ARTICU LO DE COMPUESTO Y MÉTODO PARA ELABORAR EL MISMO
Campo de la Invención La invención se refiere en forma general, a la producción de productos celulósicos consolidados y, más específicamente, a la producción de un producto celulósico consolidado que utiliza una operación de prensado por inyección de vapor. Antecedentes de la Invención Los adhesivos de resina sintéticos, tales como resinas con base de fenol, son utilizados ampliamente como enlazadores en la manufactura de artículos de compuesto, tales como productos celulósicos consolidados (por ejemplo, tabla fina, tabla de aglomerado, tabla de hebra orientada o tabla de fibra). Tales compuestos pueden ser formados por varios procesos y pueden ser formados en una variedad de formas y tamaños deseados dependiendo del uso final pretendido de los compuestos. Sin embargo, generalmente los productos celulósicos consolidados se forman por la combinación de una resina fenólica, tal como una resina de fenol-formaldehído con material de relleno, tal como fibras celulósicas o partículas celulósicas, y posteriormente enlazando el material de relleno junto en presencia de calor y presión. Varios procesos están descritos en las Patentes Norteamericanas Nos. 5,367,040 y 5,637,658 y en la solicitud de Patente Norteamericana comúnmente asignada también pendiente Serie No. 08/888,878 (presentada el 7 de Julio de 1 997), cuyas descripciones están incorporadas a la presente invención como referencia.
Un proceso principal para elaborar un producto celulósico consolidado es un proceso "en seco". En un proceso en seco, el material de relleno, tal como fibras celulósicas, es transportado generalmente en una corriente gaseosa o por medios mecánicos en un paso de fieltro. Por ejemplo, las fibras suministradas desde un aparato para generar fibras (por ejemplo, un refinador presurizado) pueden ser cubiertas con una resina sintética de termoajuste, tal como una resina de fenol-formaldehído, en un procedimiento de mezcla en línea, en donde la resina se mezcla con la fibra con la ayuda de turbulencia de aire. Posteriormente, las fibras cubiertas con resina provenientes de la línea de soplado, pueden ser formadas al azar en una estera por medio de soplado de aire de las fibras sobre un miembro de soporte. En forma opcional las fibras, ya sea antes o después de la formación de la estera, pueden ser sometidas al secado por pre-prensa, por ejemplo en una secadora similar a un tubo. La estera formada que tiene en típicamente un contenido de humedad de menos de aproximadamente 30% en peso y preferentemente menos de aproximadamente 10% en peso, posteriormente se prensa bajo calor y presión para curar la resina de termoajuste y para comprimir la estera en una estructura consolidada integral. Un proceso de "húmedo-seco" utiliza agua para transportar el material celulósico y el enlazador, previo a una o más remociones de agua, por ejemplo, el secado, los pasos. El prensado por inyección de vapor es un paso de consolidación que puede ser utilizado, por ejemplo, bajo ciertas circunstancias en la producción del proceso en seco y seco-húmedo de compuestos celulósicos consolidados. En el prensado por inyección de vapor, el vapor se inyecta a través de platinas de prensa con calor perforadas, dentro, a través y después fuera de una estera que incluye la resina sintética y el material de relleno. El vapor se condensa en las superficies del relleno y calienta la estera. El calor transferido por medio del vapor a la estera así como el calor transferido desde las platinas de prensa hasta la estera ocasionan que la resina se cure. Cuando se compara con operaciones de prensado convencionales, el prensado por inyección de vapor puede, bajo ciertas circunstancias, proporcionar una variedad de ventajas, como por ejemplo, un tiempo de prensado más corto, una más rápida y satisfactoria cura de paneles más gruesos, y productos que tienen densidades más uniformes. Sin embargo, el prensado por inyección de vapor de esteras que contienen resinas fenólicas, con frecuencia resultan en un producto compuesto final que exhibe características indeseables, tales como una formación de enlace deficiente y/o líneas de pegamento escasas. Con el objeto de asegurar una buena formación de enlace, es deseable tener una dispersión uniforme de la resina fenólica a través de toda la estera. Sin embargo, debido a que las resinas fenólicas son solubles en agua, cuando las esteras que contienen tales resinas son prensadas con vapor, el vapor puede condensar y puede solubilizar la resina. La resina solubilizada puede migrar en forma indeseable hacia regiones de la estera de tal manera, que la resina ya no está dispersa de forma uniforme, resultando en un producto que puede tener regiones de resina escasa y una formación de enlace deficiente.
La formación del enlace deficiente también es atribuible al fenómeno conocido de pre-cura (por ejemplo, en donde la resina se cura antes de que la estera se haya endurecido hasta ser una estructura consolidada integral) y retraso de la humedad (por ejemplo, donde el agua que está presente en el centro o interior de la estera evita que la temperatura de la estera exceda la temperatura de evaporación del agua, 100°C, con lo cual se retrasa la cura de la resina). Las líneas de pegamento escasas ocasionadas por la penetración excesiva de la resina pueden surgir cerca de la superficie del producto formado, donde la resina ha sido lavada en forma indeseable desde la superficie de la estera y ha migrado hacia los extremos de la estera o hacia el centro de la estera. La ausencia de la resina cerca de la superficie del producto— por lo tanto, la presencia de líneas de pegamento escasas— ocasiona el descascaramiento del producto. En vista de lo anterior, sería deseable proporcionar un método para elaborar un producto celulósico que supere los problemas descritos anteriormente. Más particularmente, sería deseable proporcionar un método para elaborar productos celulósicos consolidados, utilizando una resina fenólica convencional y una operación de prensado por inyección de vapor, que mantiene las ventajas y supera las desventajas de los métodos previos para la elaboración de compuestos celulósicos. Sumario de la Invención. Es un objeto de la presente invención superar uno o más de los problemas descritos anteriormente.
En conformidad, la invención proporciona un artículo de compuesto celulósico y los métodos para elaborar el mismo. Generalmente, el método incluye los pasos de combinar una resina fenólica con material celulósico para formar una mezcla, formando una estera de la mezcla, y consolidando la estera bajo calor, vapor y presión en un aparato de prensado para formar el artículo. El método incluye además el paso de proporcionar a la mezcla, un agente catalizador, tal como cloruro de aluminio, previo al paso de la formación de la estera para hidrolizar con ácido las moléculas poliméricas que comprenden el material celulósico. Como una alternativa para estos pasos, el método puede incluir los pasos de combinar un agente catalizador, tal como cloruro de aluminio con material celulósico para formar una mezcla, formando una estera de la mezcla, y consolidando la estera bajo calor, vapor y presión en un aparato de prensado para formar el artículo. En este método alternativo, el método incluye además el paso de proporcionar una resina fenólica a la mezcla previa al paso de consolidación. Los propósitos y ventajas adicionales de la presente invención pueden llegar a ser aparentes para los expertos en la materia a partir de una revisión de la descripción detallada que se encuentra a continuación, tomada en conjunto con las reivindicaciones anexas. Descripción Detallada del Invento. De acuerdo con la presente invención, un artículo celulósico consolidado es elaborado combinando una resina enlazadora fenólica y material celulósico, tal como fibras celulósicas o partículas celulósicas. Se forma una estera y ésta es consolidada bajo calor, vapor y presión en un aparato de prensado por inyección de vapor. Un agente catalizador, como se describe posteriormente con mayor detalle, es proporcionado a la resina y/o material celulósico, preferentemente previo a la etapa de consolidación de la estera. Preferentemente se utiliza un proceso en seco. De acuerdo a un método preferido, se combina una resina fenólica con un material celulósico para formar una primera mezcla seguido de proporcionar a la mezcla un agente catalizador, como cloruro de aluminio. El agente catalizador puede ser rociado a la mezcla de resina fenólica/material celulósico por medio de recursos conocidos. El método incluye además los pasos de formar una estera proveniente de la mezcla que contiene el agente catalizador sobre un miembro de soporte e introducir la estera en un aparato de prensado. La estera que contiene un agente catalizador es consolidada bajo calor, vapor y presión en el aparato de prensado para formar un artículo integral consolidado. En otra modalidad de la presente invención, un agente catalizador, tal como cloruro de aluminio, se combina inicialmente con material celulósico para formar una mezcla, seguido de proporcionar una resina fenólica a la mezcla. La resina fenólica puede ser rociada sobre la mezcla del agente catalizador del material celulósico. Este método también incluye los pasos adicionales de formar una estera de la mezcla que contiene el agente catalizador sobre un miembro de soporte e introducir la estera en un aparato de prensado. La estera que contiene el agente catalizador es consolidada bajo calor, vapor y presión en el aparato de prensado para formar un artículo integral consolidado.
Aún en otra modalidad, una resina fenólica y material celulósico pueden ser combinados, mezclados y formados en una estera. La estera formada puede ser rociada con un agente catalizador tal como aquí se describe aquí. Alternativamente, el agente catalizador podría, en algunos casos, ser aplicado con el vapor saturado durante el paso de consolidación . Sin embargo, en esta última modalidad, se considera que la aplicación del agente catalizador puede ser algo difícil debido a una probable, aunque indeseable, volatilización del agente catalizador. El rellenador celulósico utilizado con la presente invención es preferentemente fibra celulósica o partículas celulósicas (por ejemplo, aglomerados, hebras o laminillas). Los expertos en la materia serán capaces de seleccionar materiales de relleno adecuados. Las resinas preferidas para utilizarse de acuerdo con la presente invención, incluyen resinas fenólicas, incluyendo resinas fenólicas modificadas. Mientras que la resina fenólica puede estar en una forma de peso molecular alto en polvo, la forma en polvo típicamente es más costosa para manufacturarse y, por lo tanto, generalmente se prefiere una forma acuosa de la resina. Muchas resinas fenólicas están disponibles en el mercado. Generalmente una resina fenólica es un producto de reacción de un componente fenólico y un aldehido, la reacción surge en presencia de un compuesto alcalino. El compuesto fenólico de la resina fenólica para utilizarse de acuerdo con la presente invención , puede incluir fenol , cresol, xilenoles, otros fenoles substituidos, y/o mezclas de los mismos. Ejemplos de fenoles substituidos incluyen o-cresol , p-cresol, p-tertbutilfenol, p-nonilfenol , p-dodecilfenol, y xilenoles bi-func¡onales (por ejemplo, 3,5-xilenoles). Una mezcla de cresoles, fenol , y xilenoles (comúnmente conocida como ácido cresílico), puede ser útil de acuerdo con una práctica en escala comercial del método de la presente invención debido a su abundancia y costo relativamente bajo. El componente aldehido de la resina fenólica para utilizarse de acuerdo con la presente invención, no está limitado al aldehido mismo, sino que incluye cualquier aldehido, formaldehído y derivados de los mismos, los cuales son conocidos en la técnica para ser útiles en conjunto con la manufactura de las resinas fenólicas. Por ello, las referencias aquí mencionadas del componente de aldehido de la resina incluyen aldehidos, formaldehídos y derivados de los mismos. El formaldehído es el aldehido preferido. Los derivados del formaldehído incluyen, por ejemplo, paraformaldehído, hexametilenetramina, acetaldehído, glioxal y furfuraldehído. A modo de ejemplo, la proporción del componente de aldehido al componente fenólico puede estar en un rango de aproximadamente 2.0 moles de aldehido o menos por mol del componente fenólico, más específicamente, de aproximadamente 0.5 moles hasta aproximadamente 1 .2 moles de aldehido por mol del componente fenólico, por ejemplo, de aproximadamente 0.8 moles hasta aproximadamente 1 .0 moles de aldehido por mol del componente fenólico. Si es utilizado un compuesto fenólico bi-funcional (por ejemplo, 3,5-xilenoles), la proporción molar equivalente (por ejemplo, la proporción de moles de aldehido al número de posiciones libres en el anillo fenólico disponible para reaccionar con el aldehido) puede estar en un rango de aproximadamente 0.4: 1 hasta aproximadamente 0.66: 1 . Sin embargo, la presente invención no está limitada a estos rangos. Como se observó anteriormente, la formación de la resina fenólica para utilizarse de acuerdo con la presente invención, surge en presencia de un compuesto alcalino (a veces referido como "cáustico") que es utilizado: (a) para lograr la metilolación del fenol; (b) para acelerar la reacción entre el aldehido y el compuesto fenólico; y, (c) para solubilizar la resina formada. Varios compuestos alcalinos adecuados son conocidos en la técnica, e incluyen , por ejemplo, hidróxido de sodio, hidróxido de potasio, o mezclas de los mismos. Aunque pueden ser utilizadas proporciones más altas de sustancia cáustica y los expertos en la técnica serán capaces de seleccionar niveles cáusticos adecuados, la cantidad de sustancia cáustica añadida a la mezcla fenólica/aldehído, puede estar en un rango de aproximadamente 0.05 moles hasta aproximadamente 0.2 moles de compuesto alcalino por mol de compuesto fenólico. Tal cantidad de sustancia cáustica generalmente asegura propiedades muy beneficiosas del producto formado mientras que permite una cura de resina lo suficientemente rápido. En forma opcional, una cantidad de modificador de dihidroxibenceno
(por ejemplo resorcinol) puede ser añadida a la resina fenólica. Ejemplos de dihidroxibencenos incluyen resorcinol , hidroquinona y catechol. También pueden ser utilizados resorcinoles no substituidos y substituidos incluyendo mezclas de los mismos. La reacción entre la resina fenólica y el modificador surge preferentemente sin la suma adicional de la sustancia cáustica, hasta que una longitud de la cadena deseada pueda ser alcanzada para producir una resina fenólica modificada. Aunque el resorcinol es el compuesto modificador preferido, otros compuestos modificadores que pueden reaccionar con una resina fenol-formaldehído incluyen aminofenoles y fenilenediaminas. Ejemplos de aminofenoles incluyen ortohidroxianilina, metahidroxianilina, y para-hidroxianilina. Ejemplos de fenilenediaminas incluyen orto-fenilenediamina, meta-fenilenediamina, y para-fenilenediamina. Cuando están incluidas, el compuesto modificador está presente preferentemente en un rango de aproximadamente un mol hasta aproximadamente diez moles de compuesto fenólico por mol de resorcinol, y preferentemente de aproximadamente cinco moles hasta aproximadamente diez moles de fenol por molécula de resorcinol. La proporción molar de aldehido a fenólicos totales (por ejemplo, los componentes fenólicos más el modificador dihidroxibenceno) es preferentemente mayor a aproximadamente 1 : 1 , más preferentemente está en un rango de aproximadamente un mol hasta aproximadamente 1 .8 moles de formaldehído por mol de fenólicos, y lo más preferentemente de aproximadamente 1 .1 moles hasta aproximadamente 1 .4 moles de formaldehído por mol fenólico. De acuerdo con la presente invención, una vez que se haya formado una estera que comprende la resina fenólica, el material celulósico y el agente catalizador, la estera es introducida en un aparato de prensado adecuado que tiene platinas de prensa perforadas y la capacidad de inyección por vapor. El vapor se inyecta en la estera a través de las platinas de prensa para curar la resina. El aparato de prensado por inyección de vapor puede incluir platinas de prensa que tienen aperturas, una de las platinas se utiliza para inyectar el vapor a través de las aperturas, y otra platina (por ejemplo, una platina del fondo) se utiliza para desahogar el vapor o el condensado líquido a través de las aperturas. En dicha modalidad, el vapor puede entrar en el lado superior de la estera en forma pareja sobre toda su superficie, posteriormente fluye desde la superficie superior hasta la superficie del fondo, y finalmente sale a través de la platina del fondo. En forma alternativa, el vapor puede ser inyectado y desahogado a través de la misma platina (por ejemplo, la del fondo). La presión en la prensa está preferentemente en un rango de aproximadamente 1 00 libras por calibre de pulgada cuadrada (psig) hasta aproximadamente 400 psig, y más preferentemente en un rango de aproximadamente 200 psig hasta aproximadamente 300 psig . La temperatura del vapor está preferentemente en un rango de aproximadamente 1 50°C hasta aproximadamente 200°C, mientras que las platinas de prensa están preferentemente a una temperatura de aproximadamente 1 50°C hasta aproximadamente 120°C. Los tiempos de prensa generalmente son relativamente cortos, y están preferentemente en un rango de aproximadamente 1 5 segundos hasta aproximadamente 5 minutos, y más preferentemente de aproximadamente de 20 segundos hasta aproximadamente un minuto, por ejemplo, aproximadamente 30 segundos. Sin embargo, estos tiempos de prensa, temperaturas y presiones pueden ser ajustadas dependiendo de los materiales y aparatos que se utilicen. Por ejemplo, tal como será apreciado por los expertos en la técnica, las temperaturas de prensa deseables varían de acuerdo a varios factores, tales como el espesor de la estera que será prensada, el tipo de material celulósico que se prensa, el contenido de humedad del material celulósico, el tiempo de prensa deseado, y el tipo de resina utilizado. Los parámetros del proceso y los aparatos para prensado por inyección por vapor, están descritos más ampliamente en La Experiencia de Prensado de Vapor de Plantas de Operación y Futuras Posibilidades (Steam Pressing Experience from Operating Plants and Future Possibilities) de K. Walter (G. Siempelkamp Gmbh y Co.) y en las Patentes Norteamericanas Nos. 5, 195,428; 5, 1 34,023; y 4,890,849, cuyas descripciones están incorporadas en la presente invención para referencia. Se ha encontrado que la invención proporciona excelentes artículos de compuesto celulósico. Un ejemplo de un agente catalizador adecuado incluye cloruro de aluminio. Aunque la presente invención no está limitada por teoría particular alguna, se han desarrollado teorías para el mecanismo de la invención. Por ejemplo, se considera que el uso de cloruro de aluminio puede actuar en el rellenador celulósico proporcionando excelentes artículos de compuesto celulósico. Por ejemplo, el cloruro de aluminio se puede comportar en forma independiente al enlazador de resina, y actuar para dividir el esqueleto del polímero del material de relleno celulósico. Preferentemente una solución acuosa comprende de aproximadamente 0.2% en peso hasta aproximadamente 0.6% en peso de cloruro de aluminio basado en el peso total de una mezcla de enlazador de resina fenólica y un material celulósico. Esta división, la cual puede ser referida como hidrólisis con ácido del material de relleno celulósico, imparte características de maquinación mejoradas a los artículos formados. Las características de maquinación mejoradas incluyen facilidad en el corte, enrutamiento y forma del artículo formado. Hasta ahora ha sido difícil, si no imposible, obtener artículos formados por medio de métodos de prensa por inyección de vapor que tengan una resistencia similar a las tablas formadas a través de métodos de prensa convencionales. Sin embargo, se considera que el prensado por inyección de vapor de acuerdo con el método de la presente invención que utiliza un cloruro de aluminio, imparte una resistencia al artículo formado similar a la alcanzada por los artículos formados por medio de métodos de prensa convencionales, mientras que al mismo tiempo proporciona las otras ventajas de la inyección de vapor. Además, los artículos formados están caracterizados adicionalmente por la ausencia substancial de fibra elevada a la superficie, (por ejemplo, una superficie suave), como se observa en forma visual. La invención proporciona otras ventajas. Los productos de tablas gruesas que normalmente requerirían un prensado prolongado y períodos de cura de resina, ahora pueden ser manufacturados más eficientemente (por ejemplo, más rapidez y uso de temperaturas y/o presiones de prensa reducidas) de acuerdo con el método de prensa por inyección de vapor de la presente invención . Dichos productos de tabla pueden tener espesores mayores de aproximadamente 0.5 pulgadas (aproximadamente 1 .27 centímetros (cm), preferentemente en un rango de aproximadamente 0.5 pulgadas (aproximadamente 1.27 cm.) hasta aproximadamente cuatro pulgadas (aproximadamente 10.16 cm), y más preferentemente en un rango de aproximadamente una pulgada (aproximadamente 2.54 cm) hasta aproximadamente tres pulgadas (aproximadamente 7.62 cm), por ejemplo, aproximadamente 2 pulgadas (aproximadamente 5.08 cm.). El método de la presente invención puede ser utilizado en la manufactura de artículos de compuesto celulósico tales como tabla de fibra (por ejemplo, tabla de fibra o tabla dura de densidad media), tabla fina, tabla de hebra orientada (OSB), contrachapado, y tabla de partícula, incluyendo compuestos de los mismos (por ejemplo, un artículo multi-capa que tenga una primera capa de (OSB) y una cubierta de tabla de fibra). Las aplicaciones de producto preferidas incluyen miembros estructurales, piezas de adorno exteriores y decorativas, cerraduras, plafones, molduras para puerta (áreas decorativas que rodean una puerta), columnas, desviadero exterior y techado. Para algunas aplicaciones, las platinas de prensa preferentemente proporciona al producto final una superficie grabada que parece madera natural. Como se manifestó con anterioridad, el uso de resinas fenólicas en los métodos de prensa por inyección de vapor de la técnica anterior, han producido productos de compuesto que exhiben características indeseables, tales como, por ejemplo, una formación de enlace deficiente y/o líneas de pegamento escasas. Se ha determinado que las características indeseables pueden ser atribuidas a varios factores, tales como el deslavado de la resina, la pre-cura de la resina, y el retraso de humedad. Aunque la presente invención no se limita a mecanismo particular alguno, el método de la presente invención supera preferentemente estos problemas incorporando un agente catalizador, tal como cloruro de aluminio. La descripción anterior se proporciona únicamente para esclarecer el entendimiento, y no debe entenderse como una limitación innecesaria, ya que para los expertos en la materia, pueden ser aparentes modificaciones dentro del alcance de la presente invención.