ES2953934T3

ES2953934T3 - Procedimiento para la producción de materiales termoplásticos a base de plumas

Info

Publication number: ES2953934T3
Application number: ES19383161T
Authority: ES
Inventors: Perez Sara Montes; Askargorta Ibon Aranberri; Ramos Virginia Muñoz; Carsten Niermann; Carmen Michels; Julia Nordlander; Karin Johnson
Original assignee: Fundacion Cidetec
Current assignee: Fundacion Cidetec
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2023-11-17
Anticipated expiration: 2039-12-20
Also published as: EP3838535B1; EP3838535A1; WO2021123194A1; EP3838535C0; HRP20230982T1

Abstract

La presente invención proporciona un proceso para la producción de un material termoplástico a base de plumas que comprende los siguientes pasos en el orden especificado (a) someter las plumas a una explosión de vapor, (b) secar las plumas explotadas resultantes de los pasos (a), (c) fragmentar las plumas secas resultantes del paso (b), y (d) incorporar por extrusión los fragmentos de plumas resultantes del paso (c) en una matriz termoplástica. La invención también proporciona un material termoplástico extruido a base de plumas que se puede obtener mediante el proceso de la invención, y un artículo que comprende dicho material termoplástico extruido a base de plumas. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para la producción de materiales termoplásticos a base de plumas

El proyecto que da lugar a esta solicitud ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizon2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención N.° 723268.

Campo de la técnica

La presente invención pertenece al campo de la fabricación de materiales termoplásticos. En particular, la invención se refiere a un procedimiento para la preparación de un material termoplástico que comprende una matriz termoplástica reforzada con plumas procesadas.

Estado de la técnica

Actualmente existe un creciente interés en la investigación y desarrollo de nuevos materiales obtenidos a partir de recursos naturales como nuevas alternativas para disminuir o incluso reemplazar los plásticos derivados del petróleo. En este sentido, los biopolímeros de fuentes agrícolas o de la corriente de desechos agrícolas y ganaderos se consideran una alternativa viable a las materias primas a base de petróleo si es posible procesarlos a través de métodos de conversión adecuados.

Es sabido que la industria avícola genera una enorme cantidad de residuos cada año y, en la actualidad, la mayoría de las plumas de las aves de corral se desechan en vertederos o se incineran, y una pequeña parte se convierte en alimento para animales de bajo valor nutricional. Las soluciones actuales no explotan todo el potencial que representa este material proteico y, lo que es más importante, la gestión de las preocupaciones ambientales y de salud a medida que aumentan los desechos en general.

La queratina de las plumas es un recurso natural que está siendo ampliamente estudiado en la actualidad. Como un ejemplo ilustrativo, las plumas de pollo, que están compuestas en un 90 % por queratina, son abundantes, baratas, biodegradables y tienen baja densidad. Debido a estas propiedades únicas, las fibras de plumas de pollo se han estudiado como refuerzo o relleno de plásticos.

En este sentido, el estado de la técnica ya ha descrito procedimientos para la preparación de estos materiales plásticos a base de plumas. Por ejemplo, se ha descrito que una combinación de tratamientos mecánicos y químicos, tales como hidrólisis alcalina, permite la incorporación de plumas en matrices poliméricas mediante mezcla discontinua. Desafortunadamente, este método no permite obtener materiales a base de plumas mediante un procedimiento continuo escalable, tal como extrusión.

Por lo tanto, las estrategias actuales para la valorización de las plumas usando el procedimiento de extrusión incluyen: i) la ruptura de los enlaces disulfuro por medios químicos y/o la adición de plastificantes hidrófilos o ii) el tratamiento mecánico de las plumas para romper la estructura cuaternaria de la queratina seguido de una etapa de premezcla con otros aditivos o incluso polímeros. Esta segunda estrategia también podría implicar una etapa previa de separación de las partes de las plumas (quillas y barbas).

La primera estrategia da como resultado una matriz queratinosa y, por tanto, un material con malas propiedades mecánicas, difícil de procesar adicionalmente y con aplicaciones limitadas. El segundo conduce a la conversión de plumas en materiales fibrosos muy ligeros. La ligereza y esponjosidad de las plumas dificultan mucho su suministro durante el procedimiento de extrusión, lo que a menudo conduce a la inadecuada incorporación discontinua de las plumas en la extrusora y, por lo tanto, a la composición no homogénea del compuesto resultante o incluso a la obstrucción total de la extrusora. En ambos casos, se requieren varias etapas previas de mezcla de plumas con otros aditivos o polímeros antes de la extrusión. Estas etapas hacen que el procedimiento sea menos escalable.

Adicionalmente, estas estrategias son caras y el uso de compuestos químicos las hace menos sostenibles desde el punto de vista ambiental. Los métodos que describen las etapas b) a d) de la reivindicación 1 de esta patente pero que no describen la etapa a) se conocen a partir de los documentos WO 2017/221015 A1, EP 3385055 A1 y E^p0 914381 A1. Además, un método tal se describe en el artículo "Fully Biodegradable Biocomposites with High Chicken Feather Content" que se publicó en el Volumen 9, N.° 11 de "Polymers". La Publicación WEI ZHAO ET AL: "Sustainable and practical utilization of feather keratin by an innovative physicochemical pretreatment: high density steam flashexplosion", GREEN CHEMISTRY, vol. 14, n.° 12, ISSN: 1463-9262 describe un método de explosión de vapor para permitir la extracción de queratina o para producir alimentos para animales. Este documento es evidencia de que las propiedades de las plumas cambian cuando se someten a una explosión de vapor.

Por tanto, sigue existiendo la necesidad de proporcionar un procedimiento para preparar materiales termoplásticos a base de plumas por extrusión que supere los problemas informados en la técnica anterior.

Resumen de la invención

Los presentes inventores han desarrollado un procedimiento eficiente, sencillo y respetuoso con el medio ambiente para la producción de materiales termoplásticos reforzados con plumas procesadas. Sorprendentemente, los inventores han descubierto que cuando las plumas enteras se someten a una combinación particular de etapas incluyendo explosión de vapor, secado y fragmentación, el producto de pluma procesada resultante presentaba una consistencia y densidad que lo hacían muy adecuado para ser extruido con una matriz termoplástica.

Esto era altamente inesperado en vista de la técnica anterior.

Por un lado, se estableció como regla general que el uso de plastificantes o disolventes, entre otros, era esencial para extrudir eficientemente plumas con matrices termoplásticas.

Desafortunadamente, en este caso la pluma no actúa como relleno sino como la matriz y, por tanto, el material obtenido es una matriz queratínica con malas propiedades mecánicas y aplicaciones limitadas. Además, esta estrategia necesita la utilización de compuestos químicos.

Por otro lado, algunos de los procedimientos conocidos de la técnica anterior también requieren la separación y la clasificación de las diferentes partes de las plumas previas a una etapa de premezcla antes del procedimiento de extrusión, que los hacen no aptos para aplicaciones industriales.

Por tanto, el procedimiento proporcionado por la invención permite obtener materiales termoplásticos reforzados con plumas de forma respetuosa con el medio ambiente (evitando el uso de reactivos contaminantes), de manera sencilla (reduciendo el número de etapas) y rentable.

Por lo tanto, en un primer aspecto, la invención proporciona un procedimiento para la producción de un material termoplástico a base de plumas que comprende las siguientes etapas en el orden especificado: (a) someter plumas a una explosión de vapor, (b) secar las plumas explotadas resultantes de la etapa (a), (c) fragmentar las plumas secas resultantes de la etapa (b) y (d) incorporar por extrusión los fragmentos de plumas resultantes de la etapa (c) en una matriz termoplástica. La particular combinación de etapas del procedimiento de la invención permite la generación de materiales con altas cargas de plumas. En particular, los materiales a base de plumas de la invención contienen fragmentos de plumas fibrosas muy pequeñas con una densidad aparente más alta en comparación con las plumas no tratadas o molidas, proporcionadas por la combinación de explosión de vapor, secado y fragmentación, que se distribuyen homogéneamente en el polímero termoplástico, proporcionadas por la etapa de extrusión.

Además de dicha distribución homogénea, el material termoplástico extrudido reforzado con fibras de plumas resultante del procedimiento de la invención también se caracteriza por la posibilidad de añadir altas cargas de fibras de plumas, representando hasta el 50 % del peso seco del material final. Los procedimientos descritos en el estado de la técnica solo son capaces de alcanzar cargas tan altas de plumas cuando se incorporan al polímero por medios distintos a la extrusión, tales como mezcla discontinua, que no es un procedimiento escalable para compuestos termoplásticos.

Por lo tanto, en un segundo aspecto, la invención proporciona un material termoplástico extruido a base de plumas obtenible mediante el procedimiento definido en el primer aspecto.

En un tercer aspecto, la invención proporciona un artículo que comprende un material termoplástico extruido a base de plumas como se define en el segundo aspecto.

Descripción detallada de la invención

Todos los términos como se usan en el presente documento en esta solicitud, a menos que se indique de otro modo, se entenderán en su significado habitual, como se conoce en la técnica. A continuación se exponen otras definiciones más específicas de determinados términos utilizados en la presente solicitud, que pretenden aplicarse de manera uniforme en toda la memoria descriptiva y en las reivindicaciones, a menos que se proporcione expresamente de otro modo una definición más amplia.

Como se usa en el presente documento, los artículos indefinidos "un", "uno" y "una" son sinónimos de "al menos un", "al menos uno", "al menos una", "uno o más" o "una o más". A menos que se indique otra cosa, los artículos definidos usados en el presente documento, tales como "el" o "la" incluyen también el plural del nombre.

Para los fines de la invención, cualquier intervalo proporcionado incluye los extremos tanto inferior como superior del intervalo. Los intervalos proporcionados, tales como las temperaturas, los tiempos y similares, deben considerarse aproximados, a menos que se indique específicamente.

La invención proporciona en un primer aspecto un procedimiento para la producción de un material termoplástico a base de plumas que comprende las etapas de (a) someter plumas a una explosión de vapor, (b) secar las plumas explotadas resultantes de la etapa (a), (c) fragmentar las plumas explotadas resultantes de la etapa (b) y (d) incorporar por extrusión los fragmentos de plumas resultantes de la etapa (c) en una matriz termoplástica.

Como se usa en el presente documento, el término "pluma" se refiere a un apéndice tegumentario de una especie aviar. Como se usa en el presente documento, el término "especie aviar" incluye, pero no se limita a, pollo, pavo, paloma, paloma blanca, pato, ganso, faisán, ave acuática, emú, gallina de Guinea, avestruz y codorniz. Preferentemente, las plumas usadas en la presente invención son de aves de corral (es decir, pollo o pavo). El término "pluma" pretende abarcar las plumas primarias, plumas secundarias, plumas de la cola, plumas de contorno, plumas de plumón, filoplumas, plumas semipenacho y plumas cerdas. Una pluma de ave típica tiene un eje central o raquis al que se unen dos paletas a cada lado. Las paletas están formadas por púas, bárbulas (es decir, extensiones de las púas) y barbicelas (es decir, ganchos que se entrelazan para mantener juntas 18 las bárbulas). El procedimiento de la presente invención puede realizarse con plumas enteras pero también con cualquier parte de las plumas. Por otra parte, el procedimiento de la invención puede realizarse con mezclas de plumas de diferentes especies de aves. En una realización particular del primer aspecto de la invención, opcionalmente en combinación con cualquiera de las realizaciones proporcionadas a continuación, las plumas son de pollo, pavo, paloma, paloma blanca, pato, ganso, faisán, ave acuática, emú, gallina de Guinea, avestruz, codorniz y mezclas de los mismos. En otra realización particular, las plumas son plumas enteras. En otra realización particular, las plumas son plumas enteras de pollo.

La matriz termoplástica comprende uno o más polímeros termoplásticos. El experto en la materia puede preparar de forma rutinaria una matriz termoplástica que comprende dos o más polímeros termoplásticos, tal como por mera mezcla.

La expresión "polímero termoplástico" se refiere a un polímero que se vuelve flexible o moldeable por encima de cierta temperatura y vuelve a un estado sólido al enfriarse. La lista ilustrativa, pero no limitante, de polímeros termoplásticos que pueden usarse en el procedimiento de la invención incluye haluros de polivinilo, poliacetal, poliacrílicos, polialquilenos, polialquenilenos, polialquinilenos, ácidos poliámicos, poliamidas, poliaminas, polianhídridos, poliarilenalquilenos, poliarilenos, poliazometinas, polibencimidazoles, polibenzotiazoles, polibencilos, policarbodiimidas, policarbonatos, policarbonos, policarboranos, policarbosilanos, policianuratos, polidienos, poliésterpoliuretanos, poliésteres, polieteretercetonas, poliéter-poliuretanos, poliéteres, polihidrazidas, poliimidazoles, poliimidas, policetonas, poliolefinas, polioxialquilenos, polioxifenilenos, polifenilos, polifosfacenos, polipirronas, poliquinolinas, poliquinoxalinas, polisilanos, polisilazanos, polisiloxanos, polisilsesquioxanos, polisulfuros, polisulfonamidas, polisulfonas, politiazoles, politiometilenos, politiofenilenos, poliureas, poliuretanos, polivinil acetales, polivinil butirales, polivinil formales, alcanoatos de polivinilo, polímeros de vinilo, polímeros naturales y mezclas de los mismos. El experto en la materia, haciendo uso de sus conocimientos generales, puede identificar fácilmente los polímeros que son termoplásticos y, por lo tanto, que pueden usarse como matriz termoplástica.

En la presente invención, "explosión de vapor" se refiere a un procedimiento donde se inyecta vapor presurizado a alta temperatura en un reactor lleno de plumas para posteriormente reducir la presión de manera abrupta provocando de esta manera que las plumas sufran una descompresión explosiva donde se rompe su estructura.

La expresión "fragmentación de las plumas secas" se refiere a la fragmentación de las plumas en pequeñas partículas (los denominados "fragmentos de plumas"). La fragmentación puede realizarse mediante cualquier técnica convencional tales como trituración, molienda, aplastamiento, corte, picado o triturado. Independientemente de la técnica seleccionada para realizar la fragmentación, los fragmentos resultantes pueden tener muchas formas, por ejemplo, pueden tener un aspecto fibroso o esférico. Como se usa en el presente documento, el término "tamaño" se refiere a una dimensión física característica. Por ejemplo, en el caso de un fragmento de pluma que sea sustancialmente fibroso, el tamaño corresponde a la longitud del fragmento fibroso. Por otro lado, en el caso de un fragmento de pluma que sea sustancialmente esférico, el tamaño de fragmento corresponde al diámetro del fragmento. Al referirse a un conjunto de fragmentos siendo de un tamaño particular, se contempla que el conjunto pueda tener una distribución de tamaños en torno al tamaño especificado. Por lo tanto, como se usa en el presente documento, un tamaño de un conjunto de fragmentos puede referirse a un modo de distribución de tamaños, tal como un tamaño máximo de la distribución de tamaños. Además, cuando no es perfectamente esférico, el diámetro es el diámetro equivalente del cuerpo esférico incluido el objeto. Este diámetro se conoce generalmente como el "diámetro hidrodinámico", cuyas mediciones pueden realizarse usando un Wyatt Mobius acoplado con un sistema de presurización de celdas Atlas o Malvern. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM) o de microscopía óptica también brindan información sobre los diámetros. Por lo tanto, en una realización, el tamaño de los fragmentos se determina mediante microscopía óptica o microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM). En una realización más particular, el tamaño de los fragmentos se determina mediante microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM).

"Extrusión" se refiere al procedimiento mediante el cual la matriz termoplástica y los fragmentos de plumas se mezclan, se calientan, se funden, se comprimen y se bombean a través de una matriz moldeada para formar una corriente continua de producto con la forma de sección transversal deseada. Con la extrusión se logra la distribución homogénea de los fragmentos de plumas en la matriz termoplástica. La extrusión se realiza en una extrusora y el experto sólo tiene que seguir las instrucciones del fabricante para realizar adecuadamente la extrusión. El ajuste de cualquiera de los parámetros solicitados por la extrusora forma parte del ejercicio rutinario del experto en la materia, haciendo uso de sus conocimientos generales y de las instrucciones del fabricante. También es bien conocido en la técnica que, entre otros tipos, las extrusoras de doble husillo se utilizan para la preparación de compuestos termoplásticos. En otra realización particular, opcionalmente, junto con cualquiera de las realizaciones proporcionadas anteriormente o a continuación, la extrusión en la etapa (d) se lleva a cabo con una extrusora de doble husillo.

En una realización particular del procedimiento del primer aspecto de la invención, opcionalmente, junto con cualquiera de las realizaciones proporcionadas anteriormente o a continuación, las plumas secas resultantes de la etapa (b) contienen un contenido de humedad igual a o menor que el 30 % p/p. En una realización más particular, el contenido de humedad de las plumas secas es igual a o menor que el 29 % p/p, 28 % p/p, 27 % p/p, 26 % p/p, 25 % p/p, 24 % p/p, 23 % p/p, 22 % p/p, 21 % p/p, 20 % p/p, 19 % p/p, 18 % p/p, 17 % p/p, 16 % p/p, 15 % p/p, 14 % p/p, 13 % p/p, 12 % p/p, 11 % p/p, 10 % p/p, 9 % p/p, 8 % p/p, 7 % p/p, 6 % p/p, 5 % p/p, 4 % p/p, 3 % p/p, 2 % p/p, 1 % p/p, 0,8 % p/p, 0,6 % p/p, 0,4 % p/p, 0,2 % p/p o 0,1 % p/p. Se prefiere secar las plumas explotadas hasta contenidos de humedad cercanos al 0 % p/p para facilitar la fragmentación de la etapa (c) y también evitar el crecimiento de microorganismos. Como se usa en el presente documento, "contenido de humedad" se refiere a la relación entre el porcentaje del peso del agua libre presente en el material y el peso total del material. Por ejemplo, un contenido de humedad del 50 % en p/p significa que un material de 100 g contiene 50 g de agua. Hay varias técnicas conocidas en la materia que pueden usarse para medir el contenido de humedad de los materiales, tales como procedimiento de secado al horno, análisis termogravimétrico o higrómetro de contacto eléctrico. Por lo tanto, en una realización particular del procedimiento del primer aspecto, el contenido de humedad se determina por análisis termogravimétrico.

Como se usa en el presente documento, la expresión "% p/p" o "porcentaje de peso por peso" de un componente se refiere a la cantidad en peso del componente individual en relación con el peso total del material o, si se menciona específicamente, de otro componente.

La etapa de secado puede realizarse usando cualquier técnica convencional, tal como horno. No hay restricción técnica a la hora de seleccionar el secador.

El tiempo requerido para lograr el contenido de humedad final deseado depende, entre otros, del material de plumas resultante de la explosión y de la temperatura del secador. Por ende, puede realizarse el secado, por ejemplo, a 80 120 °C en un periodo de tiempo comprendido de 2 a 20 horas, de 4 h a 12 h, de 6 h a 10 h u 8 h. En una realización del primer aspecto de la invención, la etapa de secado se realiza durante 8 horas a 105 °C.

En una realización particular del procedimiento del primer aspecto de la invención, opcionalmente, junto con cualquiera de las realizaciones proporcionadas anteriormente o a continuación, los fragmentos de plumas resultantes de la etapa (c) tienen un tamaño de fragmento de 1 μm a 5 mm. En una realización más particular, los fragmentos de plumas tienen un tamaño de fragmento de 5 μm a 1 mm. En una realización aún más particular, los fragmentos de plumas tienen un tamaño de fragmento de 5 μm a 500 μm. El tamaño de los fragmentos se puede determinar por microscopía, más particularmente por microscopía electrónica.

En una realización particular del procedimiento del primer aspecto de la invención, opcionalmente, junto con cualquiera de las realizaciones proporcionadas anteriormente o a continuación, la etapa de fragmentación (c) se lleva a cabo por molienda. En una realización más particular, la molienda se realiza con un molino de martillos. En otra realización aún más particular, la molienda se realiza con un molino de martillos con un tamaño de malla de 0,1 mm a 0,5 mm. En una realización particular del procedimiento del primer aspecto de la invención, opcionalmente, junto con cualquiera de las realizaciones proporcionadas anteriormente o a continuación, el polímero termoplástico es un homopolímero termoplástico o un copolímero termoplástico.

En una realización particular del procedimiento del primer aspecto de la invención, opcionalmente, junto con cualquiera de las realizaciones proporcionadas anteriormente o a continuación, la matriz termoplástica comprende uno o más homopolímero u homopolímeros termoplásticos y/o copolímero o copolímeros termoplásticos.

En una realización particular del procedimiento del primer aspecto de la invención, opcionalmente, junto con cualquiera de las realizaciones proporcionadas anteriormente o a continuación, el homopolímero termoplástico está hecho de una unidad monomérica seleccionada de una olefina, un carbonato, un acrilato, una amida, un estireno y un éster; más particularmente, del grupo que consiste en etileno, propileno, metilpenteno y buteno-1. En una realización particular del procedimiento del primer aspecto de la invención, opcionalmente, junto con cualquiera de las realizaciones proporcionadas anteriormente o a continuación, el copolímero termoplástico está hecho de dos o más unidades monoméricas seleccionadas de una olefina, un carbonato, un acrilato, una amida, un estireno y un éster; más particularmente, del grupo que consiste en etileno, propileno, metilpenteno y buteno-1.

En una realización particular del primer aspecto de la invención, opcionalmente, junto con cualquiera de las realizaciones proporcionadas anteriormente o a continuación, la matriz termoplástica comprende un polímero termoplástico, particularmente una poliolefina, más particularmente un copolímero de poliolefina. En una realización particular del primer aspecto de la invención, opcionalmente, junto con cualquiera de las realizaciones proporcionadas anteriormente o a continuación, la matriz termoplástica consiste en un polímero termoplástico, particularmente una poliolefina, más particularmente un copolímero de poliolefina. En una realización incluso más particular del primer aspecto de la invención, el copolímero de poliolefina es un copolímero de polietileno o polipropileno.

El material termoplástico basado en plumas producido mediante el procedimiento de la invención puede mejorarse además mediante la adición de modificadores y/o aditivos específicos. Por ejemplo, la resistencia del material producido contra la humedad o el agua, entornos químicamente agresivos, degradación por microorganismos (por ejemplo, bacterias, hongos) y/o fuego, puede mejorarse añadiendo aditivos particulares al material durante el procedimiento. Otras características de los productos pueden modificarse, tales como su color, olor, conductividad o propiedades mecánicas, mediante la adición de modificadores particulares. El experto en la materia sabría qué aditivo debe añadirse dependiendo de la característica del artículo sólido moldeado a alterar y en qué etapa del método añadirlo, por ejemplo, podría añadirse un tinte antes de la extrusión.

Es deseable usar aditivos que se producen de forma natural o que derivan directamente de materiales de origen natural y/o que son biodegradables (por ejemplo, en dióxido de carbono, agua y, posiblemente, biomasa) durante el compostaje o en otros procedimientos biológicos de gestión de residuos. El experto en la materia sabe, haciendo uso de sus conocimientos generales y/o de las instrucciones del fabricante cuándo pueden añadirse los diferentes modificadores y aditivos en el proceso. Por ejemplo, los aditivos pueden añadirse junto con la matriz termoplástica o en diferentes puntos de la extrusora a través de alimentadores intermedios.

Puede ser recomendable realizar una etapa de secado adicional antes de la etapa de extrusión para mejorar las características del material extruido final. Las condiciones de esta etapa de secado adicional pueden ajustarse rutinariamente por el experto en la materia.

Por lo tanto, en una realización particular del procedimiento del primer aspecto de la invención, opcionalmente, junto con cualquiera de las realizaciones proporcionadas anteriormente o a continuación, el procedimiento comprende además la etapa de secar los fragmentos de plumas, resultantes de la etapa (c), así como la matriz termoplástica antes de la etapa (d). Esta etapa de secado se realiza por separado para los fragmentos de plumas y la matriz termoplástica. En una realización del procedimiento del primer aspecto, esta etapa de secado adicional se realiza inmediatamente antes de la etapa (d).

De nuevo, como se explica anteriormente, el tiempo requerido para lograr el contenido de humedad final deseado depende, entre otros, del material de plumas resultante de la explosión y de la temperatura del secador. En otra realización aún más particular, los fragmentos de plumas se secan durante 2 horas a 60 °C inmediatamente antes de la etapa (d). El tiempo y la temperatura para secar la matriz termoplástica antes de la extrusión dependerán de la composición del polímero o polímeros termoplásticos utilizados. El experto en la materia sabrá cómo secar cada matriz termoplástica siguiendo el protocolo del fabricante.

En otra realización particular del procedimiento del primer aspecto de la invención, opcionalmente, junto con cualquiera de las realizaciones proporcionadas anteriormente o a continuación, el contenido de humedad de los fragmentos de plumas y la matriz termoplástica antes de la etapa (d) es igual a o menor que el 30 % p/p, 29 % p/p, 28 % p/p, 27 % p/p, 26 % p/p, 25 % p/p, 24 % p/p, 23 % p/p, 22 % p/p, 21 % p/p, 20 % p/p, 19 % p/p, 18 % p/p, 17 % p/p, 16 % p/p, 15 % p/p, 14 % p/p, 13 % p/p, 12 % p/p, 11 % p/p, 10 % p/p, 9 % p/p, 8 % p/p, 7 % p/p, 6 % p/p, 5 % p/p, 4 % p/p, 3 % p/p, 2 % p/p, 1 % p/p, 0,8 % p/p, 0,6 % p/p, 0,4 % p/p, 0,2 % p/p o 0,1 % p/p. Generalmente, es recomendable reducir el contenido de humedad de los fragmentos de plumas y la matriz termoplástica para producir materiales extruidos con mejores propiedades.

El experto en la materia sabe cómo establecer las condiciones de la etapa de explosión de vapor dependiendo del tipo y las condiciones de las plumas usadas.

Por lo tanto, en una realización particular del procedimiento del primer aspecto de la invención, opcionalmente, junto con cualquiera de las realizaciones proporcionadas anteriormente o a continuación, el vapor aplicado a la pluma está a una temperatura de 100 °C a 250 °C. En una realización más particular, el vapor está a una temperatura de 150 °C a 220 °C. En una realización incluso más particular, el vapor está a una temperatura de 160 °C.

El tiempo requerido dependerá, entre otros, de la temperatura del vapor y de la naturaleza de las plumas. Por lo tanto, en otra realización particular del procedimiento del primer aspecto de la invención, opcionalmente, junto con cualquiera de las realizaciones proporcionadas anteriormente o a continuación, durante la explosión de vapor de la etapa (a) el vapor se aplica a una temperatura de 100 °C a 250 °C durante un periodo de tiempo de 10s a 2h y a una presión de 0,1 MPa a 4 MPa. En una realización más particular, el vapor se aplica a una temperatura de 150 °C a 220 °C durante un periodo de tiempo de 1 min a 3 min a una presión de 0,47 MPa a 2,3 MPa. En otra realización aún más particular, durante la explosión de vapor de la etapa (a) se aplica el vapor durante un periodo de tiempo de 2 min a una temperatura de 160 °C y a una presión de 0,62 MPa.

En una realización particular del procedimiento del primer aspecto de la invención, opcionalmente, junto con cualquiera de las realizaciones proporcionadas anteriormente o a continuación, el material termoplástico a base de plumas comprende una cantidad de fragmentos de plumas del 0,1 % p/p al 60 % p/p. En una realización más particular, el material termoplástico a base de plumas comprende una cantidad de fragmentos de plumas del 1 % p/p al 50 % p/p. En otra realización aún más particular, el material termoplástico a base de plumas comprende una cantidad de fragmentos de plumas del 5 % p/p al 25 % p/p.

En una realización más particular del procedimiento del primer aspecto de la invención, el material termoplástico a base de plumas comprende una cantidad de fragmentos de plumas del 0,1 % p/p al 60 % p/p y una cantidad de matriz termoplástica del 40 % p/p al 99,9 % p/p, con la condición de que la suma sea igual a o menor que el 100 % p/p. En una realización más particular, el material termoplástico a base de plumas comprende una cantidad de fragmentos de plumas del 1 % p/p al 50 % p/p y una cantidad de matriz termoplástica del 50 % p/p al 99 % p/p, con la condición de que la suma sea igual a o menor que el 100 % p/p. En una realización más particular, el material termoplástico a base de plumas comprende una cantidad de fragmentos de plumas del 5 % p/p al 25 % p/p y una cantidad de matriz termoplástica del 75 % p/p al 95 % p/p, con la condición de que la suma sea igual a o menor que el 100 % p/p. En una realización más particular del procedimiento del primer aspecto de la invención, el material termoplástico a base de plumas tiene una cantidad de plumas fragmentadas del 0,1 % p/p al 60 % p/p y una cantidad de matriz termoplástica del 40 % p/p al 99,9 % p/p, con la condición de que la suma sea el 100 % p/p. En una realización más particular, el material termoplástico a base de plumas tiene una cantidad de plumas fragmentadas del 1 % p/p al 50 % p/p y una cantidad de matriz termoplástica del 50 % p/p al 99 % p/p, con la condición de que la suma sea el 100 % p/p. En otra realización aún más particular, el material termoplástico a base de plumas tiene una cantidad de plumas fragmentadas del 5 % p/p al 25 % p/p y una cantidad de matriz termoplástica del 75 % p/p al 95 % p/p, con la condición de que la suma sea el 100 % p/p.

Los expertos en la materia sabrán qué proporción de pluma/polímero debe usarse en función de las características deseadas del material.

Como se ha mencionado anteriormente, en un segundo aspecto la presente invención proporciona un material termoplástico extruido a base de plumas obtenible mediante el procedimiento definido en el primer aspecto. Para los fines de la invención las expresiones "obtenible", "obtenido/a" y expresiones equivalentes se usan indistintamente y, en cualquier caso, la expresión "obtenible" abarca la expresión "obtenido/a". Todas las realizaciones proporcionadas bajo el primer aspecto de la invención son también realizaciones del material termoplástico extruido a base de plumas del segundo aspecto de la invención.

En una realización particular del segundo aspecto de la invención, opcionalmente, junto con cualquiera de las realizaciones proporcionadas anteriormente o a continuación, el material termoplástico a base de plumas que se puede obtener mediante el procedimiento definido en el primer aspecto comprende una cantidad de fragmentos de plumas del 0,1 % p/p al 60 % p/p. En una realización más particular del segundo aspecto, el material termoplástico a base de plumas comprende una cantidad de fragmentos de plumas del 1 % p/p al 50 % p/p. En una realización incluso más particular del segundo aspecto, el material termoplástico a base de plumas comprende una cantidad de fragmentos de plumas del 5 % p/p al 25 % p/p.

En una realización más particular del segundo aspecto de la invención, el material termoplástico a base de plumas comprende una cantidad de fragmentos de plumas del 0,1 % p/p al 60 % p/p y una cantidad de matriz termoplástica del 40 % p/p al 99,9 % p/p, con la condición de que la suma sea igual a o menor que el 100 % p/p. En una realización más particular, el material termoplástico a base de plumas comprende una cantidad de fragmentos de plumas del 1 % p/p al 50 % p/p y una cantidad de matriz termoplástica del 50 % p/p al 99 % p/p, con la condición de que la suma sea igual a o menor que el 100 % p/p. En otra realización aún más particular, el material termoplástico a base de plumas comprende una cantidad de fragmentos de plumas del 5 % p/p al 25 % p/p y una cantidad de matriz termoplástica del 75 % p/p al 95 % p/p, con la condición de que la suma sea igual a o menor que el 100 % p/p.

En una realización más particular del segundo aspecto, el material termoplástico a base de plumas tiene una cantidad de plumas fragmentadas del 0,1 % p/p al 60 % p/p y una cantidad de matriz termoplástica del 40 % p/p al 99,9 % p/p, con la condición de que la suma sea el 100 % p/p. En una realización más particular, el material termoplástico a base de plumas tiene una cantidad de plumas fragmentadas del 1 % p/p al 50 % p/p y una cantidad de matriz termoplástica del 50 % p/p al 99 % p/p, con la condición de que la suma sea el 100 % p/p. En otra realización aún más particular, el material termoplástico a base de plumas tiene una cantidad de plumas fragmentadas del 5 % p/p al 25 % p/p y una cantidad de matriz termoplástica del 75 % p/p al 95 % p/p, con la condición de que la suma sea el 100 % p/p.

Los materiales de la presente invención, dependiendo de sus propiedades finales, pueden encontrar aplicación en diversas industrias. Pueden, por supuesto, usarse en combinación con otros materiales. Por ejemplo, los materiales basados en plumas de la invención pueden encontrar uso:

- Como materiales constructivos en industrias de edificación y construcción, así como en las industrias de fabricación de armarios y mobiliario.

- Como productos termoplásticos a granel, tales como productos desechables, hojas, láminas, redes, laminados y películas, por ejemplo,

- Para usos agrícolas;

- Como materiales de respaldo en revestimiento de suelos, tales como alfombras y baldosas;

- Como materiales de techado;

- Como materiales constructivos para su uso en la construcción de carreteras y similares;

- Como materiales aislantes, para fines de aislamiento térmicos, eléctrico y acústico;

- Como materiales de embalaje tales como, por ejemplo, frascos, envases herméticos, cajones, recipientes y similares; - Como materiales amortiguadores con fines de protección,

- Como elementos decorativos, por ejemplo, escritorios, placas, accesorios de almacenaje, baldosines y similares; - Como granulados extrudidos para su uso como una materialprima en, por ejemplo, materiales domésticos, juguetes y similares.

Por lo tanto, como se ha mencionado anteriormente, en un tercer aspecto, la invención proporciona un artículo que comprende un material termoplástico a base de plumas como se define en el segundo aspecto.

A lo largo de toda la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprender" y variaciones de la palabra, no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o etapas. Adicionalmente, la palabra "comprende" abarca el caso de "consiste en". Objetos adicionales, las ventajas y características de la invención serán evidentes para los expertos en la técnica tras examinar la descripción o pueden aprenderse poniendo en práctica la invención. Los siguientes ejemplos se proporcionan a modo de ilustración y no pretenden ser limitantes de la presente invención. Adicionalmente, la presente invención cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares y preferidas descritas en el presente documento.

Ejemplos

Acondicionamiento y tratamiento de plumas

Las plumas enteras higienizadas se suministraron por GRUPO SADA. Antes de la extrusión las plumas: 1) se molieron en fibras con fines comparativos (en lo sucesivo en el presente documento denominadas "plumas molidas") o 2) tratadas mediante un procedimiento de explosión de vapor, de acuerdo con la invención (en lo sucesivo denominadas "plumas tratadas con SE").

La trituración de las plumas se llevó a cabo con un Molino de corte universal FRITSCH PULVERISETTE 19 usando un tamaño de tamiz de 1 mm. La distribución del tamaño de los fragmentos de las plumas terrestres resultantes, entendida como la longitud de las plumas, se determinó usando un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo Carl Zeiss Ultra Plus (FE-SEM, Oberkochen, Alemania) equipado con un espectrómetro de rayos X de dispersión de energía (EDXS). Antes del análisis de FE-SEM, las muestras se recubrieron al vacío con oro a 1-0,1 kPa (10-1 mbar) usando una atmósfera de argón en un recubridor por pulverización catódica BAL-TEC SCD 005 a 65 mA durante 10 segundos. Se obtuvieron valores que oscilaban entre 200 μm y 1 mm. La densidad aparente, determinada por la relación de la masa de plumas (expresada en gramos) a un volumen dado (expresado en cm3), de estas plumas fue de 0,07 g/cm3.

Las plumas tratadas con SE se obtuvieron usando el siguiente procedimiento: la explosión de vapor de plumas se realizó en un reactor por lotes construido a medida (construido por ORNALP UNOZON) que consiste en un generador de vapor, un sistema de control automatizado, un reactor con camisa de 40 l (presión operativa máxima de 3,0 MPa) y un depósito de recogida de 1,23 m3. El medio de calentamiento para el reactor era vapor y era posible calentar por separado la camisa y la cámara del reactor. Se colocaron plumas enteras en la cámara del reactor y la chaqueta se calentó a aprox. 20 °C por debajo de la temperatura diana para la reacción de explosión de vapor. Cuando la chaqueta alcanzó su temperatura (es decir, una temperatura 20 °C por debajo de la temperatura de reacción), las plumas se trataron con vapor saturado durante 2 min a cuatro temperaturas diferentes: 160, 180, 200 y 220 °C. La reacción finalizó mediante una rápida descompresión abriendo una válvula inferior y expulsando las plumas al recipiente de recogida. El material explotado se secó en un horno a 105 °C durante 8 horas y después se molió con un molino de martillos (Hosokawa 100 UPZ, batidor de placas) con diferentes tamaños de malla que van desde 0,1-0,5 mm. Las plumas tratadas con SE tenían una distribución de tamaño de fibra que oscilaba entre 5 μm y 500 μm, determinada mediante el uso de un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo Carl Zeiss Ultra Plus (FE-SEM, Oberkochen, Alemania) como se explicó anteriormente. Densidad aparente de las plumas tratadas con SE, determinada por la relación entre la masa y un volumen dado, fue de 0,40 g/cm3.

Extrusión para la fabricación de materiales a base de plumas

El compuesto de fusión de ambas muestras de plumas (plumas molidas y plumas tratadas con SE) con la matriz termoplástica se llevó a cabo mediante un procedimiento de extrusión. Antes de la extrusión, las plumas y la matriz termoplástica correspondiente se secaron en un secador deshumidificador Moretto D3T de MTP Maquinaria Termoplástica S.L. Las plumas tratadas se secaron durante 2 horas a 60 °C, mientras que la matriz termoplástica usada se secó en cada caso siguiendo las instrucciones facilitadas por el proveedor en la ficha técnica del producto. La extrusora usada en la composición por fusión era una extrusora de doble husillo co-rotatorio (Proceso 11, Thermo Scientific) con una relación L/D de 40. La alimentación de los materiales en la extrusora se realizó usando alimentadores volumétricos. Se usó una boquilla de 3 mm de diámetro. Después del procedimiento de extrusión, el extruido se enfrió después en un baño de agua, se secó con aire y se convirtió en gránulos.

Este procedimiento general se utilizó para preparar diferentes biocompuestos variando la matriz polimérica, el perfil de temperatura de acuerdo con la matriz seleccionada, el contenido de plumas tratadas y la velocidad de rotación durante la extrusión.

Ejemplo 1: Extrusión de biocompuestos a base de polipropileno (PP) con plumas molidas (para fines comparativos) Copolímero de polipropileno SABIC® PP 56M10, secado previamente a 90 °C durante 1,5 horas, se usó para la preparación de biocompuestos usando plumas molidas. Para este fin, las plumas se colocaron en el alimentador de la extrusora y se intentó suministrarlas. El perfil de temperatura desde el punto de suministro hasta el troquel fue el siguiente: 30, 180, 185, 190, 185 y 180 °C. Como se muestra en la Tabla 1 a continuación, debido a la baja densidad de este tipo de relleno, la cantidad de plumas molidas que pueden suministrarse a la extrusora es limitada y heterogénea.

Tabla 1

Incluso si una cierta cantidad de plumas molidas pueden suministrarse a la extrusora, la extrusora tiene problemas para transportarlos dependiendo del porcentaje de plumas que se desee en el material termoplástico. Por lo tanto, la cantidad de plumas molidas que pueden añadirse es muy limitada.

Ejemplo 2: Extrusión de biocompuestos a base de Polipropileno (PP) con plumas tratadas con SE (de acuerdo con la invención)

Copolímero de polipropileno SABIC® PP 56M10, previamente secado a 90 °C durante 1,5 horas se usó para la preparación de bio-compuestos usando plumas tratadas con SE en cuatro condiciones diferentes de tratamiento (es decir, temperaturas de explosión de vapor): 160, 180, 200 y 220 °C. Las plumas procesadas también se secaron a 60 °C antes de la extrusión.

El perfil de temperatura desde el punto de suministro hasta el troquel fue el siguiente: 30, 180, 185, 190, 185 y 180 °C. La velocidad de rotación usada en la extrusión fue de 150 rpm.

Las plumas tratadas a 160 °C se usaron para la preparación de cuatro concentraciones diferentes de plumas en el biocompuesto final: 5, 10, 20 y 30 % en peso. Las plumas tratadas con SE se alimentaron con éxito en la extrusora para todas las concentraciones y condiciones.

En conclusión, estos resultados demuestran que las plumas procesadas por explosión de vapor en un amplio intervalo de temperaturas pueden suministrarse con éxito en el extruido, incluso a concentraciones elevadas, permitiendo una incorporación homogénea de las plumas procesadas a la matriz termoplástica.

Ejemplo 3: Extrusión de biocompuestos a base de Polietileno (PE) con plumas tratadas con SE (de acuerdo con la invención).

Biocompuestos a base de polietileno de alta densidad (HDPE) SABIC® HDPE P4200RT, se secaron previamente 2 horas a 90 °C y se prepararon por extrusión plumas tratadas con SE a 180 °C. De acuerdo a las propiedades térmicas del polímero el perfil de temperatura usado fue el siguiente desde la alimentación hasta la matriz: 30, 125, 125, 130, 130 y 125 °C. La velocidad de rotación usada en la extrusión fue de 220 rpm.

Se suministraron diferentes cantidades de plumas tratadas para preparar tres concentraciones diferentes de plumas en el biocompuesto final: 25, 35 y 50 % en peso. Las plumas tratadas con SE se suministraron con éxito para todas las concentraciones. Por tanto, estos resultados muestran que el procedimiento de la invención permite la incorporación de plumas en diversos tipos de polímeros termoplásticos.

Los resultados de los diferentes ejemplos se resumen en la siguiente Tabla 2:

Tabla 2

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para la producción de un material termoplástico a base de plumas que comprende las siguientes etapas en el orden especificado:

(a) someter plumas a una explosión de vapor,

(b) secar las plumas explotadas resultantes de la etapa (a),

(c) fragmentar las plumas secas resultantes de la etapa (b) y

(d) incorporar por extrusión los fragmentos de plumas resultantes de la etapa (c) en una matriz termoplástica.

2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las plumas secas resultantes de la etapa (b) contienen un contenido de humedad igual a o menor que el 30 % p/p.

3. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en donde los fragmentos de plumas resultantes de la etapa (c) tienen un tamaño de fragmento de 1 μm a 5 mm.

4. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en donde la etapa de fragmentación (c) consiste en triturar las plumas explotadas resultantes de la etapa (b).

5. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en donde la matriz termoplástica comprende uno o más homopolímeros termoplásticos y/o copolímeros termoplásticos.

6. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, en donde uno o más copolímeros termoplásticos están hechos de dos o más unidades monoméricas seleccionadas de una olefina, un carbonato, un acrilato, una amida, un estireno y un éster.

7. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de la reivindicación 5-6, en donde uno o más copolímeros termoplásticos están hechos de dos o más unidades monoméricas seleccionadas de etileno, propileno, metilpenteno y buteno-1.

8. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en donde las plumas son de pollo, pavo, paloma, paloma blanca, pato, ganso, faisán, ave acuática, emú, gallina de Guinea, avestruz, codorniz o mezclas de los mismos, más particularmente, las plumas son de pollo.

9. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en donde la explosión de vapor de la etapa (a) se lleva a cabo a una temperatura de 100 °C a 250 °C durante un periodo de tiempo de 10s a 2h y a una presión de 0,1 MPa a 4 MPa.

10. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, en donde la explosión de vapor de la etapa (a) se lleva a cabo a una temperatura de 150 °C a 220 °C durante un periodo de tiempo de 1 min a 3 min y a una presión de 0,47 MPa a 2,3 MPa, más particularmente, a una temperatura de 160 °C durante un periodo tiempo de 2 min y a una presión de 0,62 MPa.

I I . El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en donde la extrusión de la etapa (d) se lleva a cabo con una extrusora de doble husillo.

12. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-11, en donde el procedimiento comprende además la etapa de secar los fragmentos de plumas resultantes de la etapa (c) así como la matriz termoplástica antes de realizar la etapa (d),

en donde el contenido de humedad de las partículas de plumas fragmentadas y la matriz termoplástica después de esta etapa de secado adicional es igual a o menor que el 30 % p/p.

13. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-12, en donde el material termoplástico a base de plumas comprende una cantidad de partículas de plumas fragmentadas del 0,1 % p/p al 60 % p/p.

14. Un material termoplástico extruido a base de plumas obtenible mediante el procedimiento definido en cualquiera de las reivindicaciones 1-13.

15. Un artículo que comprende un material termoplástico extruido a base de plumas como se define en la reivindicación 14.