JP2014525488A - 炭水化物ベースの結合剤系およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、炭水化物成分およびアミン成分を含む、水性炭水化物ベースの結合剤組成物であって、この炭水化物成分が１種以上の五炭糖糖類を含む組成物、ならびにその製造の方法に関する。例えば、本発明により、炭水化物成分（ａ）およびアミン成分（ｂ）を含む水性結合剤組成物であって、ここで、該炭水化物成分（ａ）が、該炭水化物成分（ａ）全体の質量を基準として、合計量で３〜７０質量％の１種以上の五炭糖を含む、組成物が提供される。
Description
本発明は、炭水化物成分およびアミン成分を含む、水性炭水化物ベースの結合剤組成物であって、この炭水化物成分が１種以上の五炭糖糖類を含む組成物、ならびにその製造の方法に関する。
結合剤は、一般に、組み立てられていない物質または粗く組み立てらされた物質に基づく物品の製作に有用である。例えば、結合剤は、（例えば、熱処理されると硬化される熱硬化性結合剤組成物の形態の）固結繊維（ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ ｆｉｂｅｒｓ）を含む製品の製造に広範囲に使用される。そのような熱硬化性結合剤組成物の例としては、様々なフェノール−アルデヒド、尿素−アルデヒド、メラミン−アルデヒド、ならびにフランおよびポリウレタン樹脂のような他の縮合重合材料が挙げられる。フェノール−アルデヒド、レゾルシノール−アルデヒド、フェノール／アルデヒド／尿素、フェノール／メラミン／尿素などをベースとする結合剤組成物は、繊維、テキスタイル、プラスチック、ゴムおよび他の多くの材料を結合するために頻繁に使用される。
ミネラルウールおよびファイバーボード産業は、歴史的に、その製品にフェノールホルムアルデヒド結合剤を使用してきた。フェノールホルムアルデヒド結合剤は、最終製品に適切な特性を与え、容易に入手可能であり、加工が容易である。しかしながら、環境への配慮によって、例えば、炭水化物を多重プロトン酸と反応させることによって得られる炭水化物ベースの結合剤（特許文献１（国際公開第２００９／０１９２３５号）参照）、またはポリカルボン酸をポリオールと反応させることにより得られるエステル化生成物（特許文献２（米国特許出願公開第２００５／０２０２２２４号）参照）などの代替結合剤系の開発が行われてきた。これらの代替結合剤は試薬としてはホルムアルデヒドベースではないので、これらは集合的に「無ホルムアルデヒド結合剤」と称されてきた。
最近、アミン成分と還元糖（または非炭水化物カルボニル）成分との反応生成物として得られる結合剤が、そのような無ホルムアルデヒド結合剤の有望な種類（特許文献３（国際公開第２００７／０１４２３６号））として特定されている。そのような結合剤は、十分な結合強度を与えるポリマーメラノイジンを形成するメイラード反応によって作製することができる。
しかし、ホルムアルデヒドなどのあまり望ましくない反応体または反応生成物を含む結合剤系の回避に加えて、結合剤の硬化速度を上げ、それにより生産時間を短縮し結合剤をより低温範囲で潜在的に有用にすることが絶えず望まれている。
上記を考慮すると、従来の結合剤と比較したとき、改善された硬化速度をさらに提供し、好ましくは天然の再生可能な材料を使用して製造することができる、環境上許容され得る結合剤組成物に対する必要性が存在する。
したがって、本発明の土台となる技術的課題は、主として再生可能な資源をベースとし、改善された硬化速度を提供する結合剤組成物を提供すること、ならびにそれを製造する方法を提供することである。
本発明によると、上記技術的課題は、炭水化物成分（ａ）およびアミン成分（ｂ）を含む水性結合剤組成物であって、該炭水化物成分（ａ）が、該炭水化物成分（ａ）全体の質量を基準として合計量で３〜７０質量％の１種以上の五炭糖を含む組成物の提供により解決される。
本発明によると、「水性結合剤組成物」という表現は特に限定されず、水または水含有溶媒中における少なくとも前述の結合剤成分（ａ）および（ｂ）のあらゆる混合物を包含する。そのような混合物は、１種以上の前記結合剤成分の（部分的）溶液であってもよく、または、乳濁液または懸濁液などの分散液の形態で存在してもよい。本発明によると、「水性」という用語は溶媒としての水のみに限定されず、一成分として水を含有する混合物である溶媒をも含む。本発明の好ましい実施形態によると、水性結合剤組成物は溶液または懸濁液である。
上記水性結合剤組成物の固形分は、水性結合剤組成物全体の質量を基準として、例えば、５〜９５質量％、８〜９０質量％、または１０〜８５質量％の範囲であってよい。特に、水性結合剤組成物の固形分は、個々の用途に適するように調節することができる。特にミネラルウール断熱材の結合剤として使用される場合、水性結合剤組成物の固形分は、水性結合剤組成物全体の質量を基準として、５〜２５質量％の範囲、好ましくは１０〜２０質量％の範囲、またはより好ましくは１２〜１８質量％の範囲であってもよい。特に木質ボードの結合剤として使用される場合、水性結合剤組成物の固形分は、水性結合剤組成物全体の質量を基準として、５０〜９０質量％の範囲、好ましくは５５〜８５質量％の範囲、またはより好ましくは６０〜８０質量％の範囲であってもよい。
本明細書において、「炭水化物成分」という表現は、特に限定されず、一般に、１種以上のポリヒドロキシアルデヒドおよび／またはポリヒドロキシケトンを含み、特に単糖類、二糖類、オリゴ糖および多糖類、またはさらに還元糖などの糖類を含む。本発明の炭水化物成分は、一般式Ｃｍ（Ｈ２Ｏ）ｎ［式中、ｍおよびｎは互いに同じまたは異なっていてもよい。］の１種以上の化合物を含むことができるが、例えば、アミノ基が付加され（例えばグリコサミンになる）、または、酸素（ｏｘｙｇｅｎｅ）原子が除去された（例えばデオキシ炭水化物になる）、それらの誘導体をも含む。本明細書において、「炭水化物成分」という上述の用語は、天然に存在する炭水化物誘導体、および炭水化物成分の調製中（例えばセルロース分解中）に形成し得るような誘導体をさらに包含する。
さらに、本明細書において、「アミン成分」という表現は特に限定されず、一般に、本発明の炭水化物成分と重合反応することができる窒素源として働くあらゆる化合物を包含する。
本発明の好ましい実施形態によると、アミン成分は、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、有機アミン、ポリアミン、アンモニア、モノマーポリカルボン酸のアンモニウム塩、ポリマーポリカルボン酸のアンモニウム塩、および無機酸のアンモニウム塩、またはそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。
アミン成分は、以下の１種以上を含むことができる：クエン酸三アンモニウム、硫酸アンモニウム、ならびにリン酸一アンモニウムおよびリン酸二アンモニウムをはじめとするリン酸アンモニウム、ジエチレントリアミン、１，４−ブタンジアミン、１，５−ペンタンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、１，７−ヘプタンジアミン、１，８−オクタンジアミン、１，９−ノナンジアミン、１，１０−デカンジアミン、１，１１−ウンデカンジアミン、１，１２−ドデカンジアミン、１，５−ジアミノ−２−メチルペンタン、ジェファミン（Ｊｅｆｆａｍｉｎｅ）をはじめとする脂肪族アミン、ポリアミン、アルキル基、特に、少なくとも４個の炭素原子、ヘテロアルキル基、シクロアルキル基、ヘテロシクロアルキル基をはじめとするアルキル基によって隔てられた２個以上の第一級アミン基を含むポリアミン、ならびにその誘導体および組み合わせ。
本明細書において、「アンモニウム」という表現は特に限定されず、例えば、一般式［＋ＮＨ４］ｘ、［＋ＮＨ３Ｒ１］ｘ、および［＋ＮＨ２Ｒ１Ｒ２］ｘ［式中、ｘは少なくとも１である整数であり、Ｒ１およびＲ２はそれぞれ、アルキル、シクロアルキル、アルケニル、シクロアルケニル、ヘテロシクリル、アリール、およびヘテロアリールから独立して選択される。］の化合物を含む。
さらに、本発明によると、「五炭糖」という用語は特に限定されず、５個の炭素原子を含有するあらゆる天然および合成の炭水化物を包含する。本発明の一実施形態によると、「五炭糖」という用語は、単糖類である、キシロース、アラビノース、リボース、リキソース、リブロースおよびキシルロース（それらのＤ立体異性体およびＬ立体異性体を含む）、ならびにそれらの任意の組み合わせを包含する。さらに、本発明の五炭糖はまた、例えば、アミノ基の付加（ペントースアミン（pentosamine））、酸素原子の除去（デオキシペントース（deoxypentose））、転位反応、プロトン化またはプロトン脱離によって形成されるような誘導体も含む。
本発明によると、１種以上の五炭糖は、炭水化物成分（ａ）全体の質量を基準として、合計量で３〜７０質量％で炭水化物成分中に存在する。しかし、前記１種以上の五炭糖の量は、例えば、結合剤組成物の改善された硬化速度を達成するために調節することができ、炭水化物成分（ａ）全体の質量を基準として、例えば、３〜６５質量％、３〜６０質量％または３〜５５質量％の範囲であってもよい。本発明のさらなる例によると、前記１種以上の五炭糖の量は、炭水化物成分（ａ）全体の質量を基準として、５〜７０質量％の範囲、または１０〜７０質量％の範囲、または１５〜７０質量％の範囲であってもよい。しかし、本発明のさらなる実施形態によると、炭水化物成分中に存在する１種以上の五炭糖の合計量はまた、７０質量％を超えてもよく、例えば８０質量％を超えてもよく、または９０質量％を超えてもよい。具体例としては、５０質量％以下、４５質量％以下ならびに４０質量％以下の五炭糖含有率が挙げられる。
さらなる実施形態によると、本発明は、炭水化物成分（ａ）が、炭水化物成分（ａ）全体の質量を基準として、合計量で９７〜３０質量％の１種以上の六炭糖をさらに含む、先に定義した結合剤組成物に関する。
本発明によると、前記１種以上の六炭糖の量は、例えば、結合剤組成物の改善された硬化速度を達成するために調節することができ、炭水化物成分（ａ）全体の質量を基準として、例えば９７〜３５質量％、９７〜４０質量％または９７〜４５質量％の範囲であってもよい。本発明のさらなる例によると、前記１種以上の六炭糖の量は、炭水化物成分（ａ）全体の質量を基準として、９５〜３０質量％の範囲、９０〜３０質量％の範囲、または８５〜３０質量％の範囲であってもよい。
本発明によると、「六炭糖」という用語は特に限定されず、６個の炭素原子を含有するあらゆる天然および合成の炭水化物を包含する。本発明の一実施形態によると、「六炭糖」という用語は、単糖類である、アロース、アルトロース、グルコース、マンノース、グロース、イドース、ガラクトース、タロース、フルクトース、プシコース、ソルボース、タガトース（それらのＤ立体異性体およびＬ立体異性体を含む）、ならびにそれらの任意の組み合わせを含む。さらに、本発明の六炭糖はまた、例えばアミノ基の付加（ヘキソサアミン（hexosamine））、酸素原子の除去（デオキシヘキソース（deoxyhexose））、転位反応、プロトン化またはプロトン脱離によって形成されるような誘導体を包含する。本発明の好ましい実施形態によると、六炭糖は、デキストロースであるかまたはそれを含む。
本発明によると、１種以上の五炭糖と１種以上の六炭糖との比率は、最終生成物において改善された硬化特性または向上した結合性能を達成するために、例えば上述の範囲内で調節することができる。しかし、五炭糖と六炭糖との前記所望の比率は、先に定義した結合剤の炭水化物成分内の前記六炭糖画分および五炭糖画分の種類および量によって決まる。
さらに、環境に配慮して、先に定義した結合剤組成物の炭水化物成分（ａ）を構成する炭水化物源は、好ましくは、（エネルギー）植物、植物性産物、木材（チップ）、故紙、破砕紙屑、醸造廃棄物、樹皮などに存在するセルロースベースの供給源などの再生可能資源である。
さらなる実施形態において、本発明は、先に定義した結合剤組成物に関し、ここで、該結合剤組成物は、アミノ酸成分（ｃ）をさらに含む。
本明細書において、「アミノ酸成分」という表現は特に限定されず、すべての天然および合成のアミノ酸、ならびにそれらのオリゴマー（ペプチドなど）、およびそのポリマー（タンパク質など）を包含する。本発明によると、アミノ酸成分（ｃ）は、先に定義した結合剤組成物の固形分の合計質量を基準として、１〜２５質量％、２〜２０質量％または３〜１５質量％の量の１種以上のアミノ酸を含む。
前記アミノ酸成分（ｃ）は、例えば、製品への適用可能性の容易さ、および／または増強された剛性、および／または色の安定性の点で、結合剤組成物の特性をさらに改善するのに適している。
好ましくは、環境に配慮して、また、先に定義した結合剤組成物のアミノ酸成分（ｃ）を構成するアミノ酸は、（エネルギー）植物、植物性産物、木材、故紙、破砕紙屑などに存在するセルロースベースの供給源などの再生可能資源から得られる。
先に定義した結合剤組成物は、当該技術分野で既知の様々な技術、例えば熱の適用、放射線照射、硬化開始剤の添加などによって硬化することができる。さらなる実施形態によると、本発明は、先に定義した結合剤組成物の加熱により入手可能な結合剤に関する。
さらなる態様によると、本発明は、炭水化物成分（ａ）およびアミン成分（ｂ）を含む水性結合剤組成物を製造する方法であって、ここで、該炭水化物成分（ａ）は、該炭水化物成分（ａ）全体の質量を基準として、合計量で３〜７０質量％の１種以上の五炭糖を含み、ここで、該方法は、（ｉ）１種以上のセルロースベースの炭水化物源を加水分解するステップと、（ｉｉ）該１種以上の加水分解されたセルロースベースの炭水化物源から該炭水化物を単離するステップと、（ｉｉｉ）該１種以上のセルロースベースの炭水化物源から単離された炭水化物を使用して、該炭水化物成分（ａ）全体の質量を基準として、合計量で３〜７０質量％の１種以上の五炭糖を含む炭水化物成分（ａ）を形成するステップと、（ｉｖ）アミン成分（ｂ）を添加するステップとを含む方法に関する。
本発明の方法によると、「炭水化物成分」、「アミン成分」、「アミノ酸成分」、「五炭糖」および「六炭糖」という表現は、先に定義した通りである。
さらに、本明細書において使用される「加水分解すること」という表現は、特に限定されず、一般に、セルロースベースの炭水化物源から炭水化物化合物を与えるすべての化学反応および物理化学反応を指す。例えば、「加水分解すること」という表現は、加熱／加圧処理、酸および／または塩基処理、酵素処理、または合成触媒を用いる処理、ならびに、例えば、塩化亜鉛または塩化カルシウムを使用する金属塩化物加水分解、ならびにそれらの任意の組み合わせを含む。セルロースベースの炭水化物源を「加水分解する」プロセスは、単一プロセスで行ってもよいが、または一連のプロセスを含んでいてもよい。例えば、セルロースベースの炭水化物源は、酸処理によって加水分解されてもよく、または酵素処理とその後の酸処理との組み合わせによって加水分解されてもよい。
一実施形態によると、本発明は、先に定義した方法であって、１種以上のセルロースベースの炭水化物源を加水分解するステップ（ｉ）が、独立して、前記１種以上のセルロースベースの炭水化物源のそれぞれの、熱／圧力を用いる処理、酵素および／または酸処理、および／または金属塩化物加水分解を含む方法に関する。
本明細書において、「セルロースベースの炭水化物源」という表現は特に限定されず、セルロースまたはセルロース誘導体を含む、あらゆる天然もしくは合成の材料または材料の混合物をも包含する。この文脈において、「セルロース」という用語は特に限定されず、それゆえセルロースのみを指すのではなく、ヘミセルロースまたはその誘導体などの植物バイオマス中に存在する他のいかなる炭水化物オリゴマーおよびポリマーをも含む。「セルロース」という用語は、セロデキストリンなどの天然および合成のセルロース分解から結果として得られたあらゆる分解生成物、ならびにより低分子量の多糖およびオリゴ糖もさらに包含する。通常、セルロースベースの炭水化物源は、様々な異なる炭水化物ポリマーを含む。例えば、ほとんどの植物バイオマスは、セルロースとヘミセルロースとの混合物を含むリグノセルロースを含んでいる。
本発明によると、１種以上の加水分解されたセルロースベースの炭水化物源から炭水化物を単離するステップは、特に限定されず、１種以上の炭水化物を含有する組成物を得るためのあらゆる化学的または物理的な処理を含む。例えば、「単離すること」という用語は、植物繊維などの固体を加水分解反応混合物から分離し、１種以上の炭水化物を含む炭水化物溶液を得る単純なステップを含むことができる。他方、「単離ステップ」は、所望の純度または構成（constitution）を有する炭水化物含有組成物を得るために、例えば濾過、遠心分離、結晶化、沈澱、蒸発による溶媒除去などの様々な技法の組み合わせを含むことができる。
本発明によると、先に定義した本方法の加水分解および単離するステップは、好ましくは、加水分解されるセルロースベースの炭水化物の種類および量を考慮して、本発明の結合剤組成物を容易に調製するために必要とされる量の１種以上の五炭糖を含む炭水化物画分が得られるように調節することができる。例えば、セルロースベースの炭水化物源に応じて、前記炭水化物源を加水分解し、それにより得られた炭水化物を単離するステップは、水溶液中に存在する炭水化物成分全体の質量を基準として、３〜７０質量％の１種以上の五炭糖を含む前記炭水化物成分（ａ）の水溶液を容易に得るために調節することができる。本発明のさらなる例によると、炭水化物成分（ａ）全体の質量を基準として、３〜６５質量％、３〜６０質量％、または３〜５５質量％の１種以上の五炭糖を含む炭水化物成分（ａ）の水溶液は、先に定義した方法の加水分解および単離のステップの後、得ることができる。本発明のさらなる例によると、前述の加水分解および単離のステップの後に得られた水溶液中に存在する前記炭水化物成分（ａ）中の前記１種以上の五炭糖の量は、前記水溶液中に存在する炭水化物成分（ａ）全体の質量を基準として、５〜７０質量％の範囲、１０〜７０質量％の範囲、または１５〜７０質量％の範囲であってよい。加水分解および単離の上述のステップから得られた前記炭水化物成分（ａ）の前記水溶液中の五炭糖含有率のさらなる例としては、５０質量％以下、４５質量％以下および４０質量％以下が挙げられる。
本発明の方法において、１種以上のセルロースベースの炭水化物源から単離された炭水化物を使用して炭水化物成分を形成するステップは、特に限定されず、先に定義した炭水化物成分（ａ）を構成する所望の炭水化物組成に到るのに適したあらゆる技法を含む。例えば、炭水化物成分は、例えば、単離ステップそれ自体の後に得られる固体混合物として、または溶液もしくは分散液の形態で、炭水化物混合物を使用することによって形成することができ、または、セルロースの加水分解から得られる２種以上の炭水化物混合物を混ぜ合わせることによって形成することができる。本発明によると、１種以上のセルロースベースの炭水化物源から単離された炭水化物を使用して炭水化物成分を形成するステップはまた、１種以上の炭水化物が、セルロース加水分解および炭水化物単離後に得られた炭水化物混合物に添加される場合を含む。例えば、五炭糖として主にキシロースを含有する、特定のセルロースベースの炭水化物源の加水分解から得られた炭水化物混合物は、他の五炭糖またはデキストロースなどの１種以上の六炭糖で補うことができる。
さらなる実施形態において、本発明は、先に定義した方法であって、ここで、該炭水化物成分（ａ）が、該炭水化物成分（ａ）全体の質量を基準として、合計量で９７〜３０質量％の１種以上の六炭糖をさらに含む方法に関する。本発明のさらなる例によると、炭水化物成分（ａ）全体の質量を基準として、９７〜３５質量％、９７〜４０質量％、または９７〜４５質量％の１種以上の六炭糖を含む炭水化物成分（ａ）の水溶液は、先に定義した方法の加水分解および単離のステップ後に得ることができる。本発明のさらなる例によると、前述の加水分解および単離のステップの後に得られた水溶液中に存在する前記炭水化物成分（ａ）中の前記１種以上の六炭糖の量は、前記水溶液中に存在する炭水化物成分（ａ）全体の質量を基準として、９５〜３０質量％の範囲、９０〜３０質量％の範囲、または８５〜３０質量％の範囲であってもよい。
そのような場合、１種以上のセルロースベースの炭水化物源を加水分解するステップ、および結果として得られた炭水化物を単離するステップは、好ましくは、炭水化物成分が、溶液中に存在する炭水化物成分全体の質量を基準として、３〜７０質量％、３〜６５質量％、３〜６０質量％、３〜５５質量％、５〜７０質量％、１０〜７０質量％、または１５〜７０質量％の１種以上の五炭糖、および９７〜３０質量％、９７〜３５質量％、９７〜４０質量％、９７〜４５質量％、９５〜３０質量％、９０〜３０質量％、または８５〜３０質量％の１種以上の六炭糖を含むような炭水化物成分の水溶液を容易に与えるように調節することができる。
先に定義した方法のさらなる実施形態によると、少なくとも１種の五炭糖は、キシロース、アラビノース、リボース、リキソース、リブロースおよびキシルロースまたはそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。
本発明によると、加水分解すれば、先に定義した結合剤組成物の調製に容易に使用可能なかなりの量の１種以上の五炭糖を与えるセルロースベースの炭水化物源を使用することが好ましい。本発明のさらなる実施形態によると、そのようなセルロースベースの炭水化物源は、コーンストーバおよびサトウキビバガスなどの農業残渣；サトウダイコン、スイッチグラス、Ｍｉｓｃａｎｔｈｕｓ、麻、柳およびトウモロコシなどの専用エネルギー作物；木材チップ、樹皮、製材屑および破砕紙廃品などの木材残渣；故紙および低級紙屑などの紙の都市ごみ；ならびに醸造廃棄物および乳製品（dairy product）などの工業的セルロース源からなる群から選択される。
例えば、環境的側面を考慮して、上記のセルロース源は、例えば、工業的製紙プロセスで発生する紙屑（例えば紙パルプ廃品）、再利用できない低級紙屑、不純物を含むセルロース含有廃棄物、またはセルロース含有複合材料などのすべての種類のセルロース含有廃棄物を包含する。
さらに、別の実施形態は、本発明の先に定義した方法であって、ここで、炭水化物成分（ａ）を形成するステップ（ｉｉｉ）が、少なくとも２種の異なるセルロースベースの炭水化物源から得られる炭水化物および／または炭水化物混合物を合わせることを含む方法に関する。
本発明によると、結合剤組成物中において効果的な炭水化物組成を有する所望の炭水化物成分を得るために、異なるセルロースベースの炭水化物源から得られた１種以上の炭水化物または炭水化物混合物を合わせることができる。そのような場合、異なるセルロースベースの炭水化物源のそれぞれの加水分解から結果として得られたそのような炭水化物混合物の化学組成は、当該技術分野で公知の適切な分析法によって特定し、続いて所望に応じて合わせることができる。
本発明のさらなる実施形態は、先に定義した方法であって、ここで、前記結合剤組成物がアミノ酸成分（ｃ）をさらに含む方法に関する。
上述のように、アミノ酸成分の存在は、改善された結合剤組成物（例えば改善された硬化速度に関して）を得るために有用な場合がある。
別の実施形態において、本発明は、先に定義した方法であって、ここで、前記アミノ酸成分（ｃ）が、１種以上のセルロースベースの炭水化物源を加水分解するステップ（ｉ）から得られたアミノ酸を使用することにより形成される方法に関する。
本発明によると、単一のセルロースベースの炭水化物源は、異なる炭水化物（および／またはアミノ酸）組成を得て、単一供給源からの炭水化物（および／またはアミノ酸）収率を最大化するために、例えば加水分解の異なる方法または条件の使用によって１回よりも多く加水分解することもできる。例えば、セルロースベースの炭水化物源（植物バイオマスなど）は、第１のステップで加水分解し、例えばそのヘミセルロース部分を主として分解し、それにより五炭糖と六炭糖との混合物（キシロースおよびグルコースなど）を与えることができる。次いで、同じセルロースベースの炭水化物源を、例えば、その中に含まれるセルロース部分を効果的に分解するために、続いて別の加水分解ステップに供し、それにより主として六炭糖（グルコースなど）を与えることができる。本発明の水性結合剤組成物に使用可能なアミノ酸の特異的な収率を提供する１つ以上の加水分解ステップを用いることがさらに可能である。
上記を考慮して、単一のセルロースベースの炭水化物源に用いられる加水分解ステップの合計数は、本明細書において限定されず、例えば、３、４、５または６の後続の加水分解ステップを包含する。本発明によると、各前記加水分解ステップから得られたそれぞれの炭水化物／アミノ酸画分は、五炭糖、六炭糖およびアミノ酸の含有率に関して所望の組成を調節するように混ぜ合わせることができる。
しかし、本発明によると、先に定義した結合剤組成物に使用可能なアミノ酸成分（ｃ）を形成するために、前記炭水化物成分またはその一部を得るのに用いられるのと同じ加水分解および単離ステップから得られたアミノ酸を使用することができる。例えば、セルロースベースの炭水化物源の加水分解は、前述の炭水化物の次に、同時に１種以上のアミノ酸を与えることができ、これは、次いで、本発明の結合剤組成物に容易に使用することができる。そのようなプロセスは、生成物の効率および資源の利用という意味で非常に有益である。
本発明による結合剤組成物、および／または本発明による方法によって製造された結合剤組成物は、例えば、粗い物質の集合体に適用し、例えば加熱によって硬化または架橋することができ、結合剤は粗い物質の集合体をともに保持することができる。あるいは、またはそれに加えて、結合剤を、表面に含浸させるために、および／または表面に被膜を施すために使用することができる。
本明細書に記載される結合剤および結合剤組成物は、ミネラルウール断熱材、ガラスウール断熱材、ストーンウール断熱材、繊維の集合体、粒子の集合体、セルロースを含有する粒子または繊維の集合体、木質ボード、配向性ストランドボード、木質粒子ボード、合板、研磨材、不織繊維の製品、織り繊維の製品、鋳物型、耐火物、ブリケット、摩擦材料、フィルター、および含浸ラミネートからなる群から選択される製品を含む製品に関して使用することができる。
特に、ミネラルウール断熱材用の結合剤として使用される場合、硬化される結合剤の量は、結合剤とミネラルウールとの合計重量に対して、≧２重量％もしくは≧３重量％もしくは≧４重量％、かつ／または≦１５重量％もしくは≦１２重量％もしくは≦１０重量％もしくは≦８重量％であってもよい。これは強熱減量によって測定することができる。
特に、木質ボードまたはセルロース材料用の結合剤として使用される場合、硬化される結合剤の量（乾燥した木材の重量または乾燥したセルロース含有材料の重量に対する乾燥した結合剤の重量）は、≧７％もしくは≧１０％もしくは≧１２％、かつ／または≦２５％もしくは≦２０％もしくは≦１８％もしくは≦１５％であってもよい。
本発明の結合剤系は、環境上問題になる反応体／生成物を含まず、特にホルムアルデヒドを含まず、同時に、硬化時間または硬化温度の低減を可能にする優れた硬化速度を示し、それにより例えば、ガラスウールまたはロックウールなどの繊維ベースの製品のより効率的な生産を提供する。さらに、環境保護面でのさらなる貴重な価値として、本発明の結合剤系は、セルロースベースの炭水化物源、およびしたがって再生可能な炭水化物源が前記結合剤組成物の炭水化物成分の調製に使用される方法によって調製することができる。前記セルロースベースの炭水化物源は、多量のセルロースを含むことが知られているエネルギー植物、またはすべての種類のセルロース含有廃棄物（（低級）紙屑または工業的製紙で生じる屑など）であってもよい。
以下の例はさらなる例証を意図したものであり、本発明の主題を限定する意図はない。
実施例１：ヘキサメチレンジアミン（「ＨＭＤＡ」）を使用するキシロース含有結合剤組成物の硬化速度
水性結合剤組成物を以下の表１に示す配合に従って調製した。全体組成は、８０質量％の糖＋２０質量％のヘキサメチレンジアミン（固形分計算値７０質量％）を基準とする。
五炭糖対六炭糖の比率は、モル濃度基準で計算し（五炭糖の含有率（質量％）を括弧に示す）、計算した固形分は、配合の同種の比較を可能にするために同じに保った。
糖混合物を含有する最後の２つの配合は、軟質木材およびサトウダイコンを加水分解する場合に得られる典型的な炭水化物混合物を反映している。図１のグラフから明らかに分かるように、五炭糖（ここではキシロースまたはキシロース／アラビノースの混合物）の存在は、結果として得られる結合剤組成物を用いて達成される硬化速度を著しく改善する。しかし、驚いたことに、五炭糖含有率と硬化速度の改善との間に直線関係はなく、キシロースを大過剰添加する場合、効果は薄まる。したがって、硬化速度を最適化するためには炭水化物成分中の五炭糖の量を調節すべきである。
２／３ ＤＭＨと１／３キシロースとの組成物において、六炭糖ＤＭＨ（デキストロース一水和物）の半分を、デキストロースと比較して同様の構造を有する六炭糖マンノースに置き換えた場合、前記混合物は、２／３ ＤＭＨと１／３キシロースとを含む上記組成物と比較した場合に同様の硬化動態をもたらす。
また、キシロースの一部を別の五炭糖（アラビノース）に置き換えると、キシロースのみを含有する組成物と比較した場合に同様の硬化動態をもたらす。
実施例２：（ＮＨ４）２ＳＯ４を使用するキシロース含有結合剤組成物の硬化速度
３つの水性結合剤組成物（最大１００ｍＬ）を以下の表２に示す配合に従って調製した。
これらの配合物をフィルターパッドに滴下し、１４０℃で加熱した。褐色のポリマーがフィルターパッド上に形成され、次いで、これを水に溶解し、溶液の吸光度を測定して各配合物の硬化速度を経時的に作成した。
得られた硬化速度は図２から得ることができ、ここから、少量（触媒量）の五炭糖では硬化速度を有意に加速するのには十分ではないことは明らかである。
実施例３：（ＮＨ４）２ＳＯ４を使用するグルコース−キシロースを含有する結合剤組成物の硬化速度
結合剤の以下の配合物の硬化速度を実験室で試験した。
結果は、時間Ｔ（分）（ｘ軸）に対して４７０ｎｍでの吸光度または硬化される各試料（ｙ軸）をプロットした図３に示す。試料Ｄ（約４５重量％のキシロースおよび５５重量％のグルコース；約５０ｍｏｌ％のキシロースおよび５０ｍｏｌ％のグルコース）は、１００％のキシロースに類似した硬化速度を与えたことに注目することは興味深い。これは、本明細書において開示される結合剤中での、キシロースとグルコースとの間の相乗効果、より一般的には、五炭糖と六炭糖との間の相乗効果を示す。
Claims (16)
- 炭水化物成分（ａ）およびアミン成分（ｂ）を含む水性結合剤組成物であって、ここで、該炭水化物成分（ａ）が、該炭水化物成分（ａ）全体の質量を基準として、合計量で３〜７０質量％の１種以上の五炭糖を含む、組成物。
- 前記炭水化物成分（ａ）が、該炭水化物成分（ａ）全体の質量を基準として、合計量で９７〜３０質量％の１種以上の六炭糖をさらに含む、請求項１に記載の結合剤組成物。
- 前記１種以上の五炭糖が、キシロース、アラビノース、リボース、リキソース、リブロースおよびキシルロース、またはそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項１または２に記載の結合剤組成物。
- 前記アミン成分（ｂ）が、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、有機アミン、ポリアミン、アンモニア、モノマーポリカルボン酸のアンモニウム塩、ポリマーポリカルボン酸のアンモニウム塩、および無機酸のアンモニウム塩、またはそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項１から３のいずれか一項に記載の結合剤組成物。
- 前記結合剤組成物がアミノ酸成分（ｃ）をさらに含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の結合剤組成物。
- 請求項１から５のいずれか一項に記載の結合剤組成物を加熱することにより入手可能な結合剤。
- 炭水化物成分（ａ）およびアミン成分（ｂ）を含む水性結合剤組成物を製造する方法であって、ここで、該炭水化物成分（ａ）は、該炭水化物成分（ａ）全体の質量を基準として、合計量で３〜７０質量％の１種以上の五炭糖を含み、
ここで、該方法は、
（ｉ）１種以上のセルロースベースの炭水化物源を加水分解するステップと、
（ｉｉ）該１種以上の加水分解されたセルロースベースの炭水化物源から該炭水化物を単離するステップと、
（ｉｉｉ）該１種以上のセルロースベースの炭水化物源から単離された炭水化物を使用して、炭水化物成分（ａ）全体の質量を基準として、合計量で３〜７０質量％の１種以上の五炭糖を含む炭水化物成分（ａ）を形成するステップと、
（ｉｖ）アミン成分（ｂ）を添加するステップと
を含む、方法。 - １種以上のセルロースベースの炭水化物源を加水分解するステップ（ｉ）が、独立して、前記１種以上のセルロースベースの炭水化物源のそれぞれの、熱／圧力を用いる処理、酵素および／または酸処理、および／または金属塩化物加水分解を含む、請求項７に記載の方法。
- 前記炭水化物成分（ａ）が、該炭水化物成分（ａ）全体の質量を基準として、合計量で９７〜３０質量％の１種以上の六炭糖をさらに含む、請求項７または８に記載の方法。
- 前記１種以上の五炭糖が、キシロース、アラビノース、リボース、リキソース、リブロースおよびキシルロース、またはそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項７から９のいずれか一項に記載の方法。
- 前記１種以上のセルロースベースの炭水化物源が、コーンストーバおよびサトウキビバガスなどの農業残渣；サトウダイコン、スイッチグラス、Ｍｉｓｃａｎｔｈｕｓ、麻、柳およびトウモロコシなどの専用エネルギー作物；木材チップ、樹皮、製材屑および破砕紙廃品などの木材残渣；故紙および低級紙屑などの紙の都市ごみ；ならびに醸造廃棄物および乳製品などの工業的セルロース源からなる群から選択される、請求項７から１０のいずれか一項に記載の方法。
- 前記アミン成分（ｂ）が、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、有機アミン、ポリアミン、アンモニア、モノマーポリカルボン酸のアンモニウム塩、ポリマーポリカルボン酸のアンモニウム塩、および無機酸のアンモニウム塩、またはそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項７から１１のいずれか一項に記載の方法。
- 前記炭水化物成分（ａ）を形成するステップ（ｉｉｉ）が、少なくとも２種の異なるセルロースベースの炭水化物源から得られた炭水化物および／または炭水化物混合物を合わせることを含む、請求項７から１２のいずれか一項に記載の方法。
- 前記結合剤組成物がアミノ酸成分（ｃ）をさらに含む、請求項７から１３のいずれか一項に記載の方法。
- 前記アミノ酸成分（ｃ）が、１種以上のセルロースベースの炭水化物源を加水分解するステップ（ｉ）から得られたアミノ酸を使用して形成される、請求項１４に記載の方法。
- ミネラルウール断熱材、ガラスウール断熱材、ストーンウール断熱材、繊維の集合体、粒子の集合体、セルロースを含有する粒子または繊維の集合体、木質ボード、配向性ストランドボード、木質粒子ボード、合板、研磨材、不織繊維の製品、織り繊維の製品、鋳物型、耐火物、ブリケット、摩擦材料、フィルター、および含浸ラミネートからなる群から選択される製品を製作する方法であって、
組み立てられていない物質または粗く組み立てらされた物質に、請求項１から４のいずれかに記載の結合剤、または請求項７から１５のいずれかによって製作された結合剤を適用するステップ；および
該結合剤を硬化させるステップ
を含む、方法。
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