue una buena reactividad con los otros componentes reactivos. El tanino tambien puede ser tanino hidrolizable.
En una realizacion de la presente invencion la etapa (iii) comprende calentar la composicion preferentemente a una temperatura de 65 - 90 °C, y mas preferentemente a una temperatura de 75 - 85 °C.
En una realizacion de la presente invencion el agente de reticulacion se selecciona entre un grupo que consiste en un aldehndo, un derivado de un aldehndo, un compuesto formador de aldehndo y combinaciones de los mismos. En una realizacion de la presente invencion el derivado de un aldehndo es hexametilentetramina, paraformaldehndo o trioxano. En una realizacion de la presente invencion el agente de reticulacion se selecciona entre un grupo que consiste en un aldehndo aromatico, glioxal, alcohol furfunlico, caprolactama y compuestos de glicol. El aldehndo puede ser formaldehndo. El aldehndo aromatico puede ser aldehndo furfunlico. En una realizacion de la presente invencion el agente de reticulacion es un agente de reticulacion de base biologica. En una realizacion de la presente invencion el agente de reticulacion es un aldehndo, y preferentemente formaldehndo.
En una realizacion de la presente invencion la sustancia polimerizable se selecciona entre un grupo que consiste en fenol, cresol, resorcinol y combinaciones de los mismos. En una realizacion de la presente invencion la sustancia polimerizable es fenol. En una realizacion de la presente invencion la sustancia polimerizable se selecciona entre un grupo que consiste en hidroxifenoles de base biologica y sus derivados. En una realizacion de la presente invencion la sustancia polimerizable es una sustancia polimerizable de base biologica. En una realizacion de la presente invencion la sustancia polimerizable se selecciona entre un grupo que consiste en lignina y tanino.
En una realizacion de la presente invencion de catalizador en la etapa iii) comprende una sal o un hidroxido de un metal alcalino. En una realizacion de la presente invencion el catalizador en la etapa iii) se selecciona entre un grupo que consiste en hidroxido sodico, hidroxido potasico, acidos y cualquier mezcla de los mismos. En una realizacion de la presente invencion el catalizador en la etapa iii) es hidroxido sodico.
En una realizacion de la presente invencion la relacion entre las cantidades de lignina, catalizador/disolvente;
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sustancia polimerizable, y agente de reticulacion, basandose en sus contenidos de materia seca, usada para producir la composicion de aglutinante es la siguiente: un 18 - 70 % en peso, preferentemente un 26 - 45 % en peso, de agente de reticulacion y catalizador/disolvente, y un 82 - 30 % en peso, preferentemente un 74 - 55 % en peso, de la sustancia polimerizable y lignina.
La presente invencion tambien se refiere a una composicion de aglutinante y se puede obtener con el metodo de la presente invencion.
La presente invencion tambien se refiere a una composicion de adhesivo que comprende la composicion de aglutinante de acuerdo con la presente invencion. La composicion de adhesivo puede comprender adicionalmente uno o mas componentes adhesivos seleccionados entre un grupo que consiste en otros aglutinantes, diluyentes, aditivos, catalizadores y cargas. Un aglutinante es una sustancia, que es principalmente responsable de crear el crecimiento y la reticulacion de un polfmero y por lo tanto ayuda en el curado de sistemas polimericos. Un diluyente es una sustancia, que ayuda al aglutinante ajustando las propiedades ffsicas por ejemplo uniendo en estado humedo. El aditivo puede ser un polfmero o un compuesto inorganico, que ayuda en propiedades como relleno, ablandamiento, reduccion de costes, ajuste de la humedad, aumento de la rigidez y aumento de la flexibilidad. El catalizador es una sustancia, que normalmente aumenta y ajusta la velocidad de curado. En el presente documento por "sustancia" se debe entender que incluye un compuesto o una composicion. La composicion de aglutinante de la presente invencion puede servir como aglutinante, un diluyente, un aditivo, un catalizador y/o una carga en la composicion de adhesivo.
La presente invencion tambien se refiere al uso de la composicion de aglutinante en una aplicacion de impregnacion, como un revestimiento, para reforzar plastico, para producir un producto moldeado por compresion, un moldeado, un laminado o una laca, o para pegar un producto de madera. La composicion de aglutinante de la presente invencion se puede usar adicionalmente para pegar combinaciones de plastico y madera.
La presente invencion tambien se refiere al uso de la composicion de adhesivo de la presente invencion para pegar un producto de madera.
En una realizacion de la presente invencion el producto de madera se selecciona entre un grupo que consiste en un tablero de madera, un revestimiento de madera, y una barra de madera.
En una realizacion de la presente invencion una estructura compuesta formada por capas puede estar formada por dos o mas capas incluyendo al menos una capa de revestimiento de madera, en la que las capas se colocan unas por encima de las otras y se combinan por medio de pegado con la composicion de aglutinante de acuerdo con la presente invencion y/o la composicion de adhesivo de acuerdo con la presente invencion. En la presente memoria descriptiva, a menos que se indique de otro modo, el termino "revestimiento de madera" se usa para dirigirse a un revestimiento, que se puede formar a partir de cualquier material, por ejemplo material con base de madera, material de fibra, material compuesto o similares. En el presente contexto, el espesor del revestimiento de madera puede variar. Por lo general el grosor del revestimiento de madera es inferior a 3 mm.
En una realizacion de la presente invencion la estructura compuesta formada por capas se selecciona entre un grupo que consiste en un producto de panel de madera, un producto de madera contrachapada, un producto compuesto, y un producto de panel prensado. La estructura compuesta formada por capas se puede formar a partir de un numero de capas, preferentemente del revestimiento de capas de madera, en el que las capas se ponen unas sobre las otras y se pegan juntas.
Las realizaciones de la invencion descritas anteriormente en el presente documento se pueden usar en cualquier combinacion entre sf. Varias de las realizaciones se preven combinan entre sf para formar una realizacion adicional de la invencion. Un metodo, una composicion o un uso, con los que se relaciona la invencion, puede comprender al menos una de las realizaciones de la invencion descritas anteriormente en el presente documento.
Una ventaja del metodo de acuerdo con la presente invencion es que la reactividad de la lignina por ejemplo separada de la biomasa se puede aumentar de forma notable y tambien de disminuir la naturaleza heterogenica de la lignina.
Una ventaja de la presente invencion es que la reactividad de la lignina se puede aumentar con el metodo, y especialmente la etapa de alcalinizacion, de acuerdo con la presente invencion. La lignina tratada con el metodo de acuerdo con la presente invencion presento mayor mdice de grupos reactivos a lo largo de la estructura de lignina en comparacion con la lignina no tratada.
Una ventaja del metodo de acuerdo con la presente invencion es que mediante el uso de lignina, la reactividad de una composicion de aglutinante que se ha aumentado con el metodo de la presente invencion, como componente reactivo durante la produccion, se consigue una composicion de aglutinante mas ecologica. De forma sorprendente
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se ha descubierto que cuando se usa este tipo de lignina como componente reactivo la cantidad de la sustancia polimerizable, tal como la sustancia fenolica sintetica, por ejemplo fenol, se puede disminuir notablemente durante el proceso de produccion del aglutinante. Dado que el fenol es un compuesto sintetico y la lignina es un polfmero natural, es ventajoso poder minimizar la cantidad de fenol presente en la composicion final de aglutinante. La ventaja de reducir la cantidad de materiales sinteticos es que se consigue un mayor nivel de componentes de base biologica en la composicion final de aglutinante.
Una ventaja de la presente invencion es que al usar lignina que presenta un aumento de la reactividad en comparacion con la lignina no tratada, las propiedades de la composicion final de aglutinante son mas favorables para aplicaciones de pegado. La lignina tratada con el metodo de acuerdo con la presente invencion mejora el rendimiento de curado, adhesion y resistencia a la traccion de la composicion de aglutinante. Una ventaja de la presente invencion es que el rendimiento de pegado de la composicion de aglutinante o la composicion de adhesivo producida es adecuada para usar la composicion por ejemplo en aplicaciones en exteriores.
Una ventaja es que cuando se usa lignina, que tiene una reactividad mas elevada de lo normal, la lignina no tratada como resultado una compatibilidad y comportamiento de reaccion incluso mejores del metodo de produccion de aglutinante de acuerdo con la presente invencion.
Ejemplos
A continuacion se hara referencia con detalle a las realizaciones de la presente invencion, un ejemplo de las cuales se ilustra en la figura adjunta.
La descripcion que sigue a continuacion desvela algunas realizaciones de la invencion con un detalle tal que una persona con experiencia en la materia es capaz de utilizar la invencion basandose en la divulgacion. No todas las etapas de las realizaciones se discuten con detalle, ya que muchas de las etapas seran evidentes para la persona con experiencia en la materia basandose en la presente memoria descriptiva.
La Figura 1 ilustra un metodo de acuerdo con algunas realizaciones de la presente invencion para aumentar la reactividad de la lignina y el uso adicional de la lignina.
La Fig. 1 presenta diferentes combinaciones de etapas de tratamiento, que se pueden usar para aumentar la reactividad de la lignina. La Fig. 1 ilustra la etapa de fenolizacion i), las etapas de alcalinizacion a) y b) y la etapa de hidroximetilacion ii) y sus combinaciones para el tratamiento de lignina. La lignina que presenta un aumento de la reactividad en comparacion con la lignina no tratada se puede usar adicionalmente para sintetizar una composicion de aglutinante, etapa iii) de la Fig. 1, o se puede usar para cualquier otra aplicacion adecuada tal como se ilustra en la Fig. 1.
Antes de cualquiera de las etapas de tratamiento, se elige la fuente de lignina. Como se ha presentado anteriormente, la lignina se puede seleccionar entre lignina kraft, lignina productora de biomasa, lignina del proceso de formacion de pulpa alcalina, lignina del proceso de sosa, lignina de formacion de pulpa con organosolv, y que combinaciones de los mismos. Ademas se seleccionan los otros componentes y sus cantidades para su uso en el metodo de acuerdo con la presente invencion. Si fuera necesario, los componentes usados en el metodo de la Fig. 1 se pueden tratar previamente para que sean adecuados para los procesos de tratamiento de lignina.
Siguiendo las diversas preparaciones y tratamientos previos, en una de las realizaciones de la presente invencion que se muestra en la Fig. 1, se realizara etapa i). La etapa i) comprende hacer reaccionar lignina con un compuesto seleccionado entre la clase de fenoles en presencia de un catalizador. Como resultado de la etapa i) de fenolizacion, los grupos OH fenolicos reactivos se unen la parte alifatica de la lignina.
Despues de la etapa i), se realiza la etapa a). Como alternativa, la lignina se puede tratar directamente de acuerdo con la etapa a) sin ser tratada previamente de acuerdo con la etapa i) como se ilustra en la Fig. 1.
La etapa a) comprende formar una dispersion acuosa que comprende alcali y lignina con calentamiento. El alcali comprende un hidroxido de un metal alcalino. A continuacion, la etapa b) se realiza mediante calentamiento de la dispersion formada a una temperatura de 50 - 95 °C. La etapa a) y la etapa b) dan como resultado lignina que se activa a traves de alcalinizacion.
Despues de la etapa b) la fraccion de lignina alcalinizada se puede introducir en la etapa de calentamiento del metodo de produccion de la composicion de aglutinante, durante el cual dicha lignina se polimeriza con los otros componentes reactivos usados en el metodo de produccion de la composicion de aglutinante (etapa iii) de la Fig. 1).
Como alternativa la lignina alcalinizada de la etapa b) se puede hacer reaccionar adicionalmente con un aldehfdo en la etapa ii) antes de su introduccion en la smtesis de composicion de aglutinante. La etapa ii) se realiza mediante la adicion, por ejemplo, de formaldetndo en la dispersion de lignina alcalinizada de la etapa b), lo que da como
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resultado la formacion de un producto hidroximetilado.
Como resultado de la etapa iii) se produce una composicion de aglutinante que tiene propiedades deseadas y que especialmente para la mayona de las partes se basa en componentes de base biologica. Esta composicion de aglutinante se puede usar como tal para aplicaciones de pegado o se puede procesar adicionalmente con componentes adhesivos para producir una composicion de adhesivo.
Como se ha presentado anteriormente, ademas del uso de la lignina alcalinizada de la etapa b) o la lignina hidroximetilada de la etapa ii) en un metodo para producir una composicion de aglutinante, la lignina alcalinizada o a lignina hidroximetilada se puede usar como tal en cualquier otra aplicacion adecuada.
EJEMPLO 1 - Alcalinizacion
En este ejemplo la reactividad de la lignina aumento mediante la alcalinizacion de la lignina. Se usaron los siguientes componentes y sus cantidades:
concentracion cantidad (g)
agua
836
NaOH
50 % 584
lignina
75 % 1270
En primer lugar, se mezclaron agua y NaOH y se inicio el calentamiento de la mezcla. A continuacion la lignina se disperso lentamente en la mezcla de alcali y agua con agitacion y de forma simultanea la temperatura se elevo hasta 60 °C. Cuando toda la lignina se habfa dispersado, la dispersion se calento a una temperatura de aproximadamente 75 °C durante 1,5 horas. Como resultado la lignina se alcalinizo.
A partir de ese momento la lignina tratada de acuerdo con el Ejemplo 1 se uso para producir una composicion de aglutinante. Se mezclaron 38 g de fenol (90 %) con 105 g de lignina alcalinizada, tras lo cual se anadieron 79 g de formaldetHdo (37 %) de una forma escalonada. Como catalizador se uso NaOH. La temperatura se mantuvo por debajo de 75 °C. A partir de ese momento el calentamiento continuo a 85 - 90 °C hasta que la viscosidad de la composicion formada era de aproximadamente 4 x 10-1 Pa.s (tal como se mide a una temperatura de 25 °C).
A partir de ese momento la composicion de aglutinante o resina formada se sometio a mediciones de DSC, cuyos resultados se pueden observar en la Fig. 2.
Se formo un ejemplo comparativo 1 usando lignina que se habfa tratado de la siguiente manera:
Se usaron los siguientes componentes y sus cantidades:
concentracion cantidad (g)
agua
836
NaOH
50 % 584
lignina
75 % 1270
En primer lugar, se mezclaron agua y NaOH y se inicio el calentamiento de la mezcla. A continuacion la lignina se anadio en la mezcla de alcali y agua con agitacion y de forma simultanea la temperatura se elevo hasta 95 °C. Cuando la lignina se habfa anadido, la mezcla se calento a una temperatura de aproximadamente 90 °C durante 1 hora.
La lignina del ejemplo comparativo 1 se uso para producir una composicion de aglutinante comparativa 1 de una manera similar a la que se ha descrito anteriormente. La composicion de aglutinante comparativa formada tambien se sometio a mediciones de DSC.
Los resultados de las mediciones de DSC de la composicion de aglutinante comparativa 1 se presentan en la Fig. 3.
Como se puede observar a partir de la Fig. 2, la composicion de aglutinante formada usando lignina alcalinizada de acuerdo con la presente invencion solamente muestra un pico mtido. Por el contrario, como se puede observar a partir de la Fig. 3, la composicion de aglutinante comparativa presentaba varios picos.
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El pico mtido de la Fig. 2 indica que la lignina alcalinizada reaccionaba con fenol y formaldel'ndo formando una estructura de polfmero homogenea y uniforme. Los varios picos mtidos en la Fig. 3 indican que fenol y formaldel'ndo reaccionan sin una reaccion con lignina alcalinizada o solo parcialmente junto con lignina alcalinizada.
Sin limitar la invencion a ninguna teona espedfica con respecto a por que la alcalinizacion de la lignina de acuerdo con la presente invencion da como resultado este resultado ventajoso, se debe considerar que la lignina alcalinizada de acuerdo con el ejemplo comparativo 1 permanece en su forma de partfculas original o se aglomera en grupos de mayor tamano con lo que el proceso de alcalinizacion es capaz de influir solamente en la superficie de tales grupos o partfculas. La alcalinizacion de la lignina de acuerdo con la presente invencion da como resultado una lignina que se dispersa o se disuelve bien cuando comienza el proceso de alcalinizacion. Al ser alcalinizada una parte o area de mayor tamano de la lignina, la reactividad de la lignina aumenta en comparacion con la lignina alcalinizada de acuerdo con el metodo del ejemplo comparativo. Dado que la lignina exenta un aumento de la reactividad, esta reaccionara facilmente con los otros componentes reactivos durante la produccion de la composicion de aglutinante.
EJEMPLO 2 - Alcalinizacion, baja temperatura
En este ejemplo la reactividad de la lignina aumento mediante la alcalinizacion de la lignina. Se usaron los siguientes componentes y sus cantidades:
concentracion cantidad (g)
agua
836
NaOH
50 % 584
lignina
75 % 1270
En primer lugar, se mezclaron agua y NaOH y se inicio el calentamiento de la mezcla. A continuacion la lignina se disperso lentamente en la mezcla de alcali y agua con agitacion y de forma simultanea la temperatura se elevo hasta 60 °C. Cuando toda la lignina se habfa dispersado, la dispersion se calento a una temperatura de aproximadamente 60 °C durante aproximadamente 1 hora. Como resultado la lignina se alcalinizo.
EJEMPLO 3 - Alcalinizacion, alta temperatura
En este ejemplo la reactividad de la lignina aumento mediante la alcalinizacion de la lignina. Se usaron los siguientes componentes y sus cantidades:
concentracion cantidad (g)
agua
836
NaOH
50 % 584
lignina
75 % 1270
En primer lugar, se mezclaron agua y NaOH y se inicio el calentamiento de la mezcla. A continuacion la lignina se disperso lentamente en la mezcla de alcali y agua con agitacion y de forma simultanea la temperatura se elevo hasta 60 - 70 °C. Cuando toda la lignina se habfa dispersado, la dispersion se calento a una temperatura de aproximadamente 90 - 95 °C durante aproximadamente 1 hora. Como resultado la lignina se alcalinizo.
EJEMPLO 4 - Fenolizacion en combinacion con alcalinizacion de lignina tratada para producir una composicion de aglutinante
En este ejemplo la reactividad de la lignina aumento mediante fenolizacion y alcalinizacion de la lignina, cuando a continuacion la lignina tratada se uso para producir una composicion de aglutinante.
En primer lugar se realizo la fenolizacion. Se usaron los siguientes componentes y sus cantidades:
concentracion cantidad (g)
agua
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fenol
90 % 381
lignina
98 % 446
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concentracion cantidad (g)
H2SO4 96 % 9
Se mezclaron agua, fenol y lignina con agitacion durante aproximadamente 5 - 10 minutes tras lo cual se anadio H2SO4. A continuacion, la temperatura se aumento lentamente hasta 135 °C durante un periodo de aproximadamente 3 horas y se mantuvo esa temperatura durante aproximadamente una hora. A continuacion, la mezcla se enfrio y el tratamiento termino dando como resultado lignina fenolizada.
A continuacion, la lignina fenolizada se alcalinizo. Se mezclaron 430 g de lignina fenolizada con 150 g de NaOH al 50,0 % con calentamiento. A continuacion la dispersion se calento a una temperatura de 75 °C durante aproximadamente 1 hora.
Como resultado de los tratamientos mencionados anteriormente, se formo lignina fenolizada y alcalinizada.
Despues de los tratamientos de fenolizacion y alcalinizacion, se anadieron 38 g de agua y 38 g de fenol (90 %) a la composicion, tras lo cual se anadieron 368 g de formaldehndo (39,3 %) de una forma escalonada. La temperatura se mantuvo 75 °C. A partir de ese momento el calentamiento continuo a 85 - 90 °C hasta que la viscosidad de la composicion formada era de aproximadamente 4 x 10-1 Pa.s (tal como se mide a una temperatura de 25 °C).
EJEMPLO 5 - Alcalinizacion en combinacion con hidroximetilacion y uso de lignina tratada para producir una composicion de aglutinante
En este ejemplo la reactividad de la lignina aumento mediante alcalinizacion e hidroximetilacion de la lignina, cuando a continuacion la lignina tratada se uso para producir una composicion de aglutinante. Se usaron los siguientes componentes y sus cantidades:

agua 220 g

NaOH (primera parte, alcalinizacion) 50 % 146 g

lignina 61 % 752 g
formaldetedo (primera parte,

hidroximetilacion) 39,30 % 514 g

fenol 90 % 510 g
formaldetedo (segunda parte,

formacion de aglutinante) 39,30 % 566 g
NaOH (segunda parte,

formacion de aglutinante) 50 % 146 g
NaOH (tercera parte,

formacion de aglutinante) 50 % 146 g
En primer lugar, se mezclaron agua y NaOH y se inicio el calentamiento de la mezcla. A continuacion la lignina se disperso lentamente en la mezcla de alcali y agua con agitacion y de forma simultanea la temperatura se elevo a aproximadamente 75 °C. Cuando toda la lignina se habfa dispersado, la dispersion se calento a aproximadamente 75 °C durante aproximadamente 1 hora. Como resultado la lignina se alcalinizo. A continuacion se anadio formaldetedo a la dispersion y se permitio que la reaccion continua la durante aproximadamente 1 hora dando como resultado una lignina que estaba casi hidroximetilada.
La lignina tratada se uso para producir una composicion de aglutinante. El fenol se anadio a la composicion, seguido de la adicion de formaldehndo y a continuacion NaOH. El calentamiento de la composicion formada continuo, con adicion de NaOH, a una temperatura de 70 -90 °C hasta que la viscosidad de la composicion formada era de aproximadamente 3 x 10-1 Pa.s (tal como se mide a una temperatura de 25 °C).
EJEMPLO 7 - Preparacion de una composicion de adhesivo
En este ejemplo la composicion de aglutinante producida en el Ejemplo 4 se uso para la produccion de una composicion de adhesivo. La composicion de aglutinante se mezclo con agentes diluyentes, cargas, catalizadores, aditivos, como ejemplos de los cuales se pueden mencionar, por ejemplo, almidon, serrm y endurecedor (por ejemplo, tanino o carbonatos), formando de este modo la composicion de adhesivo.
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EJEMPLO 8 - Aplicacion de la composicion de aglutinante para producir un producto de madera contrachapada
Los revestimientos de madera que tienen el espesor inferior a 3 mm se pegaron junto con la composicion de aglutinante producida en el Ejemplo 5 para producir una madera contrachapada 7. Los resultados mostraban que el efecto de pegado era recientemente bueno como para pegar revestimientos de madera.
EJEMPLO 9 - Aplicacion de la composicion de adhesivo para producir un producto de madera contrachapada
En este ejemplo la composicion de adhesivo del Ejemplo 7 se aplico sobre revestimientos de madera. Los revestimientos de madera se unieron juntos con la composicion de adhesivo para formar una madera contrachapada. El contenido de materia seca de la composicion de adhesivo estaba entre un 45 % y un 55 %. Los revestimientos de madera con la composicion de adhesivo se prensaron mediante la tecnica de prensado en caliente a una temperatura entre 120 -170 °C. La composicion de adhesivo se curo de forma simultanea. Se encontro que la composicion de adhesivo de la presente invencion era adecuada para pegar revestimientos de madera juntos y por lo tanto para la fabricacion de madera contrachapada.
EJEMPLO 10 - Aplicacion de la composicion de aglutinante para producir laminados
En este ejemplo la composicion de aglutinante tal como se produjo en el Ejemplo 4 se uso en una aplicacion de impregnacion. Durante la produccion de laminados, el papel se impregno con una solucion alcoholica de la composicion de aglutinante, tras lo cual las capas impregnadas se transfirieron a un horno. El alcohol se volatilizo y la composicion de aglutinante se curo parcialmente. Las capas que comprendfan la composicion semicurada se colocaron a una por encima de la otra y se calentaron mediante la tecnica de prensado en caliente para formar tableros o laminados mas gruesos uniformes.
En el metodo de produccion de aglutinante presentado en los ejemplos mencionados anteriormente, se usa fenol y formaldehfdo. Sin embargo, cualquier otra sustancia polimerizable o agente de reticulacion se pueden usar igualmente bien en el metodo de produccion de composicion de aglutinante tal como sera evidente para la persona experta en la materia basandose en la presente memoria descriptiva.
Para una persona con experiencia en la materia es evidente que con los avances de la tecnologfa, la idea basica de la invencion se puede poner en practica de diversas maneras. La invencion y sus realizaciones por lo tanto no se limitan a los ejemplos descritos anteriormente; en su lugar se pueden variar dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims (17)

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    10
    15
    20
    25
    30
    35
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    50
    55
    60
    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo para aumentar la reactividad de la lignina, caracterizado porque el metodo comprende las siguientes etapas:
    a) formar, bajo calentamiento a una temperatura de 30 - 70 °C, una dispersion acuosa que comprende alcali y lignina, en la que el alcali comprende un hidroxido de un metal alcalino, y en la que la concentracion de lignina es de un 10 - 50 % en peso basandose en el peso total de la dispersion en la etapa a); y
    b) calentar la dispersion formada en la etapa a) a una temperatura de 50 - 95 °C para producir una lignina alcalinizada.
  2. 2. El metodo de la reivindicacion 1, caracterizado porque la concentracion de alcali es de un 5 - 50 % en peso basandose en el peso total de la dispersion en la etapa a).
  3. 3. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 2, caracterizado porque la concentracion de lignina es de un 20 - 50 % en peso basandose en el peso total de la dispersion en la etapa a).
  4. 4. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 3, caracterizado porque la temperatura en la etapa a) es 50 - 65 °C.
  5. 5. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 4, caracterizado porque la temperatura en la etapa b) es 60 - 75 °C.
  6. 6. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 5, caracterizado porque el metodo comprende, antes de la etapa a), la etapa i) de hacer reaccionar lignina con un compuesto seleccionado entre la clase de fenoles.
  7. 7. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 6, caracterizado porque el metodo comprende, despues de la etapa b), la etapa ii) de anadir un aldehfdo, un derivado de un aldehfdo, o una combinacion de los mismos a la dispersion formada en la etapa b).
  8. 8. Lignina que se puede obtener con el metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 7.
  9. 9. Un metodo para producir una composicion de aglutinante, caracterizado porque el metodo comprende la etapa de:
    (iii) calentar una composicion acuosa que comprende componentes reactivos incluyendo lignina que se puede obtener con el metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 7, una sustancia polimerizable y un agente de reticulacion en presencia de un catalizador a una temperatura de 60 - 95 °C para polimerizar los componentes reactivos hasta que se forme una composicion de aglutinante con un valor de viscosidad determinado previamente.
  10. 10. El metodo de la reivindicacion 9, caracterizado porque la etapa (iii) comprende calentar la composicion a una temperatura de 65 - 90 °C.
  11. 11. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 9 - 10, caracterizado porque el agente de reticulacion es un aldehfdo.
  12. 12. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 9 - 11, caracterizado porque la sustancia polimerizable se selecciona entre un grupo que consiste en fenol, cresol, resorcinol y combinaciones de los mismos.
  13. 13. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 9 - 12, caracterizado porque el catalizador se selecciona entre un grupo que consiste en hidroxido sodico, hidroxido potasico y cualquier mezcla de los mismos.
  14. 14. Una composicion de aglutinante que se puede obtener con el metodo de una cualquiera de las reivindicaciones 9 - 13.
  15. 15. Una composicion de adhesivo que comprende la composicion de aglutinante de la reivindicacion 14.
  16. 16. El uso de la composicion de aglutinante de la reivindicacion 14 en una aplicacion de impregnacion, tal como un revestimiento, para reforzar plastico, para producir un producto moldeado por compresion, un laminado o una laca, o para pegar un producto de madera.
  17. 17. El uso de la composicion de adhesivo de la reivindicacion 15 para pegar un producto de madera.
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