MX2013008303A - Metodo para tratamiento de substratos con halosinalos. - Google Patents

Metodo para tratamiento de substratos con halosinalos.

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Abstract

Un método para tratar sustratos para volverlos hidrofóbicos incluye penetrar el sustrato con un vapor de halosilano.

Description

MÉTODO PARA EL TRATAMIENTO DE SUBSTRATOS CON HALOSINALOS Campo técnico Un método para producir un sustrato hidrofóbico incluye tratar el sustrato con un vapor halosilano. El halosilano forma una resina de silicona sobre la superficie y en los espacios intersticiales del sustrato.
Antecedentes de la invención Los sustratos celulósicos tales como productos de papel y cartón (por ejemplo, que incluyen cartón de fibra corrugado, cartulina, cartón para presentaciones o material para tarjetas) se encuentran con diversas condiciones ambientales en base a su uso previsto. Por ejemplo, el cartón se usa, f ecuentemente, como material de empaque para enviar y/o almacenar productos y debe proporcionar una estructura duradera que proteja el contenido. Algunas de esas condiciones ambientales que estos materiales de empaque pueden enfrentar son el agua de lluvia, variaciones de temperatura que pueden propiciar la condensación, inundaciones, nieve, hielo, escarcha, granizo o cualquier otra forma de humedad. Otros productos incluyen artículos de servicio de alimentos desechables, los cuales usualmente son hechos de papel o cartulina. Estos sustratos celulósicos enfrentan, además, condiciones ambientales de humedad, por ejemplo, vapores y líquidos de los alimentos y bebidas con los cuales entran en contacto. El agua en sus variadas formas puede amenazar a un sustrato celulósico al degradar su estructura química a través de la hidrólisis y la división de las cadenas de celulosa y/o al romper su estructura física por medio de interferir irreversiblemente con la unión de hidrógeno entre las cadenas, para reducir así el rendimiento en el uso previsto. Cuando se exponen al agua, otros fluidos acuosos o cantidades significativas de vapor de agua, los artículos tales como papel y la cartulina pueden volverse blandos, perdiendo la estabilidad-forma y volviéndose susceptibles a perforaciones (por ejemplo, durante el envío de materiales de empaque o por objetos de cubertería tales como cuchillos y tenedores usados en artículos de servicio de alimentos desechables.
Los fabricantes pueden abordar el problema de la susceptibilidad a la humedad de los artículos de servicio de alimentos desechables al no usarlos en ambientes húmedos. Este enfoque evita el problema simplemente mediante la comercialización de sus artículos de servicio de alimentos desechables para usos en los cuales no estén presentes fluidos acuosos o vapor (por ejemplo, artículos fritos en abundante aceite o secos) . Sin embargo, este enfoque limita enormemente los mercados potenciales para estos artículos, puesto que muchos productos alimenticios (1) son acuosos (por ejemplo, bebidas, sopas), (2) incluyen una fase acuosa (por ejemplo, salsas poco espesas, vegetales calentados en agua), o (3) producen vapor de agua cuando se enfrian (por ejemplo, arroz y otros alimentos con almidón, emparedados calientes, etc.).
Otro modo de preservar los sustratos celulósicos es impedir la interacción del agua con el sustrato celulósico. Por ejemplo, se pueden aplicar películas resistentes al agua (por ejemplo, materiales poliméricos a prueba de agua tales como cera o polietileno) a las superficies de los sustratos celulósicos para impedir que el agua entre en contacto directo con los sustratos celulósicos. Este enfoque básicamente forma una estructura laminada en la cual un núcleo sensible al agua se coloca en el medio' entre capas de un material resistente al agua. No obstante, muchas películas tienen un elevado costo de obtención y son difíciles de aplicar, aumentando así el costo y la complejidad de fabricación, y reduciendo el porcentaje de productos terminados aceptables. Además, las películas se pueden degradar o pueden llegar a estar mecánicamente debilitadas y volverse menos eficaces con el tiempo. Las películas también tienen la debilidad inherente de bordes de sustrato tratados de forma deficiente. Incluso si los bordes se pueden tratar para impartir hidrofobicidad a todo el sustrato, cualquier rasgón, desgarro, arruga o pliegue en el sustrato tratado puede ocasionar la exposición de superficies no tratadas que se humedezcan fácilmente y puede permitir la penetración de agua en la masa del sustrato.
Adicionalmente, determinadas películas y otros tratamientos hidrofóbicos conocidos para sustratos celulósicos también pueden hacer que los sustratos no sean biodegradables . Por lo tanto, sería deseable proporcionar un método para hacer que los sustratos celulósicos sean hidrofóbicos y a la vez mantengan su biodegradabilidad .
También sería deseable llevar a cabo el método de tratamiento de una forma que garantice no sólo que el sustrato se convierta en hidrofóbico, sino también la eficiente operación del proceso. Por ejemplo, si una mezcla líquida de halosilano con un solvente volátil se usa para saturar un sustrato tal como papel, cuando el solvente se evapore, el papel se puede volver hidrofóbico. Sin embargo, una porción significativa del halosilano se evapora con el solvente en procesos conocidos. En una operación comercial, esta corriente que contiene solvente y halosilano se debe procesar de alguna forma.
Una forma de procesar la corriente sería condensar el solvente y el halosilano. Desafortunadamente, debido a que la evaporación de solvente del papel retira una cantidad de agua del papel, condensar el vapor mezclado causa que el agua también se condense. El agua condensada reacciona rápidamente con el halosilano condensado formando un haluro de siloxano más hidrógeno. Cuando un organohalosilano, tal como un silano monoorgano trihalo se condensa con el agua presente, forma productos derivados sólidos, que deben ser separados del proceso y desechados. Asi, practicar un método de tratamiento liquido requiere el manejo de una corriente de productos derivados que incluye un solvente volátil y una mezcla sólida o incluso gelatinosa que incluye un haluro de hidrógeno.
También se han propuesto métodos de tratamiento de vapor. No obstante, al tratar papel con halosilano vaporizado usando un proceso conocido, aún hay que manejar una corriente de productos derivados. La corriente de productos derivados incluye solvente y la porción del halosilano que no reaccionó en el papel durante el tratamiento.
Existe la necesidad comercial de un método que permita que los sustratos tales como papel sean tratados mediante el uso de un halosilano y que una gran porción del halosilano permanezca en el papel y no requiera tratamiento como corriente de productos derivados .
Breve resumen de la invención Un método es útil para producir un sustrato hidrofóbico. El método comprende: I) exponer el sustrato al flujo turbulento de un vapor con una concentración que comprende por lo menos 90 % de un halosilano en una zona de tratamiento de tal manera que el vapor penetre en el sustrato, y II) colocar el sustrato en una zona de ventilación, donde un gas inerte sea introducido en la zona de ventilación para formar una presión positiva en la zona de ventilación. La concentración del halosilano en la zona de ventilación es menor que la concentración del halosilano en la zona de tratamiento.
Breve descripción de las figuras La Figura 1 es un diagrama de flujo de proceso de un método descrito en la presente descripción.
Numerales de referencia Aparato de tratamiento 100 Primera zona de entrada de gas inerte 101 Primera zona de salida de vapor 102 Zona de tratamiento 103 Segunda zona de salida de vapor 104 Segunda zona de entrada de gas inerte 105 Primera salida de vapor 106 Segunda salida de vapor 107 Primera entrada de gas inerte 108 Entrada de vapor de halosilano 109 Segunda entrada de gas inerte 110 Divisor de zona IIIa Divisor de zona 111b Divisor de zona lile Divisor de zona llld Divisor de zona lile Agitador 112 Sustrato de papel 113 Rodillo de suministro 114 Rodillo de salida 115 Descripción detallada de la invención Definiciones y uso de términos Todas las cantidades, proporciones y porcentajes son por peso a menos que se indique lo contrario. Los artículos 'un' , 'una' , 'el' , 'la' y 'los' se refieren a uno o más, a menos que el contexto de la especificación indique lo contrario. La descripción de los intervalos incluye el intervalo en sí mismo y, además, cualquier información incluida en la misma, así como parámetros.
Por ejemplo, la descripción de un intervalo de 2.0 a 4.0 incluye no sólo el intervalo de 2.0 a 4.0, sino, además, 2.1, 2.3, 3.4, 3.5, y 4.0 individualmente, asi como cualquier otro número incluido en el intervalo. Además, la descripción de un intervalo de, por ejemplo, 2.0 a 4.0 incluye los subconjuntos de, por ejemplo, 2.1 a 3.5, 2.3 a 3.4, 2.6 a 3.7 y 3.8 a 4.0, asi como cualquier otro subconjunto incluido en el intervalo. De forma similar, la descripción de grupos Markush incluye todo el grupo y, además, cualesquiera miembros individuales y subconjuntos incluidos en la misma. Por ejemplo, la descripción del grupo Markush: un grupo alquilo, un grupo cicloalquilo, un grupo alquenilo, un grupo alquinilo o un grupo arilo; incluye el miembro alquilo individualmente; el subgrupo alquilo y arilo; y cualquier otro miembro individual y subgrupo incluido en la misma.
Para propósitos de esta solicitud, el término "sin solvente" significa que no hay solvente orgánico presente, o que hay menos de 1 % de solvente orgánico presente descripción. (Ningún solvente se agrega intencionalmente al vapor; la cantidad de 1 % puede estar presente como una impureza del halosilano del proceso de producción usado para elaborar el halosilano.) El término "tratado" (y sus variantes tales como "que trata", "tratar," "trata" y "tratamiento") significa aplicar el halosilano al sustrato en un ambiente apropiado durante una cantidad de tiempo suficiente para que el halosilano penetre en el sustrato y reaccione para formar una resina. El término "penetrar" (y sus variantes tales como "que penetra", "penetración", "penetrado" y "penetra") significa que el halosilano entra en algunos o todos los espacios intersticiales del sustrato, y el halosilano no simplemente forma una película superficial sobre el sustrato.
Los sustratos útiles en el método descrito en la presente descripción pueden ser biodegradables . Para los propósitos de esta solicitud, los términos 'compostable' y 'compostabilidad' abarcan factores tales como biodegradabilidad, desintegración y ecotoxicidad . Los términos 'biodegradable, ' 'biodegradabilidad' y variantes de los mismos se refieren a la naturaleza del material a ser descompuesto por microorganismos. Biodegradable significa que un sustrato se descompone a través de la acción de un microorganismo, tal como una bacteria, hongo, enzima y/o virus durante un período de tiempo. El término 'desintegración', 'desintegrar' y las variantes de los mismos se refieren a la medida en la cual el material se descompone y se deshace. Las pruebas de ecotoxicidad determinan si el material, después de convertirse en composta, muestra alguna inhibición en el crecimiento de plantas o la supervivencia del suelo u otra fauna. La biodegradabilidad y la compostabilidad se pueden medir mediante la inspección visual de un sustrato que haya sido expuesto a un inoculo biológico (tal como una bacteria, hongo, enzima y/o virus) para monitorear la degradación. Por otra parte, el sustrato biodegradable pasa el Estándar D6400 de la ASTM; y por otra parte, el sustrato biodegradable pasa el Estándar D6868-03 de la ASTM. En general, la tasa de compostabilidad y/o biodegradabilidad se puede aumentar maximizando el área de la superficie a la relación de volumen de cada sustrato. Por ejemplo, el área de superficie/relación de volumen puede ser por lo menos 10, alternativamente por lo menos 17. Alternativamente, el área de superficie/relación de volumen puede ser por lo menos 33. Sin intención de estar limitados por la teoría, se piensa que un área de superficie/relación de volumen de por lo menos 33 permitirá que el sustrato pase la prueba de biodegradabilidad en el Estándar D6868-03 de la ASTM.
La frase "diferente de" según se usa en la presente descripción significa dos halosilanos no idénticos de tal manera que el sustrato no sea tratado con un solo halosilano. Para los propósitos de esta solicitud, un 'halosilano' se define como un silano que tiene por lo menos un halógeno (tal como, por ejemplo, cloro u flúor) directamente unido a silicio, en donde, dentro del ámbito de la presente descripción, los silanos se definen como monómeros u oligómeros con base de silicio que contienen funcionalidad que puede reaccionar con el agua, los grupos -OH en los sustratos (por ejemplo, sustratos celulósicos) y/o agentes de apresto o aditivos adicionales aplicados a los sustratos como se observa en la presente invención. Los halosilanos con un solo halógeno directamente unido a silicio se definen como monohalosilanos, los halosilanos con dos halógenos directamente unidos a silicio se definen como dihalosilanos, los halosilanos con tres halógenos directamente unidos a silicio se definen como trihalosilanos , y los halosilanos con cuatro halógenos directamente unidos a silicio se definen como tetrahalosilanos .
Para los propósitos de esta solicitud, los términos 'hidrofóbico' e 'hidrofobicidad' , y las variantes de los mismos, se refieren a la resistencia de un sustrato al agua. La hidrofobicidad se puede medir de acuerdo con la prueba Cobb establecida en el Ejemplo 1 de Referencia, que aparece más abajo. Los sustratos tratados con el método descrito en la presente descripción pueden ser, además, reciclables intrínsecamente. Los sustratos pueden ser, además, repulpables, por ejemplo, el sustrato hidrofóbico preparado mediante el método descrito en la presente descripción se puede reducir a pulpa para ser usado en la fabricación de papel. Los sustratos se pueden, además, reciclar para otros propósitos.
Para los propósitos de esta solicitud, el término Vapor' como se usa con respecto al halosilano usado para tratar el sustrato, se refiere a la suma de ingredientes que penetran y tratan el papel. Para evitar dudas, el término 'vapor' en este contexto; excluye vapor de agua, aire, gas inerte y solvente.
Método Un método para producir un sustrato hidrofóbico que comprende las etapas de: I) exponer el sustrato a flujo turbulento de un vapor con una concentración que comprende por lo menos 90 % de un halosilano en una zona de tratamiento de manera que el vapor penetre el sustrato, II) colocar el sustrato en una zona de ventilación, donde un gas inerte es introducido en la zona de ventilación para formar una presión positiva en la zona de ventilación, y donde los productos derivados son retirados con el gas inerte, donde la concentración del halosilano en la zona de ventilación es menor que la concentración del halosilano en la zona de tratamiento .
Opcionalmente, el método puede comprender adicionalmente la etapa de, antes de la etapa I), colocar el sustrato en una zona inerte, donde un gas inerte adicional es introducido para formar una presión positiva en la zona inerte, y la zona inerte es separada de la zona de tratamiento.
Sustrato El método puede ser continuo o en semi-grupos. Cuando el método es continuo, el sustrato puede ser continuo. Un ejemplo de un sustrato continuo es un rollo de papel. El papel puede ser suministrado en un rollo, desenrollado y pasado por las zonas descritas en la presente descripción, y recolectado en un rodillo de salida. Por otra parte, el sustrato es ejemplificado por, pero no se limita a, materiales de construcción; los sustratos celulósicos tales como madera y/o productos de madera (por ejemplo, tablas, madera contrachapada, tablones para cercas y/o terrazas, postes de teléfono, juntas de vías férreas o cartón de fibra), papel (tal como cartón, cartón de cajas, cartón-yeso, papel usado para revestir aislamientos o forros usados para hacer cartón corrugado) , o textiles; aislamiento; láminas de yeso (tal como tablarroca) ; ladrillos de construcción; o yeso. El sustrato puede comprender un solo sustrato plano (tal como una sola hoja de papel plana o cartón-yeso) o puede comprender un sustrato plegado, armado o elaborado de cualquier otra forma. Por ejemplo, el sustrato puede comprender múltiples sustratos pegados, enrollados o entretejidos juntos (tal como una estructura corrugada que incluye un medio y uno o dos forros sobre una superficie del medio o una caja) o puede comprender geometrías variantes (tal como un ladrillo de construcción) . Alternativamente, el sustrato puede ser un componente de subconjunto de un sustrato más grande tal como cuando el sustrato se combina con plásticos, telas, materiales no tejidos y/o vidrio. En necesario notar que los sustratos pueden, por lo tanto, incluir una variedad de materiales, formas y configuraciones diferentes, y no deben estar limitados a las modalidades ilustrativas expresamente listadas en la presente descripción. Cuando el sustrato no es continuo, el método se puede operar en modo de semibloque , por ejemplo, colocando los sustratos (por ejemplo, tablones o ladrillos o cajas de cartón) en un transportador y pasando los sustratos a través de las zonas descritas en la presente descripción.
En un método alternativo, el sustrato se debe secar ligeramente inmediatamente antes de ser tratado con el halosilano. La humedad captada durante el almacenamiento del sustrato, por ejemplo cartulina, particularmente durante condiciones húmedas, puede inhibir la profundidad hasta la cual el tratamiento penetra. Así, por ejemplo, es deseable pasar la cartulina a través de una zona de secado inmediatamente antes de que el papel entre a la cámara de tratamiento.
En el método descrito en la presente descripción, las zonas se configuran para minimizar la cantidad de vapor de halosilano (que no penetra el sustrato) que sale de la zona de tratamiento. Uno de los medios para minimizar la pérdida de halosilano es introducir el gas inerte en la zona de ventilación linea abajo en una salida de zona de ventilación donde los productos derivados sean retirados. Las zonas pueden ser, por ejemplo, diferentes cámaras separadas por divisores de zona. La zona de tratamiento y la zona de ventilación pueden estar separadas por uno o más divisores de zona, tal como una cortina o un deflector suave. La zona de tratamiento y la zona inerte pueden estar separadas por uno o más divisores. Se puede introducir gas inerte adicional en la zona inerte corriente arriba en una salida de zona inerte donde los productos derivados sean retirados. Adicionalmente, en el método se pueden usar una o más zonas intermedias, por ejemplo, el sustrato se puede pasar a través de una zona intermedia ubicada entre la zona de tratamiento y la zona de ventilación, donde la zona intermedia tenga una concentración menor de halosilano que la zona de tratamiento y una concentración mayor de halosilano que la zona de ventilación. El vapor que entra a la zona de tratamiento comprende por lo menos 90 % de halosilano. Alternativamente, el vapor puede consistir esencialmente en el halosilano. Alternativamente, el vapor puede estar libre de solventes. Alternativamente, el vapor puede comprender 90 % a 100 % de un halosilano, y 0 % a 10 % de un ingrediente adicional.
Halosilano En el método descrito en la presente descripción, el sustrato es tratado con un halosilano, alternativamente una pluralidad de halosilanos, alternativamente un clorosilano, y alternativamente, una pluralidad de clorosilanos . Cuando se usa una pluralidad de halosilanos, la pluralidad de halosilanos comprende por lo menos un primer halosilano y un segundo halosilano diferente del primer halosilano. Los halosilanos monoméricos pueden comprender la fórmula RaSiXt>H ( -a-b) donde el subíndice a tiene un valor que va desde 0 a 3, o alternativamente, a = 0-2, el subíndice b tiene un valor que va desde 1 a 4, o alternativamente, b = 2-4, cada X es independientemente cloro, flúor, bromo o yodo, o alternativamente, cada X es cloro, y cada R es independientemente un grupo hidrocarburo monovalente, o alternativamente cada R es un grupo alquilo, alquenilo, arilo, aralquilo o alcarilo que contiene 1 a 20 átomos de carbono. Alternativamente, cada R es independientemente un grupo alquilo que contiene 1 a 11 átomos de carbono, un grupo arilo que contiene 6 a 14 átomos de carbono o un grupo alquenilo que contiene 2 a 12 átomos de carbono. Alternativamente, cada R es metilo u octilo. Un ejemplo de halosilano es metiltriclorosilano o MeSiCl3 donde Me representa al grupo metilo (CH3) . Otro ejemplo de halosilano es dimetildiclorosilano o Me2SiCl2. Otros ejemplos adicionales de halosilanes incluyen (clorometil) triclorosilano, [3- ( heptafluoroisoproxi) propil] triclorosilano, 1 , 6-bis (triclorosilil) hexano, 3-bromopropiltríelosilaño, bromotrimetilsilano, alilbromodimetilsilano, aliltriclorosilano, (bromómetil ) chlorodimetilsilano, cloro ( clorometil ) dimetilsilano, bromodimetilsilano, cloro (clorometil) dimetilsilano, clorodiisopropiloctisilano, clorodiisopropilsilano, clorodimetiletilsilano, clorodimetilfenilsilano, clorodimetilsilano, clorodifenilmetilsilano, clorotrietilsilano, clorotrimetilsilano, diclorometilsilano, diclorodimetilsilano, diclorometilvinilsilano, dietildiclorosilano, difenildiclorosilaño, di-t-butilclorosilano, etiltriclorosilano, iodotrimetilsilano, octiltriclorosilano, pentiltriclorosilano, propiltriclorosilano, feniltriclorosilano, trifenilsililcloruro, tetraclorosilano, tricloro (3, 3, 3-trifluoropropil ) silano, tricloro (diclorometil ) silano, triclorovinilsilano, hexaclorodisilano, 2, 2-dimetilhexaclorotrisilano, dimetildifluorosilano o bromoclorodimetilsilano . Estos y otros halosilanos se pueden producir mediante métodos conocidos en la materia o se pueden comprar a proveedores tales como Dow Corning Corporation de Midland, Michigan, USA, Momentive Performance Materials de Albany, New York, USA, o Gelest, Inc. de Morrisville, Pennsylvania, USA. Además, si bien en la presente descripción se listan explícitamente ejemplos específicos de halosilanos, los ejemplos descritos anteriormente no tienen el propósito de ser limitantes. Más precisamente, la lista descrita anteriormente es simplemente un ejemplo, y otros compuestos de halosilano, tales como halosilanos monoméricos, halosilanos oligoméricos y halosilanos polifuncionales se pueden usar, además, siempre y cuando la presión de vapor del compuesto de halosilano sea suficiente para permitir la vaporización del compuesto de halosilano.
Cuando se usa una pluralidad de halosilanos, la pluralidad de halosilanos se puede proporcionar de manera que cada halosilano comprenda un porcentaje mol de un total de concentración de halosilano. Por ejemplo, cuando la pluralidad de halosilanos comprende solamente dos halosilanos, el primer halosilano comprenderá X' porcentaje mol del total de concentración de halosilano mientras que el segundo halosilano comprenderá 100-X' porcentaje mol del total de concentración de halosilano. Para promover la formación de una resina al tratar el sustrato con la pluralidad de halosilanos según se observará en la presente invención, el total de concentración de halosilano de la pluralidad de halosilanos puede comprender 20 % mol o menos de monohalosilanos, 70 % mol o menos de monohalosilanos y dihalosilanos (es decir, la cantidad total de monohalosilanos y dihalosilanos cuando en combinación no excede 70 % mol) , y por lo menos 30 % mol de trihalosilanos y tetrahalosilanos (es decir, la cantidad total de trihalosilanos y tetrahalosilanos cuando en combinación comprende por lo menos 30 % mol) . En otra modalidad, el total de concentración de halosilano de la pluralidad de halosilanos puede comprender 30 % mol a 80 % mol de trihalosilanos y/o tetrahalosilanos o, alternativamente, 50 % mol a 80 % mol de trihalosilanos y/o tetrahalosilanos.
Por ejemplo, en una modalidad ejemplo, el primer halosilano puede comprender un trihalosilano (tal como MeSiC13) y el segundo halosilano puede comprender un dihalosilano (tal como Me2SiC12). El primer halosilano y el segundo halosilano (es decir, el trihalosilano y el dihalosilano) se pueden combinar de manera que el trihalosilano pueda comprender X' porcentaje del total de concentración de halosilano, en donde X' es 90 % mol a 50 % mol, 80 % mol a 55 % mol, o 65 % mol a 55 % mol. Estos intervalos tienen el propósito de ser ejemplos solamente y no de limitar, y se pueden usar otras variaciones o subconjuntos alternativamente.
Ingredientes Adicionales El vapor usado en el método puede comprender, además, opcionalmente, más de 0 % a 10 % de un ingrediente adicional. El ingrediente adicional puede ser un pesticida, fungicida, retardante de llamas, mildiucida, un colorante tal como pintura y/o tinte, una fragancia o una combinación de estos.
Etapa 1) En la etapa 1) del método, el vapor descrito anteriormente se puede introducir en o cerca del centro de la zona de tratamiento. El flujo turbulento del vapor en la zona de tratamiento se puede lograr mediante cualquier medio conveniente, tal como agitando el vapor en la zona de tratamiento mediante el uso de un mezclador tal como un agitador o paleta de impulsor, o instalando deflectores en una cámara usada para la zona de tratamiento. El vapor se puede introducir perpendicular al sustrato. Los parámetros del método, que permiten que el halosilano penetre el sustrato, tales como el tiempo que el sustrato permanece dentro de la zona de tratamiento, temperatura, presión y velocidad de suministro del vapor variarán dependiendo de los resultados deseados del proceso. Por ejemplo, los parámetros del método se pueden seleccionar de manera que el tiempo total que el sustrato permanezca dentro de la zona de tratamiento vaya desde 1 segundo a 10 segundos. La velocidad de suministro del vapor se puede controlar mediante el uso de varios esquemas de control por computadora. Por ejemplo, la velocidad de suministro del vapor se puede ajustar en base a rapidez, ancho y espesor del sustrato que se esté tratando. Alternativamente, la velocidad de suministro del vapor se puede ajustar en base a la cantidad de halosilano que entre en la zona de ventilación. Alternativamente, la velocidad de suministro del vapor se puede ajustar en base a una cantidad calculada de halosilano impartida al sustrato. La temperatura exacta seleccionada depende de varios factores que incluyen la temperatura de degradación del sustrato y la reactividad del halosilano seleccionado, sin embargo, la temperatura del vapor se puede mantener por encima de la temperatura de condensación del halosilano en la zona de tratamiento. Alternativamente, la temperatura del sustrato que entra en la zona de tratamiento puede variar desde 20 °C a 95 °C (68 °F a 203 °F) . Alternativamente, el método se puede llevar a cabo al vacio, lo que podría minimizar la temperatura.
Etapa II) Para aumentar la velocidad de reacción, opcionalmente el sustrato se puede, además, calentar y/o exponer al vapor, después de que el halosilano penetre el sustrato, para producir la resina en el sustrato. Por ejemplo, el sustrato puede pasar a través de una zona de calentamiento en la cual se aplique calor al sustrato. La temperatura de la zona de calentamiento dependerá del tipo de sustrato y su tiempo de residencia en la misma; no obstante, la temperatura en la zona de calentamiento puede comprender una temperatura que exceda 200 °C. De forma alternativa, la temperatura puede variar dependiendo de factores que incluyen el tipo de sustrato, la rapidez con la cual el sustrato pasa a través de la zona de calentamiento, el espesor del sustrato, la cantidad de halosilano aplicada al sustrato, y/o si el método se realiza a presión atmosférica o al vacio. Alternativamente, la temperatura proporcionada al sustrato puede ser suficiente para calentar el sustrato a 200 °C después de su salida de la zona de calentamiento. Por otra parte, la temperatura proporcionada puede ser suficiente para calentar el sustrato a 150 °C, alternativamente 100 °C, y alternativamente 65 °C después de su salida de la zona de calentamiento.
Una vez que el sustrato se trata para convertirlo en hidrofóbico, el sustrato hidrofóbico comprenderá una resina de silicona resultante de la reacción entre el halosilano y el sustrato celulósico y/o el agua dentro del sustrato según se explicó anteriormente. La resina puede comprender cualquier porcentaje desde más de 0 % del sustrato hidrofóbico a 10 %, alternativamente más de O % a menos de 1 % del sustrato hidrofóbico. El porcentaje se refiere al peso de la resina con respecto al peso general del sustrato y la resina juntos. Otros intervalos de la cantidad de resina en el sustrato incluyen 0.01 % a 0.99 %, alternativamente, 0.1 % a 0.9 %, alternativamente 0.3 % a 0.8 %, y alternativamente 0.3 % a 0.5 %. Sin intención de estar limitados por la teoría, se piensa que una cantidad de resina en el sustrato inferior a aquella descrita anteriormente puede proporcionar insuficiente hidrofobicidad para las aplicaciones descritas en la presente descripción, tales como material de empaque y artículos de servicio de alimentos desechables. Con cantidades de resina mayores de 1 %, puede ser más difícil convertir el sustrato en composta al final de su vida útil.
La mayor parte del halosilano permanece en el papel (por ejemplo, por lo menos 60 %, alternativamente 60 % a 100 %, y alternativamente 60 % a 85 %) al usar el método de tratamiento descrito en la presente descripción. Cuando el halosilano reacciona para formar la resina de silicona, se produce un ácido derivado (por ejemplo, HX) a partir de la hidrólisis del halosilano. El producto derivado HX también permanece en el papel.
Etapa III) Opcional El método descrito anteriormente puede comprender además, opcionalmente, la etapa III) , que expone el sustrato a un compuesto básico después de la etapa II). El término 'compuesto básico' se refiere a cualquier compuesto químico que tenga la capacidad de reaccionar con y neutralizar el ácido (por ejemplo, HX) producido a partir de la hidrólisis del halosilano. Por ejemplo, en una modalidad, el halosilano se puede aplicar al sustrato y pasar a través de una zona de neutralización que contenga gas de amoníaco de manera que el sustrato se exponga al gas de amoníaco. Sin la intención de estar limitados por una teoría particular, el compuesto básico puede neutralizar los ácidos generados por la aplicación del halosilano al sustrato y, además, impulsar la reacción entre el halosilano y el agua, y/o el sustrato, hasta la culminación. Otros ejemplos no limitantes de compuestos básicos útiles incluyen bases orgánicas e inorgánicas tales como hidróxidos de metales de tierra alcalina o aminas. Alternativamente, se puede usar cualquier otra base y/o catalizador de condensación, total o parcialmente en lugar del amoníaco, y se puede aplicar en forma de vapor. En este contexto, el término "catalizador de condensación" se refiere a cualquier catalizador que pueda afectar la reacción entre dos grupos silanoles o un grupo silanol y un grupo formado in situ como resultado de la reacción del halosilano con el agua o un grupo -OH (por ejemplo, unido a celulosa cuando en el método se usa un sustrato celulósico) para producir un enlace de siloxano.
Alternativamente, el sustrato se puede exponer al compuesto básico antes, simultáneamente con o después de la aplicación del halosilano, o combinando dichos momentos.
Figura 1 La Figura 1 muestra un diagrama de flujo de proceso para el método descrito en la presente descripción. Un sustrato (que aparece en la presente invención como papel 113 en un rodillo de suministro 114) pasa a través de un aparato de tratamiento 100 y se recolecta en un rodillo de salida 115. El sustrato 113 entra en una zona inerte que comprende la primera zona de entrada de gas inerte 101 y la primera zona de salida de vapor 102. El gas inerte se introduce en la zona inerte a través de la entrada de gas inerte 108. La zona de entrada de gas inerte 101 y la primera zona de salida de vapor 102 pueden comprender una sola cámara, alternativamente, la zona de entrada de gas inerte 101 y la primera salida de vapor 102 pueden comprender cámaras separadas divididas por un divisor de zona 111b. Cada uno de los divisores de zona llla-e que se usan en la presente invención puede ser, por ejemplo, una cortina o un deflector suave.
El sustrato 113 pasa a través de un divisor de zona lile hacia la zona de tratamiento 103. Un vapor que comprende por lo menos 90 % de un halosilano se introduce en la zona de tratamiento 103 a través de una entrada de halosilano 109. El vapor se puede introducir mediante cualquier medio conveniente, tal como a través de una boquilla u orificio (no se muestra) . El vapor se puede colocar perpendicular al sustrato 113. El vapor tiene flujo turbulento. El sustrato 113 se expone al flujo turbulento del vapor en la zona de tratamiento 103. El flujo turbulento se puede lograr mediante cualquier medio conveniente, tal como el uso de un agitador o impulsor 112 en la zona de tratamiento. De forma alternativa, el flujo turbulento se puede lograr mediante el uso de deflectores (no se muestra) en la zona de tratamiento 103 o mediante la selección de una velocidad de flujo de vapor a través de la entrada de halosilano 109, o combinaciones de ambos procedimientos. El vapor penetra el sustrato en la zona de tratamiento 103.
El sustrato 113 pasa a través de un divisor de zona llld hacia una zona de ventilación que comprende una segunda zona de salida de vapor 104 y una segunda zona de entrada de gas inerte 105. La segunda zona de salida de vapor 104 y la segunda zona de entrada de gas inerte 105 pueden comprender una sola cámara, alternativamente, la segunda zona de salida de vapor 104 y la segunda zona de entrada de gas inerte 105, opcionalmente , pueden estar separadas por un divisor de zona lile.
Una persona con experiencia en la industria reconocería que la Figura 1 es un ejemplo y no es limitante. Se pueden hacer modificaciones sin limitar el ámbito de la invención establecido en las reivindicaciones. Por ejemplo, la primera zona de entrada de gas inerte 101 y la primera zona de salida de vapor 102 se pueden combinar en una cámara, por ejemplo, el divisor de zona 111b puede estar ausente.
En una modalidad alternativa, la primera zona de entrada de gas inerte 101 y la primera zona de salida de vapor 102 se pueden eliminar. Se puede usar un sustrato no continuo en lugar del papel continuo 113 que va desde el rodillo de suministro 114 hasta el rodillo de salida 115. Por ejemplo, alternativamente se puede usar un transportador (no se muestra) y los sustratos discontinuos, tales como tablones, ladrillos u otros artículos a ser tratados, se pueden colocar en el transportador y pasar de la zona de tratamiento 103 a la zona de ventilación.
Alternativamente, la segunda zona de salida de vapor 104 y la segunda zona de entrada de gas inerte 105 se pueden combinar en una cámara, por ejemplo, el divisor de zona lile puede estar ausente. Alternativamente, una o más zonas intermedias pueden estar presentes (opcionalmente, separadas por divisores de zona) entre la zona de tratamiento 103 y la segunda zona de salida de vapor 104, entre la segunda zona de salida de vapor 104 y la segunda zona de entrada gas inerte 105, o ambas.
De forma alternativa, se pueden agregar al método una o más zonas adicionales. Por ejemplo, se puede agregar una zona intermedia en una o más ubicaciones seleccionadas de antes de la primera zona de entrada de gas inerte 101, entre la primera zona de entrada de gas inerte 101 y la primera zona de salida de vapor 102, entre la primera zona de salida de vapor 102 y la zona de tratamiento 103, entre la zona de tratamiento 103 y la segunda zona de salida de vapor 104, entre la segunda zona de salida de vapor 104 y la segunda zona de entrada de gas inerte 105, y/o después de la segunda zona de entrada de gas inerte 105; opcionalmente, todas esas zonas se pueden separar mediante divisores de zona.
El método se puede llevar a cabo bajo condiciones de presión de ambiente. Alternativamente, el método se puede realizar a presión reducida en una o más zonas. El método puede incluir calentamiento en una o más zonas. Por ejemplo, la zona de tratamiento, y cualquier otra zona en la cual el halosilano esté presente, se puede mantener a una temperatura por encima de la temperatura de condensación del halosilano para minimizar el potencial de corrosión del aparato usado para tratar el sustrato.
Ejemplos Los siguientes ejemplos se incluyen para demostrar la invención a una persona con conocimientos de la materia. No obstante, aquellas personas con conocimientos de la materia deben, en vista de la presente descripción, apreciar que en las modalidades especificas descritas se pueden hacer muchos cambios y aún obtener un resultado igual o similar sin desviarse del espíritu y ámbito de la invención.
Ejemplo 1 de Referencia - Procedimiento de tratamiento, prueba de apresto cobb y prueba de inmersión, y evaluación de fuerza Papeles kraft no blanqueados (24 pt y 45 pt) , que eran de color marrón claro, se trataron con varias soluciones que contenían clorosilanos en pentano. Los papeles se desplazaron a través de una máquina como una red en movimiento, donde se aplicó la solución de tratamiento. La velocidad de la línea fue, típicamente, 3.0 metros/minuto (10 pies/minuto) a 9.1 metros/minuto (30 pies/minuto), y la velocidad de la línea y flujo de la solución de tratamiento se ajustaron de forma de lograr un completo remojo del papel. Luego el papel se expuso a suficiente calor y circulación de aire para eliminar el solvente y los silanos volátiles. Posteriormente, el papel se expuso a una atmósfera de amoniaco para neutralizar el HC1. Los atributos hidrofóbicos de los papeles tratados se evaluaron posteriormente mediante la prueba de apresto Cobb e inmersión en agua durante 24 horas.
La prueba de apresto Cobb se realizó de conformidad con el procedimiento establecido en el método de pruebas T441 TAPPI, en donde una superficie de papel de 100 cm2 se expuso a 100 mililitros (mL) de agua desionizada a 50 °C durante tres minutos. El valor reportado fue la masa (g) de agua absorbida por metro cuadrado (g/m2) por el papel tratado.
La eficiencia de deposición se calculó a partir de la cantidad de clorosilano (s ) aplicada al sustrato celulósico por medio del uso de las variables conocidas de concentración de solución, velocidad de aplicación de solución y velocidad de suministro de papel. La cantidad de resina contenida en el papel tratado se determinó al convertir la resina en unidades de siloxano monomérico y cuantificarias por medio del uso de cromatografía de gas de conformidad con el procedimiento descrito en "The Analytical Chemistry of Silicones", Ed. A. Lee Smith. Chemical Analysis Vol. 112, Wiley-Interscience (ISBN 0-471-51624-4), páginas 210-211. La eficiencia de deposición fue entonces determinada al dividir la cantidad de resina en el papel entre la cantidad clorosilano ( s ) aplicada.
Ejemplos del método Se realizaron corridas experimentales para demostrar la mejora en la eficiencia de la silicona que es posible al practicar el método descrito en la presente descripción. Se suministró un rollo de papel a través de una cámara. Para los ejemplos, la cámara estaba dividida en zonas separadas por divisores de zona de espuma Viton. La longitud de la cámara era de 0.9 metros (3 pies). Se introdujo el vapor de halosilano en la parte superior y en la parte inferior de la zona de tratamiento, perpendicular a la parte superior y a la parte inferior del papel. Las corridas a baja velocidad fueron a 15.2 metros/minuto (50 pies por minuto) con un tiempo de exposición de 3.6 segundos. La baja velocidad del papel correspondió a 1750 gm/minuto de papel. Las corridas a alta velocidad fueron a 30.5 metros por minuto (100 pies por minuto) con el recinto del mismo tamaño, de manera que el tiempo de exposición fue 1.8 segundos. La alta velocidad del papel correspondió a 3500 gm/minuto de papel. El papel fue de 15.2 cm (seis pulgadas) de ancho y 45pt de espesor de Rock-Tenn Corporation. El vapor suministrado a la zona de tratamiento fue 100 % eSiCl3 o una mezcla 50:50 de Me2SiCl2 y MeSiCl3. La velocidad baja de halosilano fue 20 gm/minuto. La velocidad alta de halosilano fue 40 gm/minuto. Para los ejemplos realizados con calentamiento, una placa de calentamiento situada directamente debajo de la zona de tratamiento contenia aceite caliente a 150 °C que circulaba a través de la placa de calentamiento. Esto mantuvo la cámara que rodeaba la zona de tratamiento en el punto de ebullición del MeSiCl3. Para los ejemplos en los que no se aplicó calor, el aceite caliente no se hizo circular a través de la placa de calentamiento (y el método se llevó a cabo a temperatura ambiente) .
Se observó que la temperatura del papel aumentó después del tratamiento. Sin intención de estar limitados por la teoría, se cree que eso ocurrió debido a que el calor producido por el HC1 fue absorbido por el agua en el papel y/o reaccionó con los minerales en el papel. Este aumento de temperatura pareció cuantitativo y se podría usar en un esquema de control para el método (por ejemplo, para controlar la cantidad de halosilano suministrada o la velocidad del papel).
En la Tabla 1 se presenta un resumen de las eficiencias con dos combinaciones de suministro. En los ejemplos comparativos etiquetados "Sin Deflectores", el cartón pasó de la zona inerte ventilada a la zona de tratamiento y luego salió de la zona de tratamiento hacia la zona de ventilación habiendo retirado los divisores de zona de espuma Viton. En todos los otros ejemplos, se agregó por lo menos un divisor de zona. Se evaluaron varias configuraciones. En general, dividir la cámara en por lo menos una zona de tratamiento separada y una zona de ventilación proporcionó eficiencia mejorada. Las eficiencias y las configuraciones de deflectores para separar las zonas de tratamiento de las zonas de ventilación se describen abajo en la Tabla 1.
Tabla 1 Ejemplo 9 Deflectores de aproximadamente 30.5 cm 15 . 2 ( 50 ) 20.6 65 {12 pulgadas) a la izquierda 15.2 cm {6 pulgadas) a la izquierda 15.2 cm (6 pulgadas) a la derecha 30.5 cm (12 pulgadas) a la derecha del punto de suministro de vapor Ejemplo 10 Deflectores de aproximadamente 30.5 cm 30.5 (100) 39.2 44 {12 pulgadas) a la izquierda 15.2 cm {6 pulgadas) a la izquierda 15.2 cm {6 pulgadas) a la derecha 30.5 cm {12 pulgadas) a la derecha del punto de suministro de vapor Ejemplo 11 Deflectores de aproximadamente 15 . 2 ( 50 ) 23 . 0 38 30.5 cm (12 pulgadas) a la izquierda 15.2 cm (6 pulgadas) a la izquierda 15.2 cm (6 pulgadas) a la derecha 30.5 cm {12 pulgadas) a la derecha del punto de suminis tro de vapor sin añadir calor al fondo de la cámara Ejemplo 12 Deflectores de aproximadamente 30.5 (100) 43.5 59 30.5 cm (12 pulgadas) a la izquierda 15.2 cm (6 pulgadas) a la izquierda 15.2 cm (6 pulgadas) a la derecha 30.5 cm ( 12 pulgadas ) a la derec a del punto de suministro de vapor sin añadir calor al fondo de la cámara Ejemplo 13 Deflectores de aproximadamente 15 . 2 ( 50 ) 17 . 7 54 30.5 cm (12 pulgadas) a la izquierda 15 cm pulgadas) a 15.2 (6 a la derecha .5 cm pulgadas) a la derecha del punto de suministro de vapor, suministrando una mezcla de eSiC13 Me2SiC12 Ejemplo 14 Deflectores de aproximadamente 30.5 (100) 38.3 58 30.5 cm {12 pulgadas) a la izquierda 15.2 cm {6 pulgadas) a la izquierda 15.2 cm {6 pulgadas) a la derecha 30.5 cm (12 pulgadas) a la derecha del punto de suministro de vapor, suministrando una mezcla de MeSiC13 Me2SiC12 E emplo 15 Deflectores de aproximadamente 15.2 (50) 20.7 58 30.5 cm (12 pulgadas) a la izquierda 15.2 cm (6 pulgadas) a la izquierda 15.2 cm (6 pulgadas) a la derecha 30.5 cm (12 pulgadas) a la derecha del punto de suministro de vapor sin añadir calor al fondo de la cámara

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un método para producir un sustrato hidrofóbico; el método comprende : I) exponer el sustrato a flujo turbulento de un vapor con una concentración que comprende por lo menos 90 % de un halosilano en una zona de tratamiento de manera que el vapor penetre el sustrato, II) colocar el sustrato en una zona de ventilación, caracterizado porque se introduce un gas inerte en la zona de ventilación para formar una presión positiva en la zona de ventilación, caracterizado porque la concentración del halosilano en la zona de ventilación es menor que la concentración del halosilano en la zona de tratamiento.
2. El método de la reivindicación 1, que comprende, además, antes de la etapa I), colocar el sustrato en una zona inerte, caracterizado además porque se introduce un gas inerte adicional para formar una presión positiva en la zona inerte, y la zona inerte es separada de la zona de tratamiento.
3. El método de la reivindicación 1 o reivindicación 2, caracterizado además porque el método es continuo.
4. El método de la reivindicación 1, caracterizado además porque el gas inerte se introduce en la zona de ventilación linea abajo en la salida de una zona de ventilación, caracterizado además porque se retiran los productos derivados.
5. El método de la reivindicación 2, caracterizado además porque el gas inerte adicional se introduce en la zona inerte corriente arriba en la salida de una zona inerte, caracterizado además porque se retiran los productos derivados.
6. El método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque el vapor consiste esencialmente en halosilano y el vapor no contiene solvente.
7. El método de la reivindicación 6, caracterizado además porque el halosilano es un clorosilano.
8. El método de la reivindicación 2, caracterizado además porque el vapor se introduce en o cerca del centro de la zona de tratamiento.
9. El método de cualquiera de las reivindicaciones 3 a 8, caracterizado además porque el tiempo total que el sustrato permanece dentro de la zona de tratamiento varia desde 1 segundo a 10 segundos.
10. El método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque la temperatura del vapor se mantiene por1 encima de la temperatura de condensación del halosilano en la zona de tratamiento.
11. El método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende, además, la etapa III), exponer el sustrato a un compuesto básico después de la etapa II).
12. El método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque el sustrato se selecciona a partir de materiales de construcción; sustratos celulósicos tales como madera y/o productos de madera (por ejemplo, tablas, madera contrachapada , tablones para cercas y/o terrazas, postes de teléfono, juntas de vías férreas o cartón de fibra) , papel (tal como cartón, cartón de cajas, cartón-yeso, papel usado para revestir aislamientos o forros usados para hacer cartón corrugado), o textiles; aislamiento; placas de yeso (tal como tablarroca) ; ladrillos de construcción; o yeso.
13. El método de la reivindicación 1, que comprende, además, pasar el sustrato a través de una zona intermedia ubicada entre la zona de tratamiento y la zona de ventilación, caracterizado además porque la zona intermedia tiene una concentración de halosilano menor que aquélla de la zona de tratamiento y una concentración de halosilano mayor que aquélla de la zona de ventilación.
14. Un sustrato hidrofóbico preparado mediante el método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes.
15. El método de cualquiera de las reivindicaciones 3 a 10, caracterizado además porque una velocidad de suministro del halosilano en la zona de tratamiento se ajusta mediante un programa de computadora; el método comprende las etapas de: i) recibir una solicitud de un dispositivo para suministrar el halosilano en la zona de tratamiento; ii) recibir datos de entrada que comprenden velocidad, ancho y espesor del sustrato que se trata; iii) ejecutar el programa de computación para generar una velocidad de suministro actualizada en base a los datos de entrada recibidos en la etapa ii); y iv) enviar la velocidad de suministro actualizada al dispositivo para suministrar el halosilano.
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