ES2884209T3 - Aislamiento a base de celulosa y métodos para fabricar el mismo - Google Patents

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Abstract

Un aislamiento a base de celulosa configurado para soplarlo en su lugar, que comprende una pluralidad de fibras celulósicas tratadas con un material retardante del fuego, en donde al menos una porción de la pluralidad de fibras celulósicas son fibras residuales de fibra corta (SFR) y/u otras fibras residuales, en donde las fibras SFR son un subproducto de la producción de papel, al menos una porción de la pluralidad de fibras celulósicas se unen juntas para formar superestructuras, en donde las superestructuras se forman para crear conglomerados de fibras celulósicas que se unen juntas de forma fija para formar cuerpos tridimensionales, en donde las superestructuras y los conglomerados de las superestructuras establecen huecos en el aislamiento que resisten la compresión y disminuyen la densidad del aislamiento de celulosa a granel y permanecen en su lugar después de que el aislamiento se ha soplado en su lugar.

Description

DESCRIPCIÓN
Aislamiento a base de celulosa y métodos para fabricar el mismo
Antecedentes de la invención
1. Campo de la invención
La presente invención se refiere a aislamiento y métodos para fabricar el mismo. Más particularmente, la presente invención se refiere a un aislamiento hecho de componentes celulósicos y que incluye superestructuras para mejorar las características de reducción del flujo de calor del aislamiento, que incluye el aislamiento que es soplado en su lugar.
2. Descripción del estado de la técnica
El aislamiento se usa ampliamente con el propósito del control térmico pasivo en un amplio intervalo de aplicaciones, siendo el aislamiento de edificios una aplicación particularmente sustancial. La fibra de vidrio inorgánica ha sido el tipo de material más común usado para producir aislamiento. El aislamiento de celulosa es una forma alternativa de aislamiento que proporciona un rendimiento térmico mejorado al reducir la convección y la permeabilidad al aire. Los aislamientos formados in situ hechos de materiales poliméricos (también conocidos como espuma en aerosol) son más costosos que los aislantes hechos de fibra de vidrio o materiales celulósicos, pero pueden proporcionar la mayor resistencia térmica (o valores R).
El aislamiento de fibra de vidrio puede proporcionarse en bloque o en forma de fibra in situ (soplado en su lugar), con el grosor y la densidad de los bloques y el relleno de fibra soplada determinantes de su rendimiento térmico. El aislamiento de celulosa normalmente se sopla en los áticos, se empaqueta densamente en las cavidades o se aplica con agua en las cavidades de las paredes abiertas. Es conveniente para propósito del rendimiento y la cobertura, poder soplar el aislamiento en su lugar. El aislamiento soplado puede ser un relleno suelto soplado (tal como en una instalación de ático abierto) o en una aplicación densamente empaquetada, como es normalmente el caso en las paredes, donde el material se fuerza a una cavidad con una densidad más alta. Cuando se instala aislamiento soplado, es conveniente mantener la densidad adecuada del aislamiento después de la instalación para lograr las características de aislamiento óptimas. A densidades demasiado bajas, el aislamiento puede asentarse y el flujo de aire puede reducir la efectividad del aislamiento; a densidades demasiado altas, la eficiencia térmica del aislamiento se reduce, y el costo de instalación aumenta.
Las preocupaciones más allá del desempeño efectivo de la fibra de vidrio soplada se relacionan con sus características retardantes del fuego limitadas y las características ambientales, que ahora están reguladas bajo los Estándares Toxicológicos Nacionales Federales, han planteado preocupaciones públicas y gubernamentales sobre su uso continuo como un producto de aislamiento térmico. El aislamiento de celulosa orgánica se ha considerado una alternativa a la fibra de vidrio y puede ser conveniente para ese propósito, particularmente en lo que respecta a su adecuabilidad ambiental y eficiencia térmica. Actualmente, el aislamiento de celulosa está hecho de materia prima reciclada, siendo el papel de periódico reciclado la materia prima principal. Se han considerado otros tipos de materiales con el fin de aumentar el volumen de materia prima disponible, tal como cartón, desechos de construcción de madera y similares.
El aislamiento de celulosa se fabrica en parte mediante el uso de la maquinaria y los métodos de fabricación de papel existentes. Específicamente, la materia prima de celulosa en forma de papel usado, normalmente en forma de periódico impreso, se reduce mecánicamente en piezas pequeñas y puede incluir fibras celulósicas. Con el fin de asegurar que el aislamiento de celulosa cumpla con los estándares de retardantes del fuego, las piezas se mezclan o se recubren con un producto retardante del fuego, que usualmente es un compuesto químico en forma de polvo (es decir, sólido) que se adhiere a las piezas celulósicas. Los productos químicos usados se seleccionan de boratos (que incluye cualquier compuesto o mezcla que contiene boro tal como, por ejemplo, ácido bórico y bórax), sulfato de amonio, sulfato de magnesio o una amalgama de estos materiales (que se referirán en la presente descripción como retardantes del fuego). A continuación, las piezas tratadas se esponjan para reducir su densidad aparente total y mejorar su adecuabilidad para la aplicación. Las piezas tratadas se embolsan y luego se instalan en su lugar como aislamiento soplado.
Las fábricas de papel tienen fibras residuales a las que se hace referencia en la presente descripción como Fibras Cortas Residuales ("SFR"), que son un subproducto de la producción de papel. Estas fibras más cortas no son adecuadas para su uso en la producción de cartón para envases o en la producción de otro papel, papel tisú, o materiales relacionados y resultan en una corriente de desechos significativo para las fábricas de producción. Debido a que no hay suficientes usos comerciales para este material, a menudo se vierte en vertederos.
De manera más general, existen otras fuentes potenciales de fibras residuales que las fábricas de papel. Los procesos agrícolas y en base a la madera a menudo tienen subproductos de fibras que pueden no ser útiles en la producción de alimentos u otros productos derivados de la agricultura o productos derivados de la silvicultura. Finalmente, las fibras residuales pueden obtenerse de la producción del aislamiento de celulosa en sí mismo, donde cualquier fibra suelta, ligera, pequeña o fina puede eliminarse de una línea de producción de aislamiento de celulosa antes del empaque, para evitar el exceso de polvo en la entrega a un suministrador de aislamiento de celulosa. Cualquiera de estos procesos que producen un exceso de fibras finas de bajo valor económico, que se refieren de manera más general más abajo como fibras residuales.
Otros han intentado sin éxito utilizar las SFR o fibras residuales en la producción de aislamiento de celulosa, pero es un desafío hacer que estos materiales puedan usarse como aislamiento de celulosa mediante el uso de procesos convencionales. Las fibras cortas se transportan por el aire cuando se soplan, lo que reduce la visibilidad del instalador y no funcionan como un aislamiento efectivo porque se comprimen por su propio peso, formando un material a granel muy denso que no atrapa el aire ni funciona efectivamente como un aislante. Sería útil poder usar tal material en un aislamiento de celulosa.
Además de lograr la retención requerida de material retardante del fuego, es esencial que el producto terminado alcance la densidad requerida. El aislamiento de celulosa debe caer en un intervalo estrecho de densidad asentada: si no es lo suficientemente denso, su rendimiento térmico puede sufrir, y si es demasiado denso, su costo se vuelve efectivamente prohibitivo. Si se instala a una densidad demasiado baja, el producto puede asentarse con el tiempo; la industria normalmente prueba la densidad asentada. El asentamiento es inconveniente y la resistencia, longitud y estructura de las fibras en el aislamiento es un parámetro crítico que afecta el asentamiento.
El proceso convencional para fabricar aislamiento de celulosa a partir de fibras implica fabricar el aislamiento a partir de papel reciclado. El papel tiene la ventaja de que las fibras del papel se han comprimido en una maraña, lo que le da al papel una mayor resistencia y rigidez que una colección de fibras sueltas. Estos factores contribuyen a que el aislamiento de celulosa convencional cumpla con los niveles de densidad asentada requeridos.
Sin embargo, con las SFR como materia prima para el aislamiento de celulosa, no hay una maraña intrínseca en el producto. Las fibras más cortas están separadas y, por lo tanto, más débiles, por lo que un producto puro de las SFR puede tener un polvo inaceptable, asentarse excesivamente, y no cumplir con las expectativas de la industria para la densidad asentada. En teoría, las SFR podrían fabricarse en un producto de papel mediante el uso de metodologías tradicionales de procesamiento de papel y luego triturarse para fabricar un aislamiento de celulosa de baja densidad comparable a los productos existentes. Sin embargo, existen múltiples problemas con este enfoque, que hacen que su costo sea prohibitivo. Específicamente, para fabricar papel, se necesita una solución de pulpa con aproximadamente 98 % de agua para alimentar un fieltro, y luego las fibras se pasan entre rodillos calientes para secar el material. Por lo tanto, esto resultaría en el requisito de agregar cantidades sustanciales de agua a las SFR, lo que significa que se requerirían sistemas de agua de proceso y gastos de capital y operativos significativos. Además, es difícil fabricar papel a partir de las SFR u otras fibras residuales, debido a la corta longitud de las fibras y la dificultad de obtener suficientes enlaces de hidrógeno a lo largo de las longitudes de las fibras durante el proceso de fabricación de papel.
El aislamiento de celulosa debe cumplir con estrictos requisitos de salud, seguridad, resistencia al fuego, densidad asentada y otros requisitos regulados tal como ASTM C739. Además, el aislamiento de celulosa debe tener un precio competitivo con el fin de ser aceptado por el mercado, que impone estrictos requisitos de costos a los fabricantes. Es conveniente usar materiales rentables que también puedan tratarse adecuadamente para retardar al fuego, instalarse in situ y que tengan características de aislamiento que sean al menos tan buenas como las características de aislamiento del aislamiento de fibra de vidrio, particularmente el aislamiento de fibra de vidrio soplado. El documento WO9216785A1 describe un aislamiento a base de celulosa configurado para soplarlo en su lugar, que comprende una pluralidad de fibras celulósicas.
Por lo tanto, lo que se necesita es material aislante hecho de material celulósico relativamente económico que incluye, pero no se limita a, las SFR y otras fibras residuales. Lo que también se necesita es tal material aislante que sea retardante del fuego y que pueda soplarse en su lugar mientras se mantienen las características de aislamiento conveniente junto con una densidad asentada aceptable. Además, lo que se necesita es un método para fabricar tal material aislante.
Resumen de la invención
Es un objeto de la presente invención proporcionar un material aislante de material celulósico relativamente económico que incluye las SFR y otras fibras residuales. También es un objeto de la invención proporcionar tal material aislante que sea retardante del fuego y que pueda soplarse en su lugar mientras se mantienen las características de aislamiento convenientes junto con una densidad asentada aceptable. Además, es un objeto de la invención proporcionar un método para fabricar tal material aislante.
Estos y otros objetivos se consiguen con la presente invención, que es un aislamiento a base de celulosa de acuerdo con la reivindicación 1, que puede soplarse en su lugar mientras se mantiene las características de aislamiento deseadas, y mantiene una densidad asentada deseada. La materia prima para la presente invención es las SFR que pueden obtenerse de operaciones de procesamiento de pulpa, u otros fibras celulósicas residuales. El material SFR puede usarse solo o en combinación con otros materiales celulósicos que incluyen, pero no se limitan a, fuentes de fibra alternativas, obtenidas de otras fuentes, tales como papel reciclado o cartón corrugado. Cuando las plantas de celulosa fabrican pulpa de papel a partir de materias primas de fibra, se crea las SFR. Estos materiales SFR contienen fibras demasiado cortas para ser útiles en el procesamiento del papel, pero fibras que pueden ser útiles en la producción de aislamiento de celulosa. La presente invención modifica las s Fr para permitir tal uso y, de esta manera, produce un nuevo material aislante.
El uso de materiales SFR para aislamiento de celulosa resuelve dos problemas. Para la industria de la pulpa, elimina un flujo de desechos que de cualquier otra manera tendrían que ser depositados en vertederos o transportados en camiones a un sitio de eliminación. Para la industria de la celulosa, los materiales SFR proporcionan una materia prima rentable que elimina la necesidad de comprar suministros de materias primas más costosas. Además, la utilización de materiales SFR en estado húmedo (antes del secado de los materiales SFR después de que se eliminen como desechos de una operación de fabricación de pulpa) se usa para tratar las SFR con los retardantes del fuego descritos en la presente descripción. Esto se debe a que el tratamiento de las SFR con el retardante del fuego es más efectivo cuando las SFR están húmeda, ya que el retardante del fuego puede ser transportado a las fibras a través de la acción absorbente de las fibras celulósicas. Se requiere menos material retardante del fuego para hacer que el aislamiento formado con las SFR sea suficientemente retardante del fuego, de esta manera se reduce el costo de fabricación del aislamiento. Por otra parte, desde el punto de vista de la salud y la seguridad de la instalación, la fabricación húmeda reduce el polvo químico en el aire porque las SFR están impregnadas con el retardante del fuego, en vez de adherirse al exterior de las fibras. La infusión de retardantes del fuego directamente en las fibras (en lugar de adherir polvo externamente a las fibras) también elimina el riesgo de que los polvos se liberen durante la instalación, que típicamente terminan como polvo en la instalación de aislamiento de celulosa convencional, y que reducen la visibilidad del instalador.
Varios investigadores y compañías han intentado fabricar aislamiento de celulosa a partir de las SFR y no han logrado las propiedades físicas requeridas. Los aislamientos de celulosas y de fibra de vidrio normalmente proporcionan resistencia al flujo de calor al atrapar pequeños volúmenes de aire en bolsas entre las fibras. Cada pequeña cavidad de aire atrapado sirve como un pequeño aislante, y cuanto más pequeños sean los huecos atrapados en un material, mejor funcionará el aislamiento. En intentos anteriores de fabricar aislamiento con las SFR, las fibras cortas tendían a compactarse densamente, llenando los huecos de aire y creando un producto de densidad mayor a la deseada. Los valores de aislamiento no fueron satisfactorios (en términos de valor R) y la alta densidad habría requerido una masa excesiva de material para recubrir un área determinada. Entonces, por estas razones, las SFR no han podido usarse anteriormente en la producción de aislamiento de celulosa.
Además, la resistencia al fuego se imparte normalmente a las fibras celulósicas en el aislamiento de celulosa mediante el tratamiento de las fibras con un producto retardante del fuego seco. El producto retardante del fuego seco debe adherirse a las fibras mediante el uso de alguna clase de agente, y normalmente se utiliza aceite mineral para este propósito. El aceite mineral hace que el polvo fino del retardante del fuego seco se adhiera a las fibras celulósicas. Pero al intentar utilizar este proceso con las SFR, el área superficial extremadamente alta de las fibras finas presenta un problema. Para recubrir adecuadamente las fibras con aceite mineral y polvo seco retardante del fuego, se requeriría una cantidad excesiva de polvo retardante del fuego. Estos dos componentes agregan costo y masa al producto resultante y la masa agregada pesa las fibras cortas débiles, que aumenta más la densidad y que disminuye su rendimiento como aislante.
Finalmente, hay un problema con las SFR en el producto terminado que cuando los instaladores soplan celulosa en su lugar, las fibras finas y cortas de las SFR se convierten en polvo suspendido en el aire. Debido a que estas fibras son cortas y ligeras, permanecen suspendidas en el aire durante mucho tiempo. Este polvo es irritante para los instaladores y puede irritar sus ojos o sus sistemas respiratorios.
La presente invención supera las deficiencias descritas anteriormente con respecto al uso de las SFR u otras fibras celulósicas residuales como un material aislante al formar lo que se refiere en la presente descripción como superestructuras de componentes tales como piezas celulósicas tales como fibras celulósicas que incluyen las fibras SFR. Las superestructuras se forman como se describe en la presente descripción para crear conglomerados de fibras que se unen juntas de forma fija para formar cuerpos tridimensionales. Los cuerpos tridimensionales pueden tener la forma de tubos, láminas, maraña tejidas, estrellas u otras configuraciones tridimensionales y cualquiera de sus combinaciones. Estas superestructuras contienen huecos y, de esta manera, establecen huecos en el aislamiento a granel que los contiene, lo que resulta en un aislamiento que tiene una densidad más baja que un aislamiento que tiene componentes más empaquetados. Además, las superestructuras de fibra celulósica del presente aislamiento son de suficiente integridad estructural para que cuando se aplica una fuerza al aislamiento, tal como por instalación soplada en el lugar o empaquetada en una bolsa, tal fuerza no colapsa completamente las superestructuras. El resultado es que el aislamiento a lo largo de su uso mantiene una densidad aparente relativamente baja del aislamiento en comparación con la densidad aparente del material asentado y los aumentos de densidad aparente del material empaquetado que ocurren con los materiales aislantes a base de fibra existentes. Además, estas superestructuras formadas reducen los problemas de polvo que enfrentan los instaladores al formar estructuras más grandes y pesadas, que es menos probable que se suspendan en el aire como las fibras cortas individuales.
El uso de las SFR como materia prima húmeda tiene varios beneficios además del ahorro de costos de material. El primero es reducir los requisitos energéticos totales para producir aislamiento de celulosa, porque no se requiere energía eléctrica para la fabricación de pulpa y la separación de las fibras. El segundo beneficio es que las fibras húmedas no requieren la adición de agua de proceso a la instalación de producción. La adición de una solución retardante del fuego a las fibras prehumedecidas es ventajosa porque la humedad que ya está en las fibras ayuda a que el producto retardante del fuego se difunda en las fibras y elimina el uso de agua en exceso para saturar completamente las fibras. Esto es importante porque cualquier instalación que maneja agua de proceso también requiere el gasto de suministro de agua y problemas de manejo con permisos de efluentes de agua. El uso de un material húmedo también reduce sustancialmente el costo de capital de una instalación de producción (y por lo tanto el costo del producto terminado). Con material húmedo, no se requiere equipo para la fabricación de pulpa y la huella del edificio puede ser sustancialmente menor.
Aunque es conveniente el uso de las SFR como materia prima del material aislante de la presente invención, pueden usarse otras materias primas de reciclaje celulósico en lugar de o además de las SFR. Estas otras materias primas incluyen, pero no se limitan a, Contenedor Corrugado Viejo (OCC), Papel Periódico Viejo (ONP), Kraft de Doble Línea (DLK), y varios otros grados de fibra que pueden adquirirse fácilmente en el mercado abierto.
Uno de los desafíos para fabricar aislamiento de celulosa a partir de las SFR es que la longitud de la fibra con las SFR es significativamente más corta que con OCC. Además, las fibras individuales no tienen una resistencia significativa, y esa resistencia es importante en el producto de celulosa terminado para mantener una densidad baja a medida que el producto se asienta con el tiempo. En consecuencia, la formación de las SFR en una superestructura es ventajosa como parte del proceso para producir un aislamiento a base de celulosa con los atributos deseados de resistencia, densidad objetivo y costo asequible. La superestructura es la unión de fibras juntas, que tiene dos beneficios: (1) dar al aislamiento una mayor resistencia de la que tendría cuando las fibras no están unidas juntas de forma tan fija, y (2) crear huecos en el material que resisten la compresión y que disminuye la densidad de los materiales a granel. Estas ventajas permiten que la presente invención logre densidades asentadas más bajas con las SFR que pueden lograrse mediante el uso de métodos de procesamiento convencionales para producir aislamiento de celulosa.
Esta formación de superestructuras de celulosa puede lograrse por múltiples medios. El enlace entre fibras puede lograrse mediante un agente aglutinante separado, o mediante un enlace químico entre fibras, tal como un enlace de hidrógeno entre fibras adyacentes. La formación de superestructuras puede mejorarse mediante el uso de calor, presión, aditivos o una combinación de los tres. En una modalidad de la presente invención, puede ser ventajoso presionar fibras entre rodillos mientras puede agregarse humedad y calor para mejorar la acción de presión. En otra modalidad de la presente invención, puede utilizarse un transportador poroso para recoger las SFR, y puede aplicarse calor para facilitar tanto el secado como la unión de las fibras juntas, lo que puede ocurrir con o sin un agente aglutinante separado. Tanto el calor o la presión, o tanto el calor como la presión, pueden ser ventajosos para unir fibras juntas en las estructuras tridimensionales que son ventajosas como se indicó anteriormente.
Las superestructuras también pueden estar formadas por rodillos que tengan un contorno específico, tal como rodillos con puntos de contacto afilados y luego brechas entre ellos, con el fin de crear una composición texturizada. El beneficio de una composición de superestructura texturizada es que algunas partes del material están densificadas, mientras que otras no, que deja una densidad general deseada y una configuración de superestructura para el procesamiento subsecuente. Como un ejemplo, la composición texturizada puede configurarse como una superestructura con las piezas formadas en conglomerados relativamente pequeños, con un núcleo compactado y luego varias fibras que sobresalen (algo en forma de puercoespín), con el "cuerpo" siendo comprimido y luego fibras que sobresalen en múltiples direcciones. El beneficio de este tipo de configuración de superestructura proporciona una densidad asentada total más baja, debido a que el "cuerpo" mantiene estos pequeños conglomerados juntos, con las "púas" separando efectivamente los conglomerados entre sí.
La superestructura también puede formarse colocando la fibra sobre un transportador poroso y agotando o secando el agua, que permite que las fibras se sequen en una forma enmarañada. La forma enmarañada puede cortarse o reducirse en piezas de menor tamaño después de la formación de la maraña.
Alternativamente, las superestructuras pueden formarse utilizando un agente aglutinante tal como una resina, un agente de apresto, reactivos químicos, o cualquier otro medio de adherir fibras juntas, que pueda unir juntas fibras adyacentes sueltas de una manera fija para formar los cuerpos tridimensionales como se describe en la presente descripción para que no puedan asentarse en un procesamiento o uso posterior. Las superestructuras establecen huecos que se llenan de aire para mejorar las características aislantes del aislamiento.
Con el fin de funcionar de la manera más efectiva, estas superestructuras pueden producirse con una fracción de huecos (dentro de la superestructura) de al menos 30 %. Suficiente de estos conglomerados están contenidos en el aislamiento de manera que el contenido total de huecos del aislamiento sea al menos 30 %. También debe tenerse en cuenta que todos los métodos descritos en este párrafo podrían aplicarse igualmente bien a las SFR o una mezcla de las SFR con otras fibras, tales como fibras de ONP, OCC, DLK u otros grados de material.
Debe entenderse que el proceso de formación de las superestructuras puede resultar en la creación de macroestructuras más grandes que el tamaño previsto de las superestructuras finales. Por ejemplo, la aplicación de un agente aglutinante o adherente puede crear una maraña ancha del producto, que luego puede reducirse de tamaño para formar superestructuras del tamaño, forma y densidades deseados.
El proceso para fabricar el aislamiento a base de celulosa de la presente invención puede lograrse mediante el uso de un sistema que incluye, sin limitación, componentes tales como uno o más dispositivos de deshidratación, uno o más dispositivos de recuperación y retorno de agua, dispositivos blanqueadores y/o colorantes de fibras opcionales, uno o más secadores, colectores de polvo, enfriadores, fibrizadores, colectores de producto y todos los conductos necesarios para transferir material entre los dispositivos del sistema. El sistema puede incorporarse sustancialmente en un proceso convencional de fabricación de pulpa y fibra del tipo que se usa típicamente en la industria de fabricación de papel, por ejemplo, en vez de un complemento completamente distinto o extenso a un proceso convencional. En la presente descripción se describirá un ejemplo de componentes particulares del sistema, varios de los cuales existen en las instalaciones convencionales de procesamiento de pulpa/papel que existen actualmente.
El sistema y método relacionado de la presente invención proporcionan una forma efectiva y rentable de fabricar un producto de aislamiento a base de celulosa viable. El sistema y método pueden incluir el uso de una combinación de materias primas, que incluye las materias primas SFR, ONP y OCC, para garantizar un suministro adecuado y sostenible de materias primas. El sistema y método también pueden incluir la introducción del tratamiento químico antes de una etapa de secado, si la hubiera, en el proceso de fabricación. Esto resulta en una unión o impregnaciones más efectivas del producto retardante del fuego con las fibras aislantes mientras que también reduce la cantidad de tratamiento que se usará para producir un retardo al fuego efectivo.
La presente invención permite la fabricación de materiales retardantes del fuego. La materia prima usada para fabricar el material retardante del fuego puede ser las SFR solas o las SFR en combinación con materiales reciclados, que incluye, sin limitación, OCC, DLK, ONP u otros materiales celulósicos residuales y sus combinaciones. La invención proporciona la combinación de un producto retardante del fuego con la materia prima antes del secado de la combinación. El producto retardante del fuego puede estar en forma líquida cuando se combina con la materia prima. Alternativamente, los productos retardantes del fuego pueden añadirse en forma seca, siempre y cuando el material esté húmedo, los productos químicos pueden penetrar en las fibras por la humedad presente en las fibras. La combinación del producto retardante del fuego y la materia prima puede procesarse adicionalmente para formar una trama, una lámina, una pluralidad de fibras u otra forma adecuada. La combinación de materia prima y retardante del fuego puede procesarse adicionalmente para hacer aislamiento, como se indica, u otros productos finales en donde el retardo al fuego es una característica conveniente. Cuando se utilizan múltiples corrientes de fibra, los materiales retardantes del fuego pueden aplicarse por separado a las corrientes de fibras separadas, para impartir un nivel diferente de retardo al fuego en cada uno de los tipos de fibras. Alternativamente, los productos retardantes del fuego pueden aplicarse a solo una corriente de material, por ejemplo, las SFR húmedas u otras fuentes de fibra seca, y la mezcla de los materiales juntos en un estado húmedo puede proporcionar suficiente transporte para permitir que toda la mezcla sea tratado efectivamente con el retardante del fuego.
Estas y otras ventajas de la presente invención serán reconocidas por los expertos en la técnica a la vista de la siguiente descripción detallada, los dibujos acompañantes y las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una representación simplificada de un sistema de ejemplo que puede usarse para fabricar el aislamiento a base de celulosa de la presente invención.
La Figura 2 es una representación en diagrama de bloques de las etapas principales de un proceso que puede usarse para fabricar el aislamiento de celulosa de la presente invención.
La Figura 3 muestra un ejemplo de un mecanismo que puede usarse para fabricar una maraña texturizada para formar fibras en superestructuras, con un núcleo compactado y luego varias fibras que sobresalen en múltiples direcciones, mediante el uso de rodillos con puntos de presión.
La Figura 4 muestra cómo las fibras que sobresalen de las superestructuras individuales separan las superestructuras adyacentes entre sí.
La Figura 5 muestra cómo la presencia de superestructuras como parte del aislamiento de la presente invención puede hacer que otras fibras individuales cubran las superestructuras, en vez de asentarse en una orientación comprimida. La Figura 6 muestra cómo fibras individuales sin superestructuras presentes pueden asentarse en una configuración empaquetada más densa en un aislamiento del estado de la técnica sin superestructuras.
Descripción detallada de las modalidades preferidas
La Figura 1 ilustra una representación simplificada de los componentes principales de un sistema 10 usado para fabricar un aislamiento a base de celulosa con retardo al fuego de la presente invención, cuyo aislamiento se representa en la Figura 5. El aislamiento de la presente invención incluye construcciones de superestructura de materias primas usadas para fabricarlo, superestructuras que mejoran las características del hueco y, por lo tanto, mejoran las características de rendimiento térmico del aislamiento. El aislamiento puede instalarse en su lugar, tal como, mediante soplado o rociado en su lugar, mientras se mantiene la integridad de las superestructuras y, de esta manera, se mantiene la integridad del hueco del aislamiento después de la instalación. Las etapas principales de un proceso para fabricar un aislamiento a base de celulosa de la presente invención se representan en la Figura 2.
El sistema 10 puede configurarse como se muestra en la Figura 1 e incluir un contenedor fuente de materia prima 12, una fuente de tratamiento químico 14, que puede ser un tanque de almacenamiento o cualquier otra fuente de aditivo, un tanque de mezcla 16, una unidad de deshidratación 18, una unidad de secado 22, una unidad de formación de superestructura 24, una unidad de fibrización 26, una unidad de clasificación 28, y una unidad de recogida 30. El contenedor fuente de materia prima 12, se rellena con material de materia prima limpio, tal como uno o más de los materiales reciclados a base de celulosa descritos en la presente descripción. La materia prima puede moverse manual o automáticamente a una unidad de deshidratación 18 y luego al tanque de mezcla 16. Debe entenderse que la unidad de deshidratación 18, puede estar ubicada antes o después del tanque de mezcla 16 donde pueden añadirse los productos retardantes de fuego y otros aditivos. Debe entenderse que el tanque de mezcla 16, es una representación de una estructura dentro de la cual pueden combinarse la materia prima y cualquier aditivo químico de interés. Además, el tanque de mezcla 16 representa uno o más de tales tanques dentro de los cuales se combinan la materia prima y los aditivos. Puede aplicarse calor en el tanque de mezcla para mejorar la absorción del retardante del fuego en las fibras.
La materia prima usada para formar el aislamiento a base de celulosa de la presente invención es una pluralidad de piezas que incluyen fibras, pero sin limitarse a ellas, las SFR u otras fibras celulósicas residuales. Estos materiales pueden procesarse solos o pueden intercalarse con otros materiales, tales como otros materiales celulósicos reciclables que incluyen, pero no se limitan a, OCC y ONP, y se añaden al tanque de mezcla 16 que contiene los aditivos deseados, que pueden incluir agua como se indica.
La fuente de tratamiento químico 14 incluye un líquido o una suspensión de material de tratamiento, que puede ser una combinación de agua de producto retardante del fuego y cualquier otro aditivo que pueda ser de interés. El material retardante del fuego puede estar en forma líquida en vez de en forma de polvo antes de su suministro al tanque de mezcla 16, pero debe entenderse que también puede ser posible agregar retardantes del fuego secos directamente en el tanque de mezcla 16, donde pueden disolverse por la humedad presente en el tanque de mezcla 16, de esta manera se retira la necesidad de un tanque fuente 14 que incluya aditivos en forma líquida. El retardante del fuego puede ser un borato (tal como ácido bórico, bórax u otros boratos), una combinación de boratos, sulfato de magnesio, o una combinación de uno o más boratos y sulfato de magnesio. El uso de sulfato de magnesio reduce el costo total del aislamiento. Mientras que los usos anteriores de sulfato de magnesio y/o boratos como aditivo retardante del fuego se han limitado a la aplicación de tales aditivos en forma de polvo, la presente invención en un proceso líquido, tal como mediante la adición de esa combinación al tanque de mezcla 16 ya sea en forma líquida o en forma de polvo, para la interacción con fibras húmedas mejora la adhesión de esa combinación de retardante del fuego, en comparación con una mezcla en seco de la combinación y las fibras. Debe entenderse que pueden emplearse otros productos retardantes del fuego adecuados. Un aspecto de la invención es que el producto retardante del fuego se combina con la materia prima en presencia de niveles de humedad superiores al 20 % para proporcionar una penetración efectiva del retardante del fuego en la estructura de la fibra del componente de la materia prima desde el contenedor fuente de materia prima 12.
Otro aditivo de la fuente de tratamiento químico que puede ser de interés y se usa en el proceso de tratamiento de la materia prima es un aditivo químico, biológico u otro para eliminar o reducir uno o más componentes de la materia prima que puede resultar en un producto con características indeseables. Por ejemplo, una materia prima celulósica que es un material reciclado puede incluir uno o más agentes de unión que comprenden polisacáridos, almidones y similares que, si se llevan al producto final, pueden facilitar el crecimiento de moho. Un aditivo tal como una enzima u otro componente para descomponer tales componentes indeseables, y/o hacerlos suficientemente fluidizados para que puedan eliminarse de la materia prima tratada, puede añadirse al tanque de mezcla 16 como un aspecto de la presente invención.
Otro aditivo de la fuente de tratamiento químico que puede ser de interés y se usa en el proceso de tratamiento de la materia prima es un adhesivo, resina o un aditivo químico, biológico u otro diseñado para mejorar la unión entre fibras, que puede ayudar subsecuentemente a formar o resistir superestructuras que pueden formarse durante las siguientes etapas de procesamiento. Estos aditivos o tratamientos también pueden añadirse aguas abajo del tanque de mezcla, por ejemplo, mediante pulverización sobre el material durante o después del proceso de secado.
La unidad de formación de superestructuras 24, puede colocarse después del secador con el fin de promover la formación de superestructuras. Estas superestructuras pueden formarse mediante cualquiera de los métodos descritos anteriormente, mediante cualquier medio para juntar fibras y luego promover la aglomeración de fibras juntas en superestructuras que incluyen fibras que están adheridas de manera permanente entre sí. Esto puede ocurrir en combinación con calor, presión, o la adición de agentes aglutinantes. También debe tenerse en cuenta que la formación de estos enlaces entre fibras también puede efectuarse dentro del tanque de mezcla o en la etapa de secado, de manera que puede no se requiera un sistema de formación de superestructura separado.
La unidad de fibrización 26 puede utilizarse para crear una estructura de fibra más fina. Si se han formado superestructuras que son más grandes de lo conveniente en el producto terminado, el fibrizador puede ser efectivo para limitar el tamaño de tales superestructuras. Además, si las partículas grandes han pasado por las etapas anteriores del proceso, como piezas más grandes de papel reciclado, el fibrizador también puede reducir el tamaño de esos materiales, lo que puede mejorar la densidad del proceso terminado.
También debe entenderse que la formación de superestructuras también puede lograrse después de la etapa de fibrización, y no antes, si eso proporciona la combinación óptima de geometría de fibra y superestructura que se desea para una aplicación particular. También debe entenderse que puede añadirse un aditivo para promover la unión de fibras en superestructuras aguas arriba o aguas abajo del fibrizador. Finalmente, debe entenderse que una porción de cualquier corriente de materia prima puede pasar a través de una parte de las etapas antes mencionados, mientras que otra porción de la corriente de materia prima puede pasar por alto ciertas secciones, siendo el aspecto crítico de esta descripción que al menos 5 % de los materiales se forman en superestructuras como se describió anteriormente.
Con referencia a la Figura 2, las etapas principales usadas en el proceso para fabricar el aislamiento de la presente invención son las siguientes. El proceso se resume en las siguientes etapas principales que pueden usarse para producir el aislamiento de la presente invención: (a) obtener y proporcionar las materias primas SFR, solas o en combinación con otros materiales celulósicos, (b) limpiar las materias primas SFR (y cualquier materia prima adicional), (c) deshidratar las materias primas tratadas, (d) tratar los materiales limpios con productos aditivos retardantes del fuego y/u otros aditivos, (e) secar los materiales resultantes, (f) crear enlaces entre fibras de las materias primas para formar una pluralidad de superestructuras, (g) fibrizar los materiales secos que incluyen las superestructuras en ellos, (h) clasificar los materiales fibrados y (i) recoger y embolsar el producto terminado. Debe entenderse que algunas de las etapas pueden ajustarse o usarse en un orden diferente. Además, la etapa de limpieza, por ejemplo, no es necesaria con el fin de lograr la formación de las superestructuras. Además, las etapas de procesamiento adicionales, tales como esponjar el material antes del secado, pueden ser ventajosas si promueven la efectividad de las subsecuentes etapas de procesamiento.
Las materias primas SFR pueden obtenerse de las operaciones de fabricación de pulpa en un estado acuoso y luego pueden deshidratarse para llevar el contenido de humedad del material a aproximadamente 25 % a 75 %.
Las SFR y otras materias primas pueden tratarse con un material retardante del fuego en el tanque de mezcla 16, tal como, mediante la utilización de una solución acuosa que contiene una mezcla de productos químicos del tipo descrito en la presente descripción a una temperatura elevada durante un tiempo de permanencia establecido, para permitir que los productos retardantes del fuego saturen las materias primas. La humedad de las SFR también puede ser suficiente en esta etapa para permitir que se agreguen productos químicos secos al tanque de mezcla, siempre y cuando haya suficiente humedad presente para disolver una porción sustancial de los productos químicos añadidos al tanque de mezcla, de manera que una porción sustancial de los productos químicos se infunden en la estructura de la fibra de la celulosa. Este tratamiento puede tener lugar junto con otras materias primas como se indica, las SFR puede tratarse por separado de las otras materias primas, o solo una de las corrientes de materia prima puede tratarse con un retardante del fuego.
Los materiales SFR y otras materias primas mezclados, si los hay, pueden deshidratarse en la unidad de deshidratación 18 mediante el uso de cualquier medio de tecnología conocido por los expertos en la técnica, tal como una prensa o un tamiz para separar las fibras del agua. Las soluciones acuosas que se eliminan de los materiales durante la etapa de deshidratación pueden reintroducirse en un lote subsecuente de producto o reintroducirse en la etapa de tratamiento acuoso en un proceso continuo. Este reuso de fluidos es útil para hacer que el proceso global sea económico, ya que los productos retardantes del fuego son mucho más caros que los materiales de fibra celulósica y de cualquier otra manera harían que el proceso no fuera económico.
Los materiales tratados y deshidratados pueden esponjarse en la unidad de esponjado 20 antes de ser transferidos a la unidad de secado 22, o alternativamente, puede utilizarse un secador rotatorio o de lecho fluidizado como unidad de secado 22 que puede ser capaz de esponjar el material mientras se seca, de esta manera se evita la necesidad de una forma separada de la unidad de esponjado 20.
La unidad de secado 22 puede utilizarse para expulsar la humedad restante de las materias primas tratadas. Por ejemplo, puede utilizarse un secador rotatorio, un secador de esponjado, secado al aire o cualquier otro proceso de secado convencional para separar la mayor parte de la humedad restante en las fibras de la materia prima tratada.
Durante el secado en la unidad de secado 22 o en combinación con la unidad de formación de superestructura 24, los materiales tratados pueden formarse en una estructura tridimensional mediante varias técnicas. Los materiales pueden secarse en un transportador para formar una maraña seca. Los materiales pueden formarse mediante rodillos para formar láminas o tubos similares al papel. Los rodillos pueden estar texturizados para proporcionar cualidades específicas de las láminas similares al papel, por ejemplo por el control de la relación de fibras densificadas a no densificadas. Un ejemplo de tal configuración de rodillos como un elemento de la unidad de formación de superestructura 24 se muestra en la Figura 3, en la que las líneas de contacto 42 de los rodillos 40 pellizcan porciones de grupos de fibras juntas 44 mientras permiten que otras permanezcan espaciadas entre sí y se sequen o se dimensionen para que sigan teniendo una configuración de superestructura fija.
Alternativamente, durante o después del secado, pueden añadirse otros materiales a las fibras tratadas en la unidad de formación de superestructura 24, que puede ser simplemente un contenedor, para promover el enlace entre las fibras. Puede usarse un aditivo de apresto, tal como un adhesivo, como agente aglutinante para unir fibras juntas en la superestructura tridimensional. De manera similar, puede aplicarse un aerosol de polímero para formar enlaces entre fibras, lo que resulta en una fuerte matriz tridimensional de fibras que establece las superestructuras de forma aleatoria u organizada configuradas para establecer una separación fija entre las fibras de tales conglomerados y, de esta manera, establecer huecos en el aislamiento. Finalmente, la nanocelulosa puede usarse para unir fibras juntas más grandes debido a su amplia disponibilidad de sitios y área superficial para los enlaces de hidrógeno.
Después del secado y la formación de la superestructura, los materiales tratados pueden fibrizarse en la unidad de fibrización 26, para separar fibras individuales así como también para separar conglomerados de superestructuras de combinaciones de fibras. Esto puede lograrse mediante la utilización de un fibrizador rotatorio o un refinador de disco con brechas de placa de varias distancias que se ajustan para optimizar el rendimiento del aislamiento de celulosa terminado.
Después de la fibrización, los materiales pueden clasificarse mediante el uso del clasificador de fibras 28, que puede ser un sistema de cribado o un sistema de aire o una combinación de un sistema de cribado y de aire. El propósito de tal clasificación es separar los materiales de alta densidad, tales como las fibras individuales empaquetadas relativamente juntas, de los materiales de menor densidad, tales como los conglomerados de superestructuras de grupos de fibras, para controlar y hacer seleccionables en base a combinaciones de tales grupos de densidad altos y bajos, la densidad aparente total resultante del producto de aislamiento que se instala en su lugar, por ejemplo, mediante soplado en su lugar. El uso de un clasificador permite que el producto terminado cumpla con los requisitos de aislamiento deseados, incluso cuando se utiliza una materia prima de fibra corta, tal como las SFR, así como también otras materias primas que pueden usarse, ya sea solas o en combinación con las SFR. Debe entenderse que el uso de un clasificador puede resultar ventajoso en algunos casos, pero puede que no sea requerido para determinadas aplicaciones.
La Figura 4 muestra una representación simplificada de las formas de superestructuras formadas 50, cuando se apilan juntas, producen bolsas o huecos 52 que permanecen fijos en su lugar después de la recogida y después de que se haya instalado el aislamiento formado con ellas. En la Figura 4, cada uno de los conglomerados de fibras representa una superestructura, con fibras de un conglomerado particular que se unen juntas de manera permanente para formar la superestructura que se muestra.
La Figura 5 muestra una representación simplificada de cómo la presencia de superestructuras puede reducir la densidad de un material mezclado que contiene superestructuras y fibras individuales. En esta ilustración, todas las superestructuras se muestran como conglomerado de líneas rectas gruesas que se cruzan y las fibras individuales se muestran como líneas continuas curvas más claras. (Debe entenderse que esto es con propósitos ilustrativos y que todas las fibras pueden tener secciones rectas o curvas). La presencia de las superestructuras tiene dos efectos: primero, las superestructuras tienden a caer encima de otras reduciendo la densidad del material a granel resultante; y en segundo lugar, las fibras individuales tienden a cubrir superestructuras. Esto permite que la fracción de huecos del aislamiento de la presente invención sea al menos 30 %, que contribuye a que las superestructuras con huecos a la matriz general y que ayuda a separar otras fibras individuales que pueden no estar fijadas de manera permanente a ninguna superestructura.
La Figura 6 muestra el problema de la alta densidad con fibras cortas mediante el uso de métodos de producción de aislamiento convencionales en un aislamiento del estado de la técnica que no tiene superestructuras para mantener huecos fijos. Las fibras finas tienden a alinearse y apilarse con mayor densidad que cuando existen superestructuras para separar las fibras.
Los materiales que pueden purgarse de la corriente del producto terminado durante la clasificación pueden retroalimentarse al proceso en las etapas aguas arriba. Por ejemplo, la celulosa que era demasiado densa para el producto terminado puede reintroducirse antes de la etapa de matizado y puede usarse cuando se matiza con otras fibras en un segundo ciclo. Este reuso de materiales después de la clasificación es doblemente importante en primer lugar para permitir que las SFR puedan usarse como materia prima y en segundo lugar para permitir que los costosos retardantes del fuego se recuperen en el proceso.
A continuación, el producto resultante puede empaquetarse para su distribución mediante el uso de la unidad de recogida 30.
Además, puede ser ventajoso combinar las enseñanzas de esta descripción con las enseñanzas de la concesión de patente anterior US 8043384, que enseña cómo utilizar una variedad de materias primas para la fabricación de aislamiento de celulosa. En ese proceso, puede utilizarse una materia prima que incorpore un agente de unión, que puede estar presente en el cartón corrugado viejo.
Al aplicar la información de esta descripción, los materiales SFR pueden mezclarse ventajosamente con OCC, DLK, ONP, fluidos y/o materiales de fibra recuperados de otras etapas del proceso u otros materiales en varias etapas del proceso, que pueden incluir:
a) Mezclar los materiales SFR con otros materiales antes del tratamiento con una mezcla retardante del fuego (por ejemplo, entre las etapas anteriores {a} y {b})
b) Mezclar los materiales SFR con otros materiales después de la limpieza (entre las etapas anteriores {b} y {c}) c) Mezclar los materiales SFR con otros materiales después de los tratamientos (entre las etapas anteriores {c} y {d}). En este caso, los materiales SFR pueden tratarse durante un período de tiempo diferente o bajo condiciones diferentes que los otros materiales y pueden tener un contenido mayor o menor de materiales retardantes del fuego que los otros materiales.
d) Mezclar los materiales SFR con otros materiales después de cualquier otra etapa subsecuente de procesamiento, siempre y cuando a última instancia se proporcione una mezcla de materiales en una operación de envasado que incluya los materiales SFR y otros materiales.
e) Mezclar los materiales SFR que pueden estar húmedos con otros materiales que pueden estar secos, o viceversa, con el fin de permitir que el secador de los dos materiales absorba la humedad del material más húmedo, o para suprimir el polvo que pueda producir el material secador.
Por último, puede ser ventajoso seguir un proceso alternativo para la producción de estos materiales que implique mezclar los productos químicos que proporcionan retardo al fuego en las SFR, mientras las SFR y/u otros materias primas son semisecos, en vez de mezclarlos con la suspensión de pulpa (que es casi toda agua). En ese caso, pueden utilizarse medios alternativos de mezcla, tal como un mezclador de cinta.
La presente invención de un método de acuerdo con la reivindicación 5 para proporcionar un aislamiento de celulosa resistente al fuego mejorado que tiene una pluralidad de superestructuras del mismo que pueden soplarse en su lugar como se ha descrito con respecto a componentes específicos y etapas del método.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Un aislamiento a base de celulosa configurado para soplarlo en su lugar, que comprende una pluralidad de fibras celulósicas tratadas con un material retardante del fuego, en donde al menos una porción de la pluralidad de fibras celulósicas son fibras residuales de fibra corta (SFR) y/u otras fibras residuales, en donde las fibras SFR son un subproducto de la producción de papel, al menos una porción de la pluralidad de fibras celulósicas se unen juntas para formar superestructuras, en donde las superestructuras se forman para crear conglomerados de fibras celulósicas que se unen juntas de forma fija para formar cuerpos tridimensionales, en donde las superestructuras y los conglomerados de las superestructuras establecen huecos en el aislamiento que resisten la compresión y disminuyen la densidad del aislamiento de celulosa a granel y permanecen en su lugar después de que el aislamiento se ha soplado en su lugar.
  2. 2. El aislamiento de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el aislamiento tiene una fracción de huecos de al menos 30 %.
  3. 3. El aislamiento de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las fibras celulósicas se obtienen a partir de fibras residuales de fibras que son subproductos de otras fuentes que la producción de papel.
  4. 4. El aislamiento de la reivindicación 1, en donde el material retardante del fuego es un borato, sulfato de magnesio o una combinación de los dos.
  5. 5. Un método para fabricar aislamiento resistente al fuego configurado para soplarlo en su lugar, el aislamiento está formado por una pluralidad de fibras celulósicas, en donde al menos una porción de la pluralidad de fibras celulósicas son fibras residuales de fibra corta (SFR) y/u otras fibras residuales, en donde las fibras SFR son un subproducto de la producción de papel, el método comprende las etapas de:
    limpiar la pluralidad de fibras celulósicas;
    deshidratar parcialmente la pluralidad de fibras celulósicas tratadas;
    tratar la pluralidad de fibras celulósicas limpias con un material retardante del fuego; y
    secar la pluralidad de fibras celulósicas tratadas;
    en donde el método comprende además la etapa de formar una pluralidad de superestructuras de al menos una porción de la pluralidad de fibras celulósicas tratadas, en donde al menos una porción de la pluralidad de fibras celulósicas se unen juntas para formar superestructuras, en donde las superestructuras se forman para crear conglomerados de fibras celulósicas que se unen juntas de forma fija para formar cuerpos tridimensionales, en donde las superestructuras y los conglomerados de las superestructuras establecen huecos en el aislamiento que resisten la compresión y disminuyen la densidad del aislamiento de celulosa a granel y permanecen en su lugar después de que el aislamiento se ha soplado en su lugar.
  6. 6. El método de la reivindicación 5, en donde SFR se combina con fibras celulósicas recicladas.
  7. 7. El método de acuerdo con la reivindicación 5, en donde el material retardante del fuego incluye uno o más compuestos a base de borato, sulfato de magnesio o una combinación de estos materiales.
  8. 8. El método de acuerdo con la reivindicación 5, en donde el material retardante del fuego y las fibras celulósicas se combinan juntos en un proceso donde las fibras celulósicas tienen un contenido de humedad entre 20-99 %.
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