MX2014006507A - Composiciones de colas de almidon sin borax. - Google Patents

Abstract

La propuesta se refiere a la utilización de papel o cartón corrugado producido mediante el empleo de una composición de cola de almidón sin bórax que contiene una dextrina. La composición de la cola de almidón se reticula con aluminato de sodio, en un medio alcalino. La cantidad de aluminato de sodio absolutamente seco se encuentra en un rango de 1 a 35 % con respecto a la dextrina.

Description

COMPOSICIONES DE COLAS DE ALMIDON SIN BORAX Los adhesivos con contenido de almidón y dextrinas desempeñan un papel muy importante en diversas aplicaciones industriales, especialmente en la industria del embalaje. El almidón y la dextrina se utilizan para la producción de envases de papel y cartón ondulado específicamente para el encolado. Asimismo otros sustratos porosos pueden ser encolados satisfactoriamente con estos adhesivos.

Tanto el almidón y como la dextrina son materias primas sumamente económicas, fácilmente disponibles que se utilizan a menudo como dispersión acuosa. Ambos se pueden utilizar tanto en frío como en caliente en formulaciones especiales. El almidón y las dextrinas en forma de polvo se disuelven en agua formando una pasta relativamente viscosa. Endurecen bajo el agua. Aunque el almidón y la dextrina se utilizan ya desde hace mucho tiempo como adhesivos, hay una serie de razones por las que estos adhesivos naturales no pueden ser reemplazados 100 % por productos sintéticos: ¦f Se encuentran fácilmente disponibles S Son económicos ·/ Possen una calidad constante ¦S Possen una buena adhesión con sustratos con contenido de celulosa y porosos Son insolubles en aceites y grasas No son tóxicos y son fácilmente biodegradables •S Son resistentes al calor La siguiente tabla muestra las propiedades de algunas clases importantes de almidón: Las proporciones de amilosa y amilopectina en los diferentes tipos de almidón pueden variar dependiendo de la especie y variedad de la planta amilácea. Dado que para la explotación industrial se requiere principalmente amilopectina, las plantas amiláceas que tienen un porcentaje mayor de amilopectina son las más preferidas. Por este motivo, actualmente, en UE se encuentra en proceso de aprobación la modificación genética de la especie de patata Amflora, dado que su almidón se compone casi en su totalidad por amilopectina . Sobre otras variedades de cebada que tienen un contenido de almidón compuesto en un 95 % por amilopectina se utilizan los métodos convencionales de reproducción.

Ambos productos almidón y dextrina son denominados polímeros de hidratos de carbono o, más precisamente, el almidón es un polisacárido natural. Sólo pocas plantas contienen suficiente almidón en sus hojas, semillas o raíces, por lo que sólo estas plantas son adecuadas para la obtención de almidón.

El almidón está compuesto por dos componentes principales, amilosa y amilopectina. La amilosa tiene cadenas largas, mientras que la amilopectina presenta una estructura ramificada y reticulada.

Esta composición, y por lo tanto su estructura puede variar de planta en planta. Una propiedad importante es el contenido de amilosa, ya que a mayor proporción de amilosa más valiosa es la planta para la producción de almidón.

La amilopectina es soluble en agua fría y se puede utilizar en esta forma soluble, la amilosa, en cambio, es insoluble en agua. Se disuelve por ebullición en agua caliente con el agregado de un álcali fuerte, generalmente NaOH o a temperaturas de 150 a 160 ° C bajo presión. La amilosa en su forma soluble forma una dispersión y geles solidos a concentraciones superiores al 2 %. La amilosa no se disuelve completamente, 100 %, en agua, y con el tiempo se forman agregados cristalinos en las dispersiones mediante uniones puente de hidrógeno. A este proceso se lo denominada retrogradación . Este proceso es el responsable de la viscosidad fluctuante de los adhesivos a base de almidón .

La producción de adhesivos a base de almidón para la industria del cartón corrugado se lleva a cabo ya desde 1930 en la tecnología según el proceso de Stein-Hall.

Los adhesivos a base de almidón son necesarios en la producción de cartón corrugado. El cartón corrugado se produce a partir de papeles encolados. De esta manera, además del papel, el pegamento a base de almidón es el componente más importante en la producción del cartón corrugado. Tanto el pegamento como la adhesión afectan considerablemente la calidad del cartón. El adhesivo de almidón tiene la función de unir fijamente las láminas lisas con las onduladas. Una penetración profunda del pegamento en los poros del papel da como resultado una mejor unión. El producto "cartón corrugado" se produce mediante un procedimiento en el que primero una hoja de papel se corruga al pasar por rodillos calentados. A continuación se le adhiere una hoja similar de un lado, que se pega con cola a base de almidón, por los picos de las ondas. Esto da lugar al cartón corrugado llamado de "simple cara", existe también uno llamado "doble cara".

En la producción de cartón ondulado, es esencial que el adhesivo a base de almidón proporcione un pegado rápido entre las superficies del papel. Por lo tanto, es muy importante que el almidón utilizado posea una viscosidad tal, que permita, por una parte, una buena aplicación del adhesivo y por otro lado que la adhesión sea suficientemente rápida. Para determinar la calidad de la unión se puede llevar a cabo, por ejemplo, una prueba de rotura: para ello, se toma un trozo de cartón corrugado, y se desgarra la hoja lisa adherida a la ondulada. Cuanto más residuos de fibras permanezcan en los puntos de adhesión, mejor será la adherencia. Una muy buena adherencia se demuestra por el hecho de que estas dos hojas sólo se pueden separar por medio de un desgarro.

Una rápida gelatinización y adhesión se ve favorecida, en primer lugar, por la alta temperatura de aplicación y, en segundo lugar, por la influencia del álcali, NaOH y uniones de boro, tales como ácido bórico o bórax presentes en la composición del adhesivo. El bórax, tetraborato disódico, Na2B407, se utiliza durante la producción y el procesamiento para controlar la estabilidad, reologia y humectabilidad de la superficie del adhesivo a base de almidón. Las cantidades de bórax, varían dependiendo de las aplicaciones y el tipo de almidón aproximadamente de 1,5 % hasta 20 % de peso seco con relación al almidón usado. En los últimos tiempos los productores y procesadores de productos adhesivos han limitado el uso de bórax a aproximadamente un 7 % .

Cuando se añade bórax a la mezcla de almidón y álcali con agitación y calentamiento, la viscosidad aumenta, y permanece por un largo tiempo estable. El almidón deriva del trigo, maíz, patata, tapioca o guisantes, los que son modificados químicamente, enzimáticamente o físicamente de acuerdo con el procedimiento general. Existen también las dextrinas amarillas, que se utilizan en la fabricación normal de adhesivos que contienen almidón, como así también en la pregelatinización y en el hinchado de los métodos de adhesión habituales (Stein-Hall, etc.).

El tetraborato disódico reacciona con el almidón, en medio acuoso y alcalino, formando borato de sodio soluble en agua, según los siguientes pasos: 1. Na2B<¡07 + 7H20 -> 2Na+ + 20H" + 4B(OH)3 2. Na+ + OH" + B(0H)3 -> Na+ + B(0H)4" 3. Na+ + B(OH)4" + almidón -OH -> Na+ + almidón- 0-B(OH)3 " + H20 otras posibilidades de reacción: 4. Na+ + almidón-O-B (OH) 3" + Stárke' -OH -> Na+ + (almidón- O-B (OH) 20-almidón ? ) " + H20 El bórax es considerado tóxico debido a su clasificación de "toxicidad reproductiva ( D) 18". Por lo tanto, se trata de un compuesto muy controvertido que la industria del cartón ondulado quiere sustituir. El bórax se encuentra presente en la lista de la Agencia Europea de Sustancias Químicas (ECHA) para productos químicos de la UE desde diciembre de 2010.

En la patente 6.056.816 de EE.UU se propuso, otro aditivo, un silicato sódico, para añadir al adhesivo a base de almidón. La composición contiene normalmente 12 a 35 % en peso de almidón, 1,5 a 12 % en peso de silicatos sódicos solubles, 0.25 a 2.5 % en peso de hidróxido de sodio y hasta 2 % en peso de bórax o ácido bórico, el resto de la formulación es agua, entre 55 y 70 % en peso.

Las ventajas técnicas que de esta composición son una viscosidad más alta, una estabilidad térmica superior y un mayor contenido de sólidos de hasta 45 % en peso con relación a la composición final, en contraposición con un 15 a 35 % en peso de contenido de sólidos según el estado de la tecnología, véase también la columna 4, a partir de la línea 25.

Aunque tales formulaciones de colas a base de almidón han sido ya muy adecuadas para desarrollar un proceso rápido en la producción de cartón ondulado, también se han dado otras mejoras adicionales, por ejemplo, mediante la adición de otros componentes de relleno tales como carbonato de calcio que aumenta también el contenido de sólidos. Esto se describe por ejemplo en el documento EP 1 101 809 Bl.

El documento EP 2363440 Al, describe la adición como aditivos de un homopolimero de un , ß-ácido acrilico insaturado de acuerdo con la fórmula general: CH2 = CR-COOH en la que el sustituyente R se puede elegir entre grupos H, alquilos o arilos monovalentes, radicales aralquilos, radicales alquilos monovalentes, cíclicos, haloalquilenos y cianoalquinos que tengan de 1 a 9 átomos de carbono. Según la reivindicación 16, se expresa también una composición típica de 20 a 80 partes en peso (p/p) de almidón, de 5 a 50 partes en peso (p/p) de NaOH, 200 a 250 partes en peso de almidón en polvo (p/p) , de 1 a 25 partes en peso (p/p) de bórax y de 0.01 a 5 partes en peso (p/p) de ácido poliacrílico o de ácido metacrílico. Esta modificación ha sido destinada al ajuste la viscosidad en el proceso de fabricación, ver también la página 2, línea 35.

Las composiciones anteriormente mencionadas contienen también bórax, además de los otros aditivos, en una concentración de hasta 2 % en peso o de 25 partes en peso (p/p), dependiendo de la cantidad de bórax. Según la enciclopedia de química en línea Rómpp, se debe evitar el uso de bórax principalmente en embalajes para comida o en su uso en general con humanos. En Rómpp en línea, de 2011, se menciona la irritación de "nariz, garganta y mucosas" causadas por humo de bórax. La ingestión de grandes cantidades provoca dolor de estómago, vómitos, diarrea y desórdenes de la circulación hasta conmoción. Puede ocurrir inflamación en caso de contacto cutáneo y ocular. La piel intacta no es afectada por el bórax; Normas Técnicas para Sustancias Peligrosas 900 (2009) (TRGS 900): niveles de exposición profesional de 0.5 mg/m3.

"Así mismo deberá garantizarse que en todas las plantas de producción de cartón corrugado, no se excedan los límites de los niveles de exposición profesional. Muchos fabricantes de cartón ondulado prefieren por este motivo la utilización de "bórax líquido".

Justamente el contacto más frecuente, es el contacto a través de la piel con los empaques. Es por esa razón que en la industria del cartón corrugado se necesita con urgencia un "sustituto del bórax" para los empaques.

La utilización del bórax se encuentra limitada por su baja solubilidad en agua, se disuelve sólo alrededor de 3-5 %, y por la irritación que causa en las membranas mucosas, cuando se usa en forma de polvo.

Se ha sugerido el "Freebor" (producto sin contenido de boro) , entre otros, como sustituto en el uso en formulaciones de adhesivos a base de almidón. Aparentemente se trata de un gel que añadido a la cola a base de almidón, actúa estabilizando la viscosidad. Desafortunadamente, no se conoce la estructura química de este compuesto. Existe una hoja de datos de seguridad sin ninguna indicación en cuanto a la naturaleza química del compuesto. Se cree que es un gel de acrilato.

Existía, por lo tanto, una verdadera necesidad de reemplazar por completo el bórax contenido en las formulaciones de los adhesivos a base de almidón utilizados en la fabricación de papel o cartón ondulado, pero preservando al mismo tiempo todas las propiedades importantes, tales como la viscosidad, contenido de sólidos, pH, etc. Así mismo el uso de una cola a base de almidón sin bórax para la elaboración de papel y cartón corrugado debía prestar tiempos cortos de resistencia y simultáneamente optimizar las condiciones de operación y los costos de energía.

El objetivo anterior podría alcanzarse siempre que el papel o cartón ondulado sea elaborado usando una composición de cola a base de almidón sin bórax pero con contenido de dextrina y que la cola a base de almidón se reticule en un medio alcalino con aluminato de sodio y que la cantidad de aluminato de sodio se encuentre en un intervalo de 1 a 35 % en peso seco con respecto a la dextrina .

Ha sido sorprendente descubrir como la utilización de aluminato de sodio, tanto en su forma líquida como sólida, ha garantizado estas propiedades y, por otra parte, como las composiciones libres de bórax ofrecen una gran ventaja en términos de toxicidad e higiene.

El aluminato se sodio se puede describir con la fórmula general: Na [Al (OH) 4] o también con Na2Al204, debido a que el producto contiene más de la cantidad estequiométricamente necesaria de Na20. Por lo tanto, se toma la proporción Na20/Al203 para su caracterización. El aluminato de sodio se obtiene industrialmente por la llamada digestión Bayer a partir de bauxita o por la recuperación de los residuos cáusticos de aluminato obtenidos en procesos industriales cómo la anodización de aluminio. En general, se obtiene aluminato de sodio por reacción de sales de aluminio en un medio con exceso de hidróxido de sodio.

De acuerdo con Rómpp en línea, 2011, "el metaaluminato de sodio se utiliza para fabricar jabones, papeles, vasos para leche, pinturas en la industria del esmalte, como mordiente en el teñido de alizarina, en ablandamiento de aguas, tratamientos de aguas potable, tratamiento de aguas residuales por floculación, especialmente en combinación con otros floculantes, como sellador de hormigón y como cemento de alta resistencia en presas, túneles y puentes, y es capaz de catalizar la transesterificación de aceite vegetal a biodiésel.

El aluminato de sodio añadido a la composición de colas a base de almidón puede presentarse en forma de granulado o polvo.

La buena solubilidad en agua del aluminato de sodio permite su uso en forma liquida, acuosa, lo cual es muy beneficioso en términos de higiene, ya que se puede evitar la contaminación con polvos corrosivos. La solución acuosa tiene un valor de pH de 11 a 12.

El aluminato de sodio se disocia en agua en los iones Na + y [Al (OH) 4] -, que luego entran en reacción con las moléculas de almidón en medio alcalino. Después de la formación de alimidón-aluminato de sodio soluble en agua, se produce en una segunda reacción de condensación, la reticulación con una segunda molécula de almidón: 1. Na+ + A1(0H)4" + almidón -OH -> Na+ + Stárke-O-Al (OH) 3" + H20 2. Na+ + almidón-0-Al(0H)3" + almidón' -OH -> Na+ + (almidón-O-Al (OH) 2-0- almidón' )" + H20 La acidificación conduce a la hidrólisis con la formación de A1203.

Cuando se añade aluminato de sodio al almidón disuelto en agua por medio de agitación y calentamiento, la viscosidad aumenta, y se mantiene estable por tiempo prolongado. El almidón deriva del trigo, maíz, patata, tapioca o guisantes, los que son modificados químicamente, enzimáticamente o físicamente de acuerdo con el procedimiento general. En este caso se utilizan almidones especiales, degradados, o sea, dextrinas.

Existen también las dextrinas amarillas, que se utilizan en la fabricación normal de adhesivos que contienen almidón, como así también en la pregelatinización y en el hinchado en los métodos de adhesión habituales.

Las dextrinas, también llamadas goma de almidón o maltodextrinas, son productos de degradación del almidón, que por su tamaño molecular se encuentran entre el almidón y los oligosacáridos . Por lo general se presentan en forma de polvo blanco o amarillo claro. Se obtienen principalmente del trigo, la patata y del almidón de maíz por calentamiento en seco (> 150° C) o por hidrólisis ácida. En la naturaleza, se produce dextrina, por ejemplo con la bacteria Bacterium macerans . La dextrina también se forma por la degradación enzimática del almidón mediante la amilasa. (http : //de . wikipedia . org/wiki/dextrina ) Por consiguiente, se prefiere papel o cartón corrugado producido mediante el uso de una composición de cola a base de almidón sin bórax con contenido de dextrina, en la que la dextrina es una dextrina amarilla.

El efecto de la composición de la cola a base de almidón sin bórax con contenido de dextrinas, consiste en una muy buena solubilidad en agua fría, un tiempo de permanencia corto y un rápido aumento de la viscosidad. En la producción de adhesivos, se utiliza esta buena propiedad de su solubilidad en agua fría ya que en contraposición al uso de almidón, se necesita una menor cocción del almidón o se omite la misma por completo. Esto ha hecho posible una reducción de los costos de adquisición y de inversión, de funcionamiento, de ahorro energético y un uso simplificado y más flexible de las composiciones de cola a base de almidón en la producción.

Cuando se comparan las reacciones anteriores con bórax y almidón, como ya se ha representado, se observa que ambas tienen un curso similar. Esta reacción permite que el almidón se convierta por reticulación en una sal de aluminato soluble en agua. Por lo tanto, es posible garantizar la utilización de la reologia y una óptima procesabilidad de la cola a base de almidón en la fabricación del cartón ondulado.

La introducción de un aditivo alcalino tan fuerte como el NaOH ha sido sin duda un hecho sorprendente. Aunque también se sabe que el NaOH no puede ocasionar la reticulación del almidón. Sólo regula el valor de pH y se lo utiliza como un agente de digestión alcalino para la modificación del punto de gelificación del almidón. Del mismo modo, el silicato de sodio alcalino con NaOH no es adecuado para provocar la reticulación y por lo tanto la estabilización de la viscosidad sin el agregado de bórax, véase EE.UU. 6.056.816.

Ingeniosamente, ahora se puede añadir a la dispersión almidón-agua en la digestión térmica aluminato de sodio en forma acuosa, y también forma sólida.

Se sugiere utilizar un aluminato de sodio sólido con un contenido de AI2O3 de 53-55 % y con un tamaño de grano convencional desde 0.1 hasta 0.063 mm y desde 1.0 hasta 0.09 mm, o como solución acuosa de aluminato de sodio o con un 10 - 45 % de sólidos y un 5 - 25% A1203 .

Se sugiere utilizar un aluminato de sodio, en forma de polvo o granulado en cantidades de 1 a 35 % en peso, preferiblemente 2 a 10 %, en agua caliente a 25-70 °C, donde se encuentra el almidón disuelto, con una proporción de almidón (o dextrina) del 45 % de peso seco dispersado. En las reacciones de reticulación se observó un aumento de la viscosidad dependiendo de las mezclas. Las mezclas terminadas, adhesivas de baja a alta viscosidad permanecen estables por largo tiempo y pueden ser utilizadas como adhesivos de almidón para la producción de papel y cartón ondulado .

El aluminato de sodio sirve para controlar la estabilidad, reologia y la humectación de la superficie de la cola con las láminas adheridas durante la fabricación y el procesamiento. Las cantidades requeridas de aluminato de sodio son de 1 a 35 % de peso seco con relación al almidón y/o dextrinas utilizadas. Para la producción de mezclas con un alto contenido de sólidos y con baja viscosidad se puede incorporar a la misma polifosfatos como diluentes y/o también sistemas de relleno adecuados, tales como CaC03.

La posibilidad de utilizar aluminato de sodio, tanto en forma sólida como en forma liquida, ofrece al usuario una gran libertad en cuanto al diseño individual de sus propias formulaciones de colas a base de almidón teniendo en cuenta los valores de adhesivo alcanzados. En comparación, el bórax tiene una solubilidad limitada, sólo un 3 a un 5 % en agua caliente, por esto debe ser utilizado siempre en su forma sólida, lo que conduce a los problemas bien conocidos en la higiene y seguridad en el trabajo.

Se prefiere un aluminato de sodio con una relación de Na20/ A1203 de 1.0 a 1.5.

Se prefiere también la composición de una cola a base de almidón sin bórax en un medio alcalino con valor de pH 12.5.

Se prefiere una composición de cola a base de almidón sin bórax que contenga antes de la reticulación un aluminato de sodio sólido con un contenido de A1203 de 53 a 55 %, con una distribución de tamaños de partícula de 0.1 a 1 rom, en cantidades de 1 a 35 % en peso, preferiblemente de 2 a 10 % en peso con relación a la composición de adhesivo sin bórax.

Otra preferencia es una composición de cola a base de almidón sin bórax que contenga como componentes en la reticulación una solución de aluminato de sodio con 10 a 45 % en peso de sólidos con relación a la composición del adhesivo y un contenido de 5 a 25 % en peso de A1203.

El objetivo de esta invención es también la utilización de la composición de cola a base de almidón sin bórax descrita anteriormente para la fabricación de papel o cartón corrugado.

Los tres ejemplos siguientes (no. 1 a 3) describen la producción de una cola a base de almidón para la industria del papel, sin limitar la invención: Ej emplo no .1 : elaboración de cola a base de almidón a partir de: 300 partes de agua 20 partes de almidón de trigo nativo 8 partes de aluminato de sodio 53/55 % en peso de A1203, agitar 25 min. A 48°C, 1100 U/min 600 partes de agua 250 partes de almidón de trigo nativo 6 partes de aluminato de sodio 53/55 % en peso de A1203, agitar 20 min . a 30°C , 1100 U/min El valor de pH fue de 12.5.

Valor final de viscosidad de la cola a base de almidón: 1170 mPas (Brookfield, husillo LV, huso 3. 30 rpm) Ejemplo no.2: elaboración de cola a base de almidón a partir de: 500 partes de agua 400 partes de dextrina amarilla 25 partes de aluminato de sodio 53/55 % en peso de A1203, 30 min. Dispersar a 48°C, 1100 U/min El valor de pH fue de 12.5.

Valor final de viscosidad de la cola a base de almidón: 900 mPas (Brookfield, husillo LV, huso 3, 30 rpm) Ejemplo no. 3: elaboración de cola a base de almidón a partir de: 500 partes de agua 80 partes de una solución de aluminato con 19% de A1203 30 min. 400 partes de dextrina amarilla. Dispersar a 48°C, 1100 ü/min El valor de pH fue de 12.5.

Valor final de viscosidad de la cola a base de almidón: 90 mPas (Brookfield, husillo LV, huso 3, 30 rpm)

Claims (8)

REIVINDICACIONES

1. Papel o cartón corrugado producido mediante la utilización de una composición de cola de almidón sin bórax que contiene una dextrina. La composición de la cola de almidón se retícula con aluminato de sodio, en un medio alcalino. La cantidad de aluminato de sodio absolutamente seco se encuentra en un rango de 1 a 35 % con respecto a la dextrina.

2. Papel o cartón corrugado de conformidad con la reivindicación 1, caracterizados porque el aluminato de sodio añadido a la composición de la cola de almidón presenta una forma granular o en polvo.

3. Papel o cartón corrugado de conformidad con las reivindicaciones 1 y 2, caracterizados porque la dextrina es una dextrina amarilla.

4. Papel o cartón corrugado de conformidad con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizados porque el aluminato de sodio presenta una proporción de Na20/Al203 de 1.0 a 1.5.

5. Papel o cartón corrugado de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizados porque la composición de la cola de almidón sin bórax presenta un medio alcalino con un valor de pH de 12.5.

6. Papel o cartón corrugado de conformidad con cualquiera, de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizados porque la composición de la cola de almidón sin bórax antes de la reticulación, prefiere un aluminato de sodio sólido con un contenido de A1203 de 53 a 55 %, con una distribución de tamaños de partícula de 0.1 a 1 mm, en cantidades de 1 a 35 % en peso, que contiene 2 a 10 % en peso con respecto a la composición de la cola de almidón sin bórax.

7. Papel o cartón corrugado de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizados porque la composición de la cola de almidón sin bórax en la reticulación, contiene como componentes una solución de aluminato de sodio de 10 a 45 % en peso de sólidos referido a la proporción de cola de almidón sin bórax y AI2O3 en 5 a 25 % en peso.

8. Utilización de una cola de almidón sin bórax para la producción de papel o cartón corrugado de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.