IT202000003022A1 - Composti leganti a base biologica e metodi per produrli - Google Patents
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Description
TITOLO:
?Composti leganti a base biologica e metodi per produrli?
CAMPO DELL'INVENZIONE
La presente invenzione riguarda il campo dei leganti adatti alla produzione di pannelli di legno. In particolare, l?invenzione si riferisce a composti e metodi per produrre leganti di natura biologica. Sotto un ulteriore aspetto, la presente invenzione descrive gli usi di questi leganti di natura biologica.
L?invenzione descrive inoltre metodi per incollare articoli e prodotti ottenibili utilizzando i leganti di natura biologica della presente invenzione.
STATO DELL?ARTE
Oltre 20 milioni di tonnellate di sostanze di origine petrolchimica vengono consumate ogni anno dai settori del legno e dell'isolamento, principalmente sotto forma di leganti. In risposta ai cambiamenti climatici, i produttori di pannelli compositi, come pannelli di fibre a media densit? (MDF o HDF), pannelli a fibre orientate (OSB), pannelli truciolari (PB) e compensato, sono spinti a produrre compositi di legno con il minor contenuto possibile di sostanze di natura fossile. Oltre alla sfida di fabbricare un pannello composito con il minimo possibile di sostanze derivate da processi petrolchimici, un'altra sfida da affrontare ? rappresentata dal quadro normativo relativo ai composti organici volatili (VOC), come quelli di formaldeide e isocianati.
La presenza dei VOC ? intrinsecamente connessa alla produzione di pannelli compositi a causa della nebulizzazione di leganti di derivazione petrolchimica sul legno e dei vapori dannosi generati dalla pressatura a caldo del legno resinato a temperature elevate, in alcuni casi superiori a 200? C.
La maggior parte dei produttori di pannelli compositi utilizza leganti costituiti da formaldeide, un composto chimico tossico e volatile, noto all'Agenzia internazionale per la ricerca sul cancro (IARC) (2010) e all'EuCIA (2015) per essere cancerogeno per l'uomo compromettendo la qualit? dell'aria degli ambienti interni. Per mitigare gli effetti negativi sulla qualit? dell'aria interna, negli Stati Uniti ? stata attuata la Airborne Toxic Control Measure per fornire disposizioni speciali ai produttori di pannelli in legno che prevedono di utilizzare leganti ULEF (Ultra-Low-Emitting-Formaldehyde) o NAF (No-Added-Formaldehyde). I leganti ULEF possono essere prodotti miscelando l'UF con scavengers di formaldeide che sono principalmente derivati petrolchimici, compromettendo spesso le prestazioni di legame dell'UF utilizzata e quindi non consentendo una riduzione nel consumo di sostanze di natura petrolchimica.
Per quanto riguarda i leganti NAF, ? noto che gli isocianati come il pMDI forniscono un'adesione eccellente a un dosaggio relativamente basso sulle fibre rispetto ad altri sistemi leganti. Tuttavia, l?utilizzo importante di pMDI nella produzione di compositi di legno ? limitato a causa di alcuni svantaggi intrinseci.
In primo luogo, ? noto che il pMDI si attacca alle piastre di metallo, alle parti metalliche ad alta finitura superficiale in acciaio inossidabile utilizzati nel processo di fabbricazione dei pannelli di legno. Di conseguenza, i produttori di pannelli in legno sono preoccupati per l'accumulo di materiale su queste superfici che possono compromettere la continuit? dei loro processi produttivi a causa di una maggior manutenzione necessaria. Per affrontare tale problema, ? stato fatto un grande uso di agenti distaccanti costosi, a base fossile o non biodegradabili. In secondo luogo, ? noto che il pMDI ha scarsa stabilit? una volta miscelato con un mezzo acquoso, e questo comporta preoccupazioni da parte dei produttori di pannelli in legno in caso di interruzioni temporanee della produzione. In terzo luogo, il pMDI non fornisce la coesione a freddo (cold tack) necessaria per evitare la rottura del materasso nella linea di lavorazione. Per evitare tale problema, vengono proposti investimenti per modificare le linee di produzione o un ampio uso dei prodotti che aumentano il tack; tali opzioni rappresentano un ostacolo finanziario per l'adozione della soluzione in quanto la maggior parte dei prodotti che aumentano il tack che vengono proposti deriva da materiale fossile o biologico ulteriormente raffinato. In quarto luogo, il pMDI ? in ogni caso un composto di derivazione petrolchimica il cui potenziale di riscaldamento globale (GWP) ? di circa 2,4 kg di CO2 equivalente per kg di pMDI, come descritto da PlasticsEurope (2012), e quindi non contribuisce a mitigare i cambiamenti climatici. In quinto luogo, il polimero pMDI non ? considerato un composto biodegradabile. Pertanto, per evitare un impatto negativo a lungo termine sull'ambiente, ? di fondamentale importanza utilizzarne il quantitativo minimo indispensabile. Infine, ? noto che l'uso di pMDI comporta costi di produzione dei pannelli in legno maggiori e pi? volatili a causa del costo di produzione relativamente elevato del pMDI e del numero limitato di produttori di pMDI a livello globale.
Per rispondere alla sfida della produzione di materiali compositi con quantit? sempre pi? basse di sostanze non biodegradabili e di derivazione petrolchimica ed emissioni di VOC, come quelli derivanti dai sistemi leganti a base di formaldeide e isocianati, il settore dei compositi di legno sta esplorando l'adozione di materiale biologico nei loro processi produttivi per sostituire in tutto o in parte le sostanze di derivazione petrolchimica, non solo nei sistemi leganti ma anche nella fabbricazione di additivi come cere, prodotti che aumentano il tack, agenti distaccanti, miglioratori di resistenza all'umidit?, agenti indurenti o catalizzatori del legante.
Tra i materiali biologici usati per sostituire parzialmente o completamente i composti a base fossile, non biodegradabili e tossici, sono state considerate le proteine grazie alle loro notevoli propriet? leganti. Farina di soia grezza disoleata o farina di soia raffinata sono stati al centro di varie prove, grazie al loro alto contenuto proteico ed alla loro relativa abbondanza.
Il brevetto US6306997B1 descrive un legante a base biologica comprendente farina di soia e un agente reticolante. Il brevetto US7736559B2 descrive composizioni adesive termoindurenti per l'uso in pannelli truciolari, in cui le composizioni comprendono una miscela di farina di soia disoleata e un acceleratore di polimerizzazione a base di ammina quaternaria. Il brevetto WO 2001059026 descrive l'uso del copolimero di proteina di soia idrolizzata ottenuta da farina di soia avente una pluralit? di gruppi metilolici e almeno un co-monomero avente una pluralit? di gruppi metilolici.
Tuttavia, a livello industriale, le farine di soia grezza e raffinata sono in genere ottenute attraverso processi di raffinazione chimico-fisica che comportano l'uso di solventi organici e una quantit? significativa di energia, per rimuovere i lipidi ed i vari composti anti-nutrizionali presenti nei semi di soia come la lectina, le saponine e gli inibitori della proteasi che rendono la soia non commestibile.
Il processo per la produzione di farina di soia comprende pi? fasi come l?essiccazione, il rinvenimento, la pulizia, la classificazione (opzionale), il cracking, la decorticazione (opzionale), il condizionamento, l?esfoliazione, l?estrazione con solvente, la distillazione della micella, la desolventizzazione.
Tra i solventi organici tipicamente impiegati nel processo, l'esano ? il composto chimico pi? utilizzato. Il processo di produzione della farina di soia si traduce in un GWP positivo. Mentre la soia ha un GWP di circa 421 g CO2 eq / kg di soia, la farina di soia raffinata ha un GWP di circa 519 g CO2 eq / kg di farina di soia (United Soybean Board, 2016).
Inoltre, il tradizionale processo di estrazione lipidica per ottenere farina di soia commestibile produce una farina che presenta una viscosit? relativamente elevata quando viene dispersa in un mezzo acquoso alla concentrazione desiderata per evitare il rallentamento delle linee di produzione di pannelli truciolari. Al fine di migliorare le caratteristiche della farina di soia come ingrediente per i leganti biologici, sono state proposte alcune modifiche al processo standard di produzione della farina di soia. Ad esempio, ? stato scoperto che la viscosit? della farina di soia in acqua pu? essere ridotta mediante micronizzazione (US 2006/142433 A1); oppure si pu? ottenere una maggiore reattivit? proteica applicando trattamenti termici meno aggressivi nella produzione di farina di soia (US8147968B2). Ad esempio, Prolia<TM >? una farina di soia disoleata disponibile in commercio, standardizzata e di alta qualit?, per il settore alimentare e che si ? rivelata anche dotata di caratteristiche superiori a fini leganti grazie alla sua viscosit? relativamente bassa.
La farina di soia disoleata di alta qualit? ? stata utilizzata in vari brevetti e domande di brevetto. Il brevetto EP2576661 descrive un metodo per ottenere emulsioni stabili mescolando farine vegetali disoleate (Prolia<TM>), o costituenti proteici isolati derivati dalle stesse, con pMDI per la fabbricazione di pannelli di fibre lignocellulosiche. Tale metodo mette in evidenza che ? necessaria una significativa addizione, anche nel caso dell'utilizzo di formulazioni a base di farine di soia raffinate e appositamente preparate, di sostanze come urea, cere, un agente che incrementi la resistenza all'umidit? come un silicone, un silossano, un poliolo fluorurato, un estere fluoroalchil-fosfato o un estere fluoroalchil-carbossilico, un agente distaccante come acido alcanoico Qo-25, un sale di un acido alcanoico Qo-25, un acido alchenoico Qo-25, un sale di un acido alchenoico Qo-25 e un regolatore del pH, per ottenere la giusta viscosit? ed il giusto contenuto solido del legante ed allo stesso tempo rendendolo spruzzabile e ottenendo un prodotto resistente all'umidit? e con facile distaccamento dai piatti della pressa. Le domande di brevetto WO2010028062 e WO2008011455 mettono in evidenza l'uso di farine di soia disoleate (Prolia<TM>) per la produzione di leganti per pannelli di fibre come pannelli truciolari e MDF. Il brevetto US 8147968 descrive un composto adesivo costituito da un reticolante a base di poliammidoamina-epiclororidrina (PAE), un diluente non ureico contenente gruppi funzionali alcolici multipli sulla stessa molecola come dioli e polioli e una miscela acquosa di farina di soia. La fonte proteica messa in evidenza ? Prolia<TM>, una farina di soia con un contenuto proteico di circa il 50% in peso secco ottenuta dopo l'estrazione a solvente e quindi praticamente priva di olio vegetale.
Tuttavia, anche utilizzando una farina di soia disoleata di alta qualit? in combinazione con prepolimeri reattivi, le composizioni leganti a base biologica descritte nella tecnica nota richiedono diversi additivi per affrontare gli ormai noti inconvenienti tecnici associati all'uso stesso di prepolimeri reattivi. Inoltre, il GWP delle farine di soia disoleate di alta qualit? non sembra essere migliore rispetto a quello delle farine di soia standard. Infine, poich? le farine di soia sono in genere destinate ad applicazioni alimentari umane ed animali, le linee di produzione delle farine di soia devono conformarsi a rigorosi standard sanitari, contribuendo ad aumentare significativamente i costi di produzione. Tale aspetto, combinato con il dilemma etico legato all'uso di un ingrediente alimentare di alta qualit? per applicazioni industriali, ne limita l?utilizzo da parte del settore industriale.
Le problematiche ambientali, tecniche ed economiche identificate sopra rappresentano degli ostacoli per la diffusione, nell'industria dei pannelli truciolari, dei leganti a base biologica composti da materiale biologico raffinato.
Pertanto, nelle formulazioni leganti a base biologica che possono essere adottate dall'industria, sarebbe auspicabile l?utilizzo di una tipologia di materiale biologico pi? ecologica, performante, meno costosa, con minori richieste di additivi, abbondante, non commestibile e che affronti i noti inconvenienti associati ai prepolimeri reattivi.
Scopo della presente invenzione ? introdurre nuovi leganti a base biologica che consentano la preparazione di compositi a base di fibre di legno, offrendo i vantaggi di ridurre il contenuto di composti a base fossile e il GWP dei prodotti fabbricati e mitigare i VOC dannosi delle resine a base di formaldeide e isocianati, pur utilizzando materiali biologici non commestibili, a basso costo ed ampiamente disponibili.
SOMMARIO DELL'INVENZIONE
Il Richiedente ha osservato che, anche se sono note composizioni per leganti a base biologica comprendenti l'utilizzo di materiale biologico per sostituire parzialmente o completamente composti chimici a base fossile nella fabbricazione di pannelli di fibre di legno, tali bio-leganti incontrano notevoli difficolt? nell'essere adottati dall'industria del legno per una serie di limitazioni ambientali, tecniche ed economiche. Ad esempio, anche se i processi di raffinazione sono ritenuti necessari per ottenere materiali biologici con caratteristiche tecniche migliorate da combinare con prepolimeri reattivi nei bio-leganti, nell?arte nota ? stato proposto un ampio utilizzo di additivi aggiuntivi. Nella maggior parte dei casi, tali processi di raffinazione comportano l'utilizzo di solventi organici, una notevole quantit? di energia e linee di produzione dedicate, dando origine a materiali biologici costosi e non cos? ecologici.
Sorprendentemente, il Richiedente ha scoperto che materiali biologici non raffinati ed economici, come i semi oleaginosi franti, possono essere convenientemente utilizzati, nella produzione di pannelli di fibre di legno, per ridurre in modo significativo l'utilizzo di composti a base fossile, non degradabili e tossici.
In particolare, il Richiedente ha riscontrato che l'uso di materiali biologici non raffinati come semi oleaginosi interi, in combinazione con una quantit? drasticamente ridotta di prepolimeri reattivi, consente di ottenere un legante che soddisfa non solo tutti i requisiti tecnici in termini di prestazioni dei compositi (ad es. resistenza allo strappo, trazione superficiale e rigonfiamento) e i requisiti industriali (ad es. fattore di pressa, distaccamento, stabilit? del legante), ma anche che tale composto presenta un GWP migliorato, si traduce in un uso pi? efficiente delle risorse, come energia e acqua, durante tutto il processo di produzione ed ? competitivo in termini di costi rispetto alle soluzioni di derivazione completamente petrolchimica utilizzate oggi dall'industria.
La presente invenzione riguarda una composizione legante a base biologica migliorato. In una forma di realizzazione illustrativa una composizione legante a base biologica comprendente:
a. un materiale biologico non raffinato;
b. un mezzo liquido;
c. un prepolimero reattivo;
in cui detto materiale biologico non raffinato ? scelto tra: semi oleaginosi, legumi, cereali, lievito, batteri, larve, alghe o una loro combinazione.
In una forma di realizzazione dell'invenzione, il bio-legante ha un ridotto contenuto di derivazione fossile, un GWP ridotto e un costo inferiore rispetto alla tecnica nota. La presente invenzione riguarda inoltre un metodo per produrre una composizione legante a base biologica comprendente le seguenti fasi:
a. miscelare un materiale biologico non raffinato con un mezzo liquido per ottenere uno slurry;
b. mescolare lo slurry della fase a. con un prepolimero reattivo;
c. ottenere il legante a base biologica,
in cui:
- il materiale biologico non raffinato ? scelto tra: semi oleaginosi, legumi, cereali, lievito, batteri, larve, alghe o una loro combinazione;
- il mezzo liquido viene scelto tra un lipide, acqua o una loro miscela; e
- il prepolimero reattivo ? scelto tra un prepolimero a base di isocianato, un prepolimero a base di (poli)ammidoamina (PAE) o un prepolimero a base di aldeide o una loro miscela;
e in cui un composto idrossifunzionale scelto tra glicerina, polisaccaridi, oligosaccaridi, monosaccaridi o una loro combinazione pu? essere facoltativamente aggiunto alla fase a. o alla fase b.
Sotto un ulteriore aspetto, la presente invenzione riguarda un metodo per incollare un primo articolo ad almeno un secondo articolo per ottenere un prodotto incollato comprendente:
a. applicare il composto legante dell'invenzione su una superficie di un primo articolo per ottenere una superficie legante; e
b. mettere in contatto la superficie di incollaggio del primo articolo con una superficie di almeno un secondo articolo; e
c. indurire il legante.
Sotto un ulteriore aspetto, l'invenzione descrive un prodotto incollato ottenibile con il metodo di incollare un primo articolo ad almeno un secondo articolo, in cui:
a. il primo e il secondo articolo sono scelti dal gruppo consistente in un materiale lignocellulosico, un materiale composito contenente un materiale lignocellulosico, una ceramica, un polimero, una fibra di vetro, una fibra di legno, una polvere di ceramica, una plastica, un tessuto, un vetro o una loro combinazione; e
b. il legante indurito ha un peso compreso tra l'1% e il 30% del peso a secco del prodotto.
Come sar? ulteriormente approfondito nella descrizione dettagliata dell'invenzione, la composizione del legante, i metodi per la sua preparazione e per la preparazione dei prodotti incollati e i prodotti incollati ottenibili con il metodo non presentano gli inconvenienti descritti nella tecnica nota.
DEFINIZIONI
Di seguito sono elencate le definizioni di vari termini usati per descrivere questa invenzione. Queste definizioni si applicano ai termini cos? come sono utilizzati nella descrizione e le rivendicazioni, salvo diversa indicazione in casi specifici, individualmente o come parte di un gruppo pi? ampio. Se non diversamente dichiarato, tutti i termini tecnici e scientifici qui usati hanno generalmente lo stesso significato di quello comunemente compreso da un ordinario esperto del ramo tecnico a cui appartiene la presente invenzione.
Come usato nella presente, il termine "comminuzione" intende ridurre le dimensioni delle particelle di materiale biologico non raffinato in modo tale che la cellula biologica in cui ? presente il lipide sia parzialmente rotta. Il materiale biologico sminuzzato ? materiale biologico disintegrato che ha un aspetto pastoso o simile alla farina, a seconda del contenuto di acqua o lipidico del materiale di partenza.
Come usato nella presente, il termine "non raffinato" si applica a qualsiasi materiale biologico che non ha attraversato un processo chimico o industriale per rimuovere parti indesiderate ed ? quindi in uno stato naturale, in questa sede la parte indesiderata ? un lipide.
Come usato nella presente, il termine "lipide" (o "lipidi") ? un composto (o una miscela di composti) insolubile in acqua ma solubile in solventi organici come alcoli, cloroformio ed eteri. I lipidi sono anche noti come acidi grassi e loro derivati e sostanze correlate biosinteticamente o funzionalmente a questi composti come fosfolipidi, steroli, monogliceridi, digliceridi e trigliceridi (triacilgliceroli o TAG), o una loro combinazione che pu? essere trovata in un olio vegetale.
Come usato nella presente, il termine "farina" ? un materiale residuo ottenuto dopo l'estrazione di lipidi da qualsiasi materiale oleoso, estrazione spesso eseguita mediante pressatura meccanica o applicazione di solventi. Il contenuto lipidico nella farina ottenuto ? inferiore all'8%, 5% o 1% sul peso secco, a seconda del tipo e dell'efficienza del processo di estrazione.
Come usato nella presente, il termine "legante privo di formaldeide" ? un legante termoindurente privo di formaldeide che pu? essere polimerizzato applicando al legante del calore, la pressione o una loro combinazione per la produzione di prodotti senza formaldeide aggiunta, scelti tra isocianati, poli-amidoammine o una loro combinazione.
Come usato nella presente, il termine "mezzo liquido" intende includere qualsiasi mezzo avente una viscosit? non superiore a 100.000 cP in cui sono inclusi acqua e/o lipidi come acqua di rete, un olio vegetale o una loro combinazione.
Come usato nella presente, il termine "miscela di acqua e lipidi" ? un mezzo ottenuto da un processo di emulsione in cui l'acqua ? stata dispersa nel lipide o viceversa attraverso ausili chimici o meccanici, come l'additivazione con tensioattivi, emulsionanti, l'applicazione di forze di taglio alla miscela, o una loro combinazione.
Come usato nella presente, il termine "composti idrossifunzionali" intende includere glicerina, carboidrati, polisaccaridi e zuccheri. Composti idrossifunzionali preferiti possono essere zuccheri (come destrosio monoidrato, glucosio, fruttosio, galattosio, saccarosio, lattosio e maltosio), polisaccaridi (come cellulosa, chitina, glicogeno, pectine, amido e xilani), sciroppi di carboidrati (come sciroppo di mais, sciroppo di mais ad alto contenuto di fruttosio, sciroppo di mais ad alto contenuto di maltosio, sciroppo di glucosio) e loro miscele.
Come usato nella presente, il termine "prepolimero reattivo" ? un composto, materiale o miscela che pu? essere fatto reagire per formare un polimero a scopo di legame. Tali prepolimeri includono, ad esempio, prepolimeri a base di aldeide, prepolimeri a base di ammina, prepolimeri a base di ammide, prepolimeri a base di amidoammina e prepolimeri a base di isocianato.
Come usato nella presente, il termine "circa" verr? inteso da tecnici ordinari del ramo e varier? in una certa misura a seconda del contesto in cui viene usato. Come qui utilizzato quando si fa riferimento a un valore misurabile come una quantit?, una durata temporale e simili, il termine "circa" intende comprendere variazioni di /-20% o /- 10%, incluso /- 5 %, /- 1% e /- 0,1% dal valore specificato, poich? tali variazioni sono appropriate per eseguire i metodi descritti.
DESCRIZIONE DELLE FIGURE FIGURA 1: spettro FT-IR ATR per semi di ricino non raffinati
FIGURA 2: spettro FT-IR ATR per semi di jatropha non raffinati
FIGURA 3: spettro FT-IT ATR per soia non raffinata
FIGURA 4: spettro FT-IR ATR per semi di colza non raffinati
FIGURA 5: confronto degli spettri FT-IR ATR di semi di jatropha non raffinati e soia non raffinata
FIGURA. 6: spettro FT-IR ATR per soia non raffinata range 1200 - 1900cm<-1 >FIGURA 7: spettro FT-IR ATR per olio di soia
FIGURA 8: spettro FT-IR ATR per farina di soia sgrassata
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE
La presente invenzione riguarda una composizione per un bio-legante migliorato. Concretamente, una compostizone legante a base biologica comprendente:
a. un materiale biologico non raffinato;
b. un mezzo liquido;
c. un prepolimero reattivo;
nel quale il materiale biologico non raffinato ? scelto tra: semi oleaginosi, legumi, cereali, lievito, batteri, larve, alghe o una loro combinazione.
La composizione legante dell'invenzione ? senza aggiunta di formaldeide e a base biologica.
In particolare, il legante a base biologica ha un potenziale di riscaldamento globale inferiore a 1,7 kg di CO2-eq per kg di peso della sostanza secca del bio-legante; e nello specifico, il legante ha un GWP negativo.
Un aspetto dell'invenzione il legante a base biologica ? completamente biodegradabile.
Sotto un aspetto preferito, per il materiale biologico non raffinato sono stati scelti semi oleaginosi tra: semi di jatropha, semi di soia, semi di camelina, semi di ricino, semi di cotone, semi di lino, semi di jojoba, semi di mahua, semi di mais, semi di neem, semi di pongamia, semi di colza, semi di girasole, semi di cardo o una loro combinazione.
Pi? preferibilmente detto materiale biologico non raffinato ? semi di jatropha, i semi di ricino, i semi di colza, i semi di soia o una loro combinazione.
Sorprendentemente, ? stato trovato che la miscela di materiale biologico non raffinato pu? ridurre i dosaggi di pMDI o di urea-formaldeide altrimenti utilizzati per fabbricare pannelli di fibre EN-312 P2 e/o P3 senza compromettere la produttivit? della linea di produzione dei pannelli di fibre. Ancora pi? sorprendentemente si ? scoperto che non era necessaria alcuna ulteriore aggiunta, quando si utilizza una tale miscela, per soddisfare i criteri di resistenza all'umidit?, n? ? necessario alcun agente distaccante mirato per il pMDI durante l'esecuzione della produzione.
La Jatropha curcas (J. curcas) ? una coltura non commestibile, resiliente alla siccit? e nota per la produzione di biocarburanti, per il ripristino del suolo in aree semi-aride e per il suo potenziale di assorbimento del carbonio. Baumert (2014) insegna che le variet? spontanee di J. curcas, coltivate in aree semi-aride mediante l'applicazione di sistemi di intervento di gestione inter-colturale, che producono 1 tonnellata di semi oleaginosi di J. curcas per ettaro all'anno, hanno un assorbimento di carbonio totale di circa 4 kg di CO2 per kg di semi. I recenti sviluppi verso le variet? domestiche, quindi le piante di J. curcas geneticamente migliorate che producono pi? biomassa per area coltivata, accompagnate da misure di gestione sostenibile del territorio (SLM) sono mezzi per ampliare ulteriormente il potenziale di assorbimento del carbonio da parte della J. curcas. Pertanto, la coltivazione di J. curcas in aree semi-aride ? considerata un mezzo per mitigare i cambiamenti climatici, una strategia di mitigazione che pu? essere sfruttata ancora di pi? quando si utilizzano semi oleaginosi di J. curcas in leganti a base biologica che altrimenti sarebbero derivati da colture commestibili che utilizzano terra coltivabile.
I semi oleaginosi di J. curcas sono spesso processati per mezzo di estrusori meccanici convenzionali che producono olio e una sostanza solida (press cake) che consiste principalmente di gusci, proteine e olio residuo. In passato, i progetti relativi alla coltivazione di J. curcas su scala industriale erano spesso abbandonati a causa di applicazioni industriali limitate riguardanti i suoi sottoprodotti, vale a dire sostanze solide ricche di proteine, causate dalla presenza di fattori antinutrizionali. Da allora, sono state condotte ricerche significative sul miglioramento degli aspetti nutrizionali delle frazioni recuperabili di semi oleaginosi di J. curcas e sull'esplorazione delle vie di valorizzazione per ciascuna frazione costituente, ovvero la frazione oleosa, quella proteica, la frazione di emicellulosa e quella lignocellulosica, applicando diversi metodi di lavorazione dei semi oleaginosi.
Oltre all'impiego di estrusori meccanici convenzionali, vengono anche utilizzati i solventi organici per la lavorazione di semi J. curcas, ovvero solo il nocciolo di semi, per recuperare olio e un coprodotto noto come farina di semi oleaginosi sgrassata. Tuttavia, l'utilizzo di tale metodo presenta numerosi inconvenienti relativi a problemi di sicurezza quali l'infiammabilit? e intrinsecamente la poca ecocompatibilit?.
La composizione legante della presente invenzione evita gli inconvenienti sopra indicati, fornendo la coesione a freddo (cold tack), distaccamento del pannello dalle piastre metalliche, valorizzando al contempo una coltura che pu? crescere in circostanze marginali. L'uso di J. curcas ? un'alternativa molto valida all'uso di materiale commestibile che ha destinazioni pi? nobili, come l'alimentazione umana e animale.
La composizione legante ? doppiamente utile, non solo consente di evitare gli effetti avversi della presenza di formaldeide interna, ma offre anche vantaggi nel mitigare le avversit? climatiche.
Nella composizione descritta, il materiale biologico ? preferibilmente un materiale biologico non raffinato sminuzzato e avente una dimensione delle particelle tra 1 micron a circa 300 micron, o tra 10 micron a circa 200 micron.
Per sminuzzamento si intende che il materiale biologico viene disgregato per avere un aspetto pastoso o simile a una farina. Questa procedura non raffina il materiale biologico n? modifica in modo significativo la sua composizione.
Inoltre, il materiale biologico non raffinato della composizione legante ? stato parzialmente o completamente decorticato.
Con decorticamento completo si intende che il guscio del seme viene rimosso. In un successivo processo, il materiale biologico non raffinato della composizione legante ? stato parzialmente disoleato rimuovendo non pi? del 50% del contenuto lipidico del materiale biologico stesso.
Il materiale biologico non raffinato ? stato parzialmente o completamente sottoposto a trattamenti che, sostanzialmente, non modificano la sua composizione originale in termini di contenuto lipidico e proteico, come ad esempio il trattamento termico, il trattamento enzimatico, trattamenti ad ultrasuoni, microonde, cavitazione o una loro combinazione. Con questo, si intende che l'assorbanza dello spettro FTIR del materiale biologico in termini di lipidi e proteine sia modificato al massimo del 50%, preferibilmente del 30% e pi? preferibilmente del 10%.
Sotto un altro aspetto preferito, nella composizione dell'invenzione, il materiale biologico non raffinato comprenda una o pi? delle seguenti caratteristiche:
i. un picco pronunciato per COOH acidi grassi C=O tra 1725 cm<-1 >e 1710 cm<-1>; ii. un picco pronunciato per triacilglicerolo C=O tra circa 1750 cm<-1 >e 1740 cm<-1>; iii. un picco pronunciato per catene di idrocarburi C-H tra circa 2950 cm<-1 >e 2850 cm<-1>;
iv. un picco pronunciato per lipidi insaturi =C-H tra circa 3015 cm<-1 >e 3005 cm<-1>;
come determinato dalla tecnica di spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) associata alla tecnica di Riflettanza Totale Attenuata (FTIR-ATR).
Inoltre, il materiale biologico non raffinato comprende una o pi? delle seguenti caratteristiche:
i. un picco pronunciato per COOH acidi grassi C=O tra 1725 cm<-1 >e 1705 cm<-1 >che presenta un'assorbanza di almeno 0,02;
ii. un picco pronunciato per triacilglicerolo C=O tra circa 1750 cm<-1 >e 1740 cm<-1 >che presenta un'assorbanza di almeno 0,06;
iii. un picco pronunciato per catene di idrocarburi C-H tra circa 2950 cm<-1 >e 2850 cm<-1 >che presenta un'assorbanza di almeno 0,08 ed ? pi? marcata della banda ammide N-H tra 3350 cm<-1 >e 3250 cm<-1>;
iv. un picco pronunciato per lipidi insaturi =C-H tra circa 3015 cm<-1 >e 3005 cm<-1 >che presenta un'assorbanza di almeno 0,02;
come determinato dalla spettroscopia infrarossa con trasformata di Fourier a stato solido ? associata alla tecnica di Riflettanza Totale Attenuata (FTIR-ATR).
In un aspetto specifico, nel caso in cui la composizione del bio-legante non presenti picchi tra circa 1725 cm<-1 >e 1705 cm<-1 >o circa 1750 cm<-1 >e 1740 pi? alti del picco tra circa 1650-1620, come determinato da spettroscopia infrarossa con trasformata di Fourier a stato solido - Riflettanza Totale Attenuata (FTIR-ATR), il mezzo liquido comprende almeno un lipide.
Preferibilmente, nella composizione dell'invenzione, la materia biologica non raffinata costituisce tra l?1% ed il 90% circa del peso secco del legante.
Pi? preferibilmente, nella composizione dell'invenzione il mezzo liquido ? un lipide, acqua o una loro miscela, in cui il mezzo liquido ? olio di camelina, olio di mais, olio di colza, olio di semi di girasole, olio di jatropha, olio di soia o una loro combinazione.
Il mezzo liquido della composizione pu? essere una miscela comprendente un olio vegetale e acqua in un rapporto che va da 6:1 a 1:6, preferibilmente da 5:1 a 1:5, e pi? preferibilmente da 2:1 a 1:3.
Il mezzo liquido pu? essere presente da circa il 10% (w/w o in massa) a circa il 90% (w/w) della composizione legante liquido.
Preferibilmente, nella composizione dell'invenzione, il prepolimero reattivo ? un prepolimero a base di isocianato, un prepolimero a base di poli (amidoammina) o un prepolimero a base di aldeide o una loro miscela.
Pi? preferibilmente il prepolimero reattivo della composizione ?:
- difenilmetano diisocianato polimerico (pMDI),
- poli (amidoammina) -epicloroidrina (PAE), oppure
- un prepolimero a base di aldeide selezionato tra urea-formaldeide (UF), ureamelamina-formaldeide (UmF), melamina-urea-formaldeide (MUF), o una loro miscela.
In un'ulteriore forma di realizzazione la composizione legante comprende inoltre un composto idrossifunzionale scelto tra glicerina, polisaccaridi, oligosaccaridi, monosaccaridi o una loro combinazione, preferibilmente i composti idrossifunzionali sono: zuccheri, preferibilmente destrosio monoidrato o sciroppi, preferibilmente sciroppo di mais con contenuto di destrosio in un intervallo tra lo 0,1% ed il 100% del peso secco.
La composizione del legante pu? comprendere inoltre:
- un agente di riduzione della viscosit?; preferibilmente solfito di ammonio, solfito di litio, solfito di potassio, metabisolfito di sodio, solfito di sodio, o una loro combinazione;
- un agente antischiuma, un deschiumante o una loro combinazione; preferibilmente l'agente antischiuma ? un alcol etossilato o un alcol propossilato e il deschiumante ? un etossilato di acidi grassi, o una loro combinazione;
- un agente ritardante di fiamma.
La composizione legante dell'invenzione ha preferibilmente una o pi? delle seguenti caratteristiche sul peso secco:
i. materiale biologico non raffinato presente da circa l'1% a circa il 95% (w/w) della composizione legante;
ii. mezzo lipidico presente da circa l'1% a circa il 95% (w/w) della composizione legante;
iii. prepolimero reattivo presente da circa l'1% a circa il 95% (w/w) della composizione legante;
iv. composto idrossifunzionale presente da circa l'1% a circa il 150% (w/w) del materiale biologico sminuzzato;
v. riduttore di viscosit? presente da circa 0,1% a circa 2% (w/w) del materiale biologico sminuzzato;
vi. agente antischiuma, agente deschiumante o loro combinazioni presenti da circa 0,001% a circa 1% (w/w) del materiale biologico sminuzzato.
La presente invenzione riguarda, inoltre, un metodo per produrre una composizione legante a base biologica comprendente le seguenti fasi:
a. miscelare un materiale biologico non raffinato con un mezzo liquido per ottenere uno slurry;
b. mescolare lo slurry del passaggio a. con un prepolimero reattivo;
c. ottenere il legante a base biologica,
in cui:
- il materiale biologico non raffinato ? scelto tra: semi oleaginosi, legumi, cereali, lievito, batteri, larve, alghe o una loro combinazione;
- il mezzo liquido viene scelto tra un lipide, acqua o una loro miscela; e
- il prepolimero reattivo ? scelto tra un prepolimero a base di isocianato, un prepolimero a base di poli (amidoammina) o un prepolimero a base di aldeide o una loro miscela;
e in cui un composto idrossifunzionale scelto tra glicerina, polisaccaridi, oligosaccaridi, monosaccaridi o una loro combinazione pu? essere facoltativamente aggiunto alla fase a. o alla fase b.
Nel metodo per produrre una composizione legante a base biologica:
- il materiale biologico non raffinato viene sminuzzato prima, durante o dopo essere stato miscelato con il mezzo liquido o il prepolimero reattivo, oppure
- il materiale biologico non raffinato viene sminuzzato prima, durante o dopo essere stato miscelato con il prepolimero reattivo.
In un aspetto preferito del metodo, il prepolimero reattivo, il materiale biologico non raffinato e il mezzo liquido vengono alimentati separatamente in un miscelatore statico, dinamico o combinato (statico e dinamico) in linea, prima di spruzzare il legante a base biologica su un substrato.
Preferibilmente, nel metodo per produrre una composizione legante a base biologica, il prepolimero reattivo nel legante a base biologica della fase c. ha le dimensioni di una goccia tra i 20 micron e i 200 micron.
Inoltre, la presente invenzione riguarda un metodo per incollare un primo articolo ad almeno un secondo articolo per ottenere un prodotto incollato comprendente: a. applicare la composizione legante dell'invenzione su una superficie di un primo articolo per ottenere una superficie di incollaggio; e
b. mettere in contatto la superficie di incollaggio del primo articolo con una superficie di almeno un secondo articolo; e
c. indurire il legante.
Nel presente metodo per incollare, il legante viene preferibilmente indurito (polimerizzato) applicando pressione, calore o una combinazione di questi.
Preferibilmente, il primo e almeno il secondo articolo sono ciascuno un materiale scelto indipendentemente tra: un materiale lignocellulosico, un materiale composito contenente: un materiale lignocellulosico, un metallo, una ceramica, un polimero, una plastica, un tessuto, un vetro o una loro combinazione, in cui detto materiale lignocellulosico ? preferibilmente il legno.
Sotto ancora un altro aspetto, l'invenzione descrive un prodotto incollato ottenibile con il metodo per incollare un primo articolo ad almeno un secondo articolo, in cui: a. il primo e il secondo articolo sono scelti dal gruppo consistente in un materiale lignocellulosico, un materiale composito contenente: un materiale lignocellulosico, una ceramica, un polimero, una fibra di vetro, una fibra di legno, una polvere di ceramica, una plastica, un tessuto, un vetro, o una loro combinazione; e
b. il legante indurito ha un peso compreso tra l'1% e il 30% del peso secco del prodotto.
ESEMPI
Viene fatto ora riferimento ai seguenti esempi che, insieme alle descrizioni di cui sopra, illustrano alcune forme di realizzazione dell'invenzione.
Pannello truciolare preparato da leganti su scala di laboratorio
Se non diversamente specificato, la densit? del campione di pannello truciolare ? stata impostata a 680 kg/m<3 >e le dimensioni a 300 x 300 x 18 mm. ? stata usata una miscela di fibre di legno riciclato, con un contenuto di umidit? di circa il 2% ed un rapporto tra strato esterno ed interno di 35:65. Per ciascun campione ? stata applicata la seguente procedura: pesare le fibre per lo strato esterno al grammo pi? vicino e caricare le fibre in un miscelatore rotante. Pesare il legante in modo tale che la quantit? necessaria di legante sia dosata sulle fibre usate per lo strato esterno del pannello truciolare. Continuare a miscelare le fibre con il legante, dopo aver spruzzato o versato la quantit? desiderata di legante, per almeno 4 minuti per garantire che il legante venga distribuito uniformemente sulle fibre. Rimuovere le fibre resinate e porle in un contenitore pulito. Ripetere lo stesso processo per lo strato interno. Per entrambe le fibre resinate, ovvero per lo strato esterno e per lo strato interno, prelevare dei campioni per un'analisi di umidit? per calcolare l?umidit? complessiva del materasso. Spargere met? della quantit? delle fibre resinate dello strato esterno in una scatola di formatura che ? stata posta su una piastra di metallo ricoperta da un foglio di alluminio, avente almeno l?area superficiale delle dimensioni del campione che deve essere ottenuto. Avere cura di distribuire le fibre uniformemente sulla piastra di metallo per evitare qualsiasi problema in merito alla distribuzione di densit? nel campione di pannello truciolare. Distribuire uniformemente tutte le fibre di strato interno sullo strato esterno precedentemente assemblato e completare la procedura distribuendo uniformemente le fibre di strato esterno rimanenti. Usare un pannello di compensato avente dimensioni leggermente inferiori rispetto alla scatola di formatura per comprimere manualmente verso il basso il materasso formato e mantenerlo fermamente in posizione per 10 secondi. Rimuovere la scatola di formatura mantenendo la pressione sul pannello di compensato per esporre il materasso. Rimuovere il pannello di compensato, mettere un altro supporto distaccante (foglio di alluminio) e applicare un?altra piastra di metallo sopra al materasso. Porre il materasso cos? formato sull?area di carico della pressa e posizionare delle barre di metallo di supporto sul lato del materasso che abbiano lo spessore desiderato del pannello da ottenere. Verificare che la temperatura di pressa in corrispondenza della superficie delle piastre riscaldanti sia 200 gradi Celsius. Chiudere immediatamente la pressa dopo il carico e iniziare il ciclo di pressatura. Il ciclo di pressatura applica una pressione di 40 kg/cm<2 >sul materasso e mantiene questa pressione fino a che una temperatura di 105? C viene raggiunta nello strato interno del materasso, misurata mediante una termocoppia precedentemente posta nello strato interno. Al momento del raggiungimento della temperatura, viene avviata una fase di degassamento riducendo la pressione per rilasciare l?umidit? in eccesso. Dopodich?, la pressa ? nuovamente riportata in pressione per una durata che combacia con il fattore di pressa desiderato. Rimuovere il pannello dalla pressa, rimuovere le piastre di metallo e i fogli di alluminio, conservare i campioni prodotti in una stanza a condizioni ambientali controllate e tagliare e testare campioni secondo i requisiti EN-312 P2 ed EN-312 P3.
ESEMPIO 1: Preparazione di leganti a base di ricino, jatropha curcas, semi di colza e semi di soia
I semi di ricino, jatropha, colza e soia sono stati franti separatamente. Prima della comminuzione, i semi di ricino e jatropha sono stati parzialmente decorticati, ovvero separati in una frazione di guscio e una frazione di nocciolo (con il 10% di gusci residui). I semi di colza e di soia sono stati franti senza alcun pretrattamento. Ogni lotto di semi oleaginosi ? stato franto da un frangitore a martelli modificato derivato dal settore dell?olio d?oliva, la cui griglia aveva fori di 1,5 mm di diametro. La temperatura del materiale biologico triturato ottenuto, cio? il materiale biologico dopo la frangitura, che pu? essere una pasta piuttosto che un materiale secco simile alla farina, a seconda del contenuto di acqua e/o olio del materiale biologico di partenza, era nell'intervallo di 30-70?C.
? stata ottenuta una consistenza simile alla pasta con la frangitura di semi di ricino, di jatropha e di colza, mentre con la frangitura di semi di soia ? stato ottenuto un materiale farinoso. Le composizioni dei prodotti franti sono riportate nella tabella 1 di seguito.
Tabella 1: Composizione delle frazioni di semi oleaginosi.
I campioni di semi oleaginosi non raffinati sono stati analizzati mediante Spettrofotometria infrarossa in riflettanza totale attenuata allo stato solido (FTIR-ATR), con lo strumento Perkin Elmer Spectrum (versione 10.5.3). Le figure 1-7 mostrano rispettivamente lo spettro FTIR-ATR per:
Semi di ricino non raffinati (Figura 1), Semi di jatropha non raffinati (Figura 2), Semi di soia non raffinati (Figura 3), Semi di colza non raffinati (Figura 4), Semi di jatropha non raffinati e soia non raffinata (Figura 5), Semi di soia non raffinati tra 1200 e 1900 cm<-1 >(Figura 6) e Olio di soia (Figura 7).
Come si pu? vedere dagli spettri IR, in cui l'assorbanza viene misurata in unit? arbitrarie (AU) e la frequenza in cm<-1>, la natura non raffinata del seme oleaginoso ? evidente quando si confronta con una farina di soia disoleata (Figura 8) poich? ? presente un picco pronunciato dato dal triacilglicerolo C=O tra circa 1750 cm<-1 >e 1740 cm<-1 >con un'assorbanza di almeno 0,06; un notevole picco dato dalle catene di idrocarburi C-H, tra circa 2950 cm<-1 >e 2850 cm<-1 >presenta un'assorbanza di almeno 0,08 ed ? pi? pronunciato del picco ammide N-H tra 3350 cm<-1 >e 3250 cm<-1>; infine, il picco dato dai lipidi insaturi =C-H tra circa 3015 cm<-1 >e 3005 cm<-1 >presenta un'assorbanza di almeno 0,02.
I semi franti senza pretrattamento (soia e colza) e i semi franti con parziale decorticazione (ricino e jatropha) cos? ottenuti, sono stati divisi in diversi lotti per poi essere miscelati con acqua, olio, zuccheri o una loro combinazione, rispettivamente sezione a), sezione b) e sezione c) come descritto nei prossimi paragrafi.
a) Mezzo acquoso:
Ciascuno dei materiali da frangitura di semi oleaginosi ? stato mescolato con acqua per ottenere uno slurry fino a raggiungere un contenuto solido finale del 32,5%.
I codici delle miscele sono identificati nelle seguenti tabelle 2a, 2b e 2c.
Tabella 2a
b) Mezzo oleoso:
Il materiale sminuzzato ottenuto da semi di soia ? stato miscelato con una quantit? predefinita di olio di jatropha, in modo tale che dopo la dispersione del materiale sminuzzato di soia si ottenesse un prodotto pompabile. La quantit? di olio utilizzata per rendere fluido il materiale di soia sminuzzato ? data da un rapporto di 4:3 rispettivamente kg di olio per kg di soia. Il contenuto solido dello slurry ottenuto ? di circa il 95%. Prima di mescolare lo slurry con un prepolimero reattivo, lo slurry viene dispersa in una quantit? di acqua necessaria ad ottenere un contenuto solido del 42,5%. ? stato osservato che la dispersione dello slurry composto da soia franta e olio in acqua era pi? conveniente rispetto alla dispersione della sola farina di soia in acqua.
Tabella 2b
c) Aggiunta di zuccheri allo slurry:
Le miscele ottenute (slurry), rispettivamente la pasta di Jatropha dispersa in acqua con un contenuto solido del 32,5% e la farina di soia dispersa in olio (slurry o miscela di olio e soia) con un contenuto solido del 95%, sono state miscelate con una soluzione di zucchero. La soluzione di zucchero utilizzata ? una quantit? predefinita di destrosio monoidrato disciolta in acqua in modo tale che, mescolando la soluzione di zucchero con la miscela, si ottenesse un contenuto solido finale del 45%. La miscela di jatropha, come descritto nella sezione c), ? stata mescolata con una soluzione di zucchero con un contenuto solido del 65% mentre la miscela di olio e soia, come descritto nella sezione b), ? stata mescolata con una soluzione di zucchero con un contenuto solido del 16,5%. Il rapporto utilizzato tra i solidi dello zucchero e i solidi della miscela ? 0,9:1 e 0,3:1 rispettivamente per la miscela di jatropha e la miscela di olio e soia.
Tabella 2c
Con le miscele ottenute come sopra a), b) e c), ovvero S1, S2, S3, S4, S4-O, S2-sug e S4-O-sug delle tabelle, 2a, 2b e 2c, i leganti sono preparati mescolando ciascuna miscela separatamente con un pMDI disponibile in commercio. Ai fini della miscelazione, sono stati preparati dei beakers in cui il pMDI ? stato aggiunto alla miscela secondo diversi rapporti che vanno da circa 3:1 a circa 1:3,3 in peso secco, rispettivamente per le resine utilizzate nello strato interno ed in quello esterno. Dopo l?aggiunta di pMDI alla miscela, il composto ? stato mescolato vigorosamente per ottenere un composto omogeneo in cui non erano pi? osservabili gocce di isocianato, cio? con dimensioni delle gocce nell'intervallo da circa 20 micron a circa 200 micron. Tutti i leganti preparati, ottenuti dalla miscelazione delle varie miscele con pMDI, hanno prodotto miscele stabili e applicabili nell?arco di circa 30 minuti fino a oltre 2 ore.
ESEMPIO 2: Preparazione di pannelli truciolari da miscele (slurry) con pMDI I pannelli truciolari sono stati prodotti secondo la metodologia descritta. Per ciascun pannello, il pMDI ? stato premiscelato con la miscela (slurry) in modo tale che, versando il legante sulle fibre di legno, si raggiungesse il dosaggio di solidi pMDI, nonch? solidi della miscela, desiderato. La percentuale di dosaggio rappresenta la quantit? di legante nello strato di truciolare su peso secco dopo l'indurimento. Il contenuto di umidit? delle fibre al termine della fase di resinatura per ciascun materasso prodotto ? di circa il 3,5% e l'11,5% rispettivamente per lo strato interno ed esterno, con aggiunta di acqua se necessaria. Dopo l'indurimento, i pannelli sono stati testati per ottenere le propriet? meccaniche di resistenza allo strappo e trazione superficiale. Le composizioni leganti utilizzate e il loro relativo dosaggio sulle fibre di legno sono riportati nella tabella 3 seguente.
Tabella 3: dosaggio secco su secco di resina sul legno, per i pannelli truciolari prodotti.
Per quanto riguarda i leganti utilizzati per fabbricare lo strato interno del pannello truciolare, ? stata utilizzata acqua per diluire il legante e renderlo sufficientemente fluido ad essere versato o spruzzato sulle fibre di legno.
I campioni sono stati tagliati e testati dopo la stabilizzazione dei pannelli. I risultati di questi test sono riportati nella tabella 4 di seguito.
Tabella 4: risultati dei pannelli a base di pMDI.
Dai pannelli prodotti risulta evidente che la combinazione di pMDI con materiale non raffinato di semi oleaginosi produce pannelli con caratteristiche meccaniche conformi ai criteri EN-312 P2. ? stato osservato che quando si utilizzavano miscele con un significativo contenuto lipidico, il pannello, cio? il composito, senza applicare alcun foglio di alluminio che aiutasse il distaccamento, era facile da staccare dalle piastre metalliche. In particolare, per la jatropha (S2) ? stato ottenuto un buon distaccamento del pannello senza ulteriore aggiunta di olio mentre per la soia (S4) il composito ? rimasto attaccato alle piastre metalliche. Tuttavia, con l'utilizzo di semi di soia dispersi nell'olio (S4-O) questo problema non ? stato riscontrato.
Risulter? evidente alla persona esperta il vantaggio di utilizzare i leganti a base biologica non raffinati in combinazione con il pMDI, poich? quest'ultimo ? ben noto per non facilitare il distaccamento del composito dai piani metallici della pressa a caldo a meno che non si utilizzino agenti distaccanti dedicati al pMDI.
Esempio 3: Preparazione di pannelli truciolari da miscele con PAE per gli strati esterni
I pannelli truciolari sono stati prodotti secondo la metodologia descritta. Il pMDI ? stato utilizzato per lo strato interno mentre per gli strati esterni ? stata utilizzata una miscela contenente una poli-amidoammina-epicloroidrina (PAE) disponibile in commercio, con un contenuto solido di circa il 25%, con la miscela S2-sug con un contenuto solido del 45%. La percentuale di dosaggio rappresenta la quantit? di legante nel pannello su peso secco. Prima della resinatura delle fibre, il contenuto di umidit? ? stato regolato, se necessario, al 3,5% e all'11,5% rispettivamente per lo strato interno ed esterno, mediante aggiunta di acqua. La composizione del legante utilizzata e il dosaggio relativo sulle fibre di legno sono riportati nella tabella 5 di seguito.
Tabella 5: dosaggio di resina in termini secco su secco del pannello.
Dopo la stabilizzazione dei pannelli preparati, i campioni sono stati tagliati e testati. I risultati di questi test sono riportati nella tabella 6 di seguito.
Tabella 6: risultati dei pannelli con strato esterno a base di PAE secondo lo standard EN-312
Esempio 4: Pannelli truciolari preparati industrialmente con leganti derivati da Jatropha curcas
Circa 1200 kg di semi di Jatropha curcas sono stati parzialmente decorticati per ottenere una frazione sgusciata. Circa 800 kg di semi J. curcas parzialmente decorticati sono stati franti con un frangitore a martelli da 15 kW in un materiale biologico sminuzzato che in questo caso ha la consistenza di una pasta. La pasta ? stata diluita e mescolata con acqua per ottenere una miscela con un contenuto solido di circa il 38% in peso. La miscela ? stata quindi pompata in un miscelatore dinamico in linea per essere mescolato con un pMDI disponibile in commercio. Il miscelatore dinamico in linea ? stato utilizzato per mescolare la miscela con il pMDI sia per lo strato interno che per quelli esterni del pannello truciolare e i suoi dosaggi sono riportati nella tabella 7 seguente.
Tabella 7: Dosaggio di pMDI e miscela sulle fibre di legno per lo strat interno ed esterno del pannello truciolare.
Le fibre di legno derivavano da legno riciclato ed avevano un contenuto di umidit? dell'1,5% che ? stato regolato al 3,5% per lo strato interno e all'11,5% per lo strato esterno prima del dosaggio del legante. Le portate sono state impostate a valori tali da produrre pannelli truciolari con una densit? di 680 kg/m<3 >per i quali sono stati applicati pi? fattori di pressa, rispettivamente 7, 6 e 5 secondi per millimetro, i cui effetti sulle prestazioni dei pannelli sono riportati nella tabella 8 seguente.
Tabella 8: Prestazioni dei pannelli truciolari secondo le specifiche di prova EN-312 a differenti fattori di pressa.
Non sono stati utilizzati agenti distaccanti specifici per pMDI.
Non ? stata osservata alcun accumulo di materiale nella pressa dato da incollaggio su parti metalliche, utilizzando la composizione del legante come da tabella 7, durante la produzione continua durata per pi? di sei ore.
Il potenziale di riscaldamento globale (GWP) del legante a base biologica comprendente semi di jatropha ? stato stimato tra circa -10 e -30 kg di CO2-eq per m<3 >di pannello truciolare. In confronto, il GWP del legante melamina-ureaformaldeide ? nell'intervallo di 150 kg di CO2-eq per m<3 >di pannello (Wilson, 2009).
Esempio 5: Preparazione del pannello truciolare da miscele con aggiunta di zuccheri in combinazione con prepolimeri privi di formaldeide.
? stato prodotto un pannello truciolare secondo la metodologia descritta. Per ciascun pannello, ? stato utilizzato il pMDI nello strato interno, mentre per gli strati esterni ? stata utilizzata una resina a base PAE disponibile in commercio. La composizione finale del legante a base biologica comprende destrosio monoidrato, PAE e semi di soia sminuzzati, secondo il rapporto mostrato nella tabella 9 di seguito.
Tabella 9: Composizione legante applicata agli strati esterni del pannello truciolare Il legante ottenuto ? stato spruzzato sulle fibre di legno. Le percentuali di dosaggio rappresentano la quantit? di legante nello strato di truciolare su base secca dopo l?indurimento del legante. Dopo la resinatura delle fibre, l?umidit? ? stata regolata aggiungendo acqua, dove necessario, al 6 % e al 12,0 % per lo strato interno e quello esterno rispettivamente. La composizione e il dosaggio del legante utilizzato sono fornite nella tabella 10 sotto, dove BIO rappresenta il dosaggio in temini di solidi della combinazione di semi di soia franti e destrosio monoidrato.
Tabella 10: dosaggio della resina secco su secco nel pannello prodotto.
? stato osservato che le fibre resinate dello strato esterno presentavano una quantit? significativa di coesione a freddo (cold tack), paragonabile alle fibre resinate che utilizzano resine UF.
Dopo la stabilizzazione del pannello cos? preparato, i campioni sono stati tagliati e testati. I risultati di questi test sono riportati nella tabella 11 seguente.
Tabella 11: prestazioni del pannello a base PAE secondo i requisiti di prova EN-
312
Esempio 6: Pannello truciolare preparato industrialmente con legante derivato da semi oleaginosi di soia
Circa 400 kg di semi di soia sono stati franti per ottenere una farina che ? stata successivamente dispersa con circa 550 kg di olio di J. curcas per ottenere una miscela. La miscela aveva un contenuto in solidi di circa il 96%. La miscela ? stata quindi dispersa in un mezzo acquoso rappresentato da una soluzione di zucchero al 15% (destrosio monoidrato sciolto in acqua) in modo tale che il contenuto solido finale della miscela fosse circa 45%. Successivamente la miscela ? stata fatta passare attraverso un frangitore a martelli da 15 kW per ottenere un prodotto omogeneo. La miscela ? stata quindi pompata in un miscelatore dinamico in linea dove ? stato mescolato con un pMDI disponibile in commercio. I dosaggi utilizzati per gli strati interno ed esterno sono riportati nella tabella 12.
Tabella 12: Dosaggio di pMDI e miscela sulle fibre di legno per lo strato interno ed <esterno del pannello truciolare.>
Le fibre di legno provenivano da legno riciclato e avevano un contenuto di umidit? dell'1,5%. Non ? stata aggiunta acqua addizionale alle fibre dello strato interno, mantenendone il contenuto di umidit? a circa il 3,3%, mentre per lo strato esterno, ? stata aggiunta acqua prima di aggiungere il legante mirando a un contenuto di umidit? finale, inclusa l'umidit? fornita dal legante utilizzato, di circa l'11,5%. Le portate sono state impostate a valori tali da produrre pannelli truciolari con una densit? di 680 kg/m<3 >per i quali sono stati applicati fattori di pressa di 7 e 5 secondi per millimetro. Le prestazioni dei pannelli prodotti nella sperimentazione industriale sono riportate nella tabella 13 di seguito.
Tab ella 13: Prestazioni del pannello truciolare secondo le procedure di test dello standard EN-312 a differenti fattori di pressa
Non sono stati utilizzati agenti distaccanti specifici per pMDI.
Non ? stata osservata alcun accumulo di materiale nella pressa dato da incollaggio su parti metalliche, utilizzando la composizione del legante come da tabella 13, durante la produzione continua durata per pi? di sei ore.
Il potenziale di riscaldamento globale (GWP) del legante a base biologica utilizzato per la produzione di pannelli truciolari ? stato stimato nell'intervallo tra circa 15 e 30 kg di CO2-eq per m<3 >di pannello truciolare. In confronto, il GWP del legante melamina-urea-formaldeide ? nell'intorno di 150 kg di CO2-eq per m<3 >di pannello.
Esempio 7: Preparazione di pannello truciolare da slurry con UF
Un pannello truciolare ? stato fabbricato secondo la metodologia descritta. Per il pannello ? stato utilizzato un legante UF di classe di emissioni standard E1, con un contenuto solido del 68%, negli strati interno ed esterno in combinazione con lo slurry di jatropha S2 con un contenuto solido del 42,5%. I dosaggi utilizzati nello strato interno ed in quello esterno sono riportati nella tabella 14 seguente:
Tabella 14: Dosaggi sulle fibre di legno, in termini di peso secco (solidi) di legante su peso secco di legno, utilizzando prepolimeri reattivi a base di UF.
Lo slurry di Jatropha ? stata mescolata con il legante UF in modo tale che il legante facesse raggiungere il rapporto desiderato di UF rispetto alla miscela quando veniva versato sulle fibre. Il legante Jatropha-UF per lo strato centrale aveva un contenuto solido di circa il 60% e per lo strato superficiale, inclusa l'aggiunta di acqua, un contenuto solido di circa il 45%. Non ? stata aggiunta acqua aggiuntiva sulle fibre di legno prima o dopo la fase di resinatura. Il pannello ? stato pressato utilizzando un fattore di pressa di 8 sec/mm e, dopo essere stato stabilizzato, ? stato tagliato in un campione per testare la resistenza allo strappo, la trazione superficiale e il rigonfiamento secondo i requisiti P2 dello standard EN-312.
I risultati di queste prove sono riportati nella tabella 15 seguente.
Tabella 15: prestazioni dei pannelli a base UF secondo i requisiti di prova EN-312
Come si pu? notare, oltre il 30% della resina UF ? stata sostituita con materiale biologico non raffinato. Un vantaggio di tale legante biologico ? rappresentato dalle ridotte emissioni e dalla piena biodegradabilit?.
Dalla descrizione di cui sopra e dagli esempi sopra indicati, risulta evidente il vantaggio raggiunto dal prodotto descritto e ottenuto secondo la presente invenzione. Mentre l'invenzione ? stata descritta con riferimento a forme di realizzazione specifiche, ? evidente che altre forme di realizzazione e variazioni della presente invenzione possono essere concepite da altri esperti nel settore, senza discostarsi dal vero spirito e ambito dell'invenzione. Le rivendicazioni allegate devono essere intese ad includere tutte queste forme di realizzazione e variazioni equivalenti.
Claims (32)
- RIVENDICAZIONI 1. Una composizione legante a base biologica comprendente: a. un materiale biologico non raffinato; b. un mezzo liquido; c. un prepolimero reattivo; in cui detto materiale biologico non raffinato ? scelto tra: semi oleaginosi, legumi, cereali, lievito, batteri, larve, alghe o una loro combinazione.
- 2. La composizione secondo la rivendicazione 1, in cui detto materiale biologico non raffinato ? semi oleaginosi, scelti tra: semi di jatropha, semi di soia, semi di camelina, semi di ricino, semi di cotone, semi di lino, semi di jojoba, semi di mahua, semi di mais, semi di neem, semi di pongamia, semi di colza, semi di girasole, semi di cardo o una loro combinazione.
- 3. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 o 2, in cui detto materiale biologico non raffinato ? semi di jatropha, semi di ricino, semi di colza, semi di soia o una loro combinazione.
- 4. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui il materiale biologico non raffinato ? un materiale biologico non raffinato sminuzzato avente una dimensione delle particelle nell'intervallo da circa 1 micron a circa 300 micron, o da circa 10 micron a circa 200 micron.
- 5. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui il materiale biologico non raffinato utilizzato ? stato parzialmente o completamente sgusciato.
- 6. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui il materiale biologico non raffinato ? stato parzialmente disoleato rimuovendo non pi? del 50% del contenuto lipidico del materiale biologico non raffinato.
- 7. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui il materiale biologico non raffinato ? stato parzialmente o completamente sottoposto a trattamenti che non modificano sostanzialmente la sua composizione originale in termini di contenuto lipidico e proteico come trattamento termico, trattamento enzimatico, ultrasuoni, microonde, cavitazione o una loro combinazione.
- 8. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, in cui il materiale biologico non raffinato comprende una o pi? delle seguenti caratteristiche: i. un picco pronunciato per COOH acidi grassi C=O tra 1725 cm<-1 >e 1710 cm<-1>; ii. un picco pronunciato per triacilglicerolo C=O tra circa 1750 cm<-1 >e 1740 cm<-1>; iii. un picco pronunciato per catene di idrocarburi C-H tra circa 2950 cm<-1 >e 2850 cm<-1>; iv. un picco pronunciato per lipidi insaturi =C-H tra circa 3015 cm<-1 >e 3005 cm<-1>; come determinato dalla Spettrofotometria infrarossa in riflettanza totale attenuata allo stato solido (FTIR-ATR);
- 9. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, in cui il materiale biologico non raffinato comprende una o pi? delle seguenti caratteristiche: i. un picco pronunciato per COOH acidi grassi C=O tra 1725 cm<-1 >e 1705 cm<-1 >che presenta un'assorbanza di almeno 0,02; ii. un picco pronunciato per triacilglicerolo C=O tra circa 1750 cm<-1 >e 1740 cm<-1 >che presenta un'assorbanza di almeno 0,06; iii. un picco pronunciato per catene di idrocarburi C-H tra circa 2950 cm<-1 >e 2850 cm<-1 >che presenta un'assorbanza di almeno 0,08 ed ? pi? marcata della banda ammide N-H tra 3350 cm<-1 >e 3250 cm<-1>; iv. un picco pronunciato per lipidi insaturi =C-H tra circa 3015 cm<-1 >e 3005 cm<-1 >che presenta un'assorbanza di almeno 0,02; come determinato dalla Spettrofotometria infrarossa in riflettanza totale attenuata allo stato solido (FTIR-ATR);
- 10. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9, in cui il legante su peso secco comprende la materia biologica non raffinata in un intervallo da circa l'1% a circa il 90% (w/w).
- 11. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 10, in cui il mezzo liquido ? un lipide, acqua o una loro miscela.
- 12. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 11, in cui il mezzo liquido ? olio di camelina, olio di mais, olio di colza, olio di semi di girasole, olio di jatropha, olio di soia o una loro combinazione.
- 13. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 12, in cui il mezzo liquido ? una miscela comprendente un olio vegetale e acqua in un rapporto che varia da 6:1 a 1:6, preferibilmente da 5:1 a 1:5, e pi? preferibilmente da 2:1 a 1:3.
- 14. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 13, in cui il mezzo liquido ? presente da circa il 10% (w/w) a circa il 90% (w/w) della composizione di legante liquido.
- 15. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 14, in cui il prepolimero reattivo ? un prepolimero a base di isocianato, un prepolimero a base di (poli)amidoammina o un prepolimero a base di aldeide o una sua miscela.
- 16. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 15, in cui il prepolimero reattivo ? metilene-difenil-diisocianato polimerico (pMDI).
- 17. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 16, in cui il prepolimero reattivo ? poli-amidoammina-epicloroidrina (PAE).
- 18. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 17, in cui il prepolimero reattivo ? un prepolimero a base di aldeide selezionato tra ureaformaldeide (UF), urea-melamina-formaldeide (UmF), melamina-urea-formaldeide (MUF), o una loro miscela.
- 19. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 18, comprendente inoltre un composto idrossifunzionale selezionato tra glicerina, polisaccaridi, oligosaccaridi, monosaccaridi o una loro combinazione, preferibilmente i composti idrossifunzionali sono: zuccheri, preferibilmente destrosio monoidrato o sciroppi preferibilmente sciroppo di mais avente un contenuto di destrosio nell'intervallo dall'1% al 100% sul peso secco.
- 20. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 19, avente una o pi? delle seguenti caratteristiche sul peso secco: i. materiale biologico non raffinato presente da circa l'1% a circa il 95% (w/w) della composizione legante; ii. mezzo lipidico presente da circa l'1% a circa il 95% (w/w) della composizione legante; iii. prepolimero reattivo presente da circa l'1% a circa il 95% (w/w) della composizione legante; iv. composto idrossifunzionale presente da circa l'1% a circa il 150% (w/w) del materiale biologico sminuzzato; v. modificatore di viscosit? presente da circa 0,1% a circa 2% (w/w) del materiale biologico sminuzzato; vi. agente antischiuma, agente deschiumante o loro combinazioni presenti da circa 0,001% a circa 1% (w/w) del materiale biologico sminuzzato.
- 21. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 20, in cui il composto legante a base biologica ? un legante senza formaldeide aggiunta.
- 22. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 21, in cui il composto legante a base biologica ha un potenziale di riscaldamento globale GWP inferiore a 1,7 kg CO2-eq per kg di peso della sostanza secca del bio-legante.
- 23. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 22, in cui il composto legante a base biologica ha un potenziale di riscaldamento globale GWP negativo.
- 24. La composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 23, in cui il legante a base biologica ? completamente biodegradabile.
- 25. Un metodo per produrre un composto legante a base biologica comprendente le seguenti fasi: a. miscelare un materiale biologico non raffinato con un mezzo liquido per ottenere uno slurry; b. miscelare lo slurry del passaggio a. con un prepolimero reattivo; c. ottenere il legante a base biologica, in cui: - il materiale biologico non raffinato ? scelto tra: semi oleaginosi, legumi, cereali, lievito, batteri, larve, alghe o una loro combinazione; - il mezzo liquido viene scelto tra un lipide, acqua o una loro miscela; e - il prepolimero reattivo ? scelto tra un prepolimero a base di isocianato, un prepolimero a base di (poli)amidoammina o un prepolimero a base di aldeide o una loro miscela; e in cui un composto idrossifunzionale scelto tra glicerina, polisaccaridi, oligosaccaridi, monosaccaridi o una loro combinazione pu? essere facoltativamente aggiunto al passaggio a. o al passaggio b.
- 26. Il metodo secondo la rivendicazione 25, in cui il materiale biologico non raffinato viene sminuzzato prima, durante o dopo essere stato miscelato con il mezzo liquido o il prepolimero reattivo.
- 27. Il metodo secondo la rivendicazione 25 o 26, in cui il materiale biologico non raffinato viene sminuzzato prima, durante o dopo essere stato miscelato con il prepolimero reattivo.
- 28. Il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 25 a 27, in cui il prepolimero reattivo, il materiale biologico non raffinato e il mezzo liquido vengono alimentati separatamente in un miscelatore statico, dinamico o combinato statico e dinamico in linea, prima di spruzzare il legante a base biologica su un substrato.
- 29. Il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 25 a 28, in cui il prepolimero reattivo nel legante a base biologica del passaggio c. ha una dimensione di goccia da circa 20 micron a circa 200 micron.
- 30. Un metodo per incollare un primo articolo ad almeno un secondo articolo per ottenere un prodotto incollato comprendente: a. applicare il legante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 24 su una superficie di un primo articolo per ottenere una superficie legante; e b. mettere in contatto la superficie di incollaggio del primo articolo con una superficie di almeno un secondo articolo; e c. indurire il legante.
- 31. Il metodo secondo la rivendicazione 30, in cui il primo e almeno il secondo articolo sono ciascuno indipendentemente un materiale scelto dal gruppo costituito da: un materiale lignocellulosico, un materiale composito contenente un materiale lignocellulosico, un metallo, una ceramica, un polimero, una plastica, un tessuto, un vetro o una loro combinazione, in cui detto materiale lignocellulosico ? preferibilmente legno.
- 32. Un prodotto incollato ottenibile con il metodo secondo la rivendicazione 30 o 31, in cui: a. il primo e il secondo articolo sono scelti dal gruppo costituito da un materiale lignocellulosico, un materiale composito contenente un materiale lignocellulosico, una ceramica, un polimero, una fibra di vetro, una fibra di legno, una polvere di ceramica, una plastica, un tessuto e un vetro, o una loro combinazione; e b. Il legante indurito ha un peso compreso tra l'1% e il 30% del peso secco del prodotto.
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