WO2005054151A1 - Compuesto térmico basado en fibras de celulosa - Google Patents

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Definitions

  • This new material was innovated and developed for its application in the field of architecture, civil engineering as a base material in the construction of housing and buildings with low environmental impact.
  • the same compound can in turn be used as a thermal coating on the walls or ceilings of houses and buildings already constructed with conventional building materials.
  • this material is manufactured based on a mixture of materials that include limestone, water and cement such as industrial or river sand and Portland cement.
  • This mixture is placed on a mold that defines the size and type of block to be produced, the mold is placed on a machine that applies enough pressure (vibro-compaction) to give a semi-solid consistency.
  • the block is transported on a platform to a drying yard and is water-based and then dried in the open until it solidifies completely.
  • burnt brick by giving them mechanical resistance by means of heat, it loses its thermal properties, which is reflected in that it absorbs, accumulates and transmits too much heat inside homes and buildings.
  • thermal insulation there are also other materials used as thermal insulation. Among them is the thermal silver paint that is applied on ceilings and whose insulating characteristic consists in the reflective capacity of the paint as well as exterior paint with different ingredients that provide a certain degree of thermal insulation. These materials have a lower degree of thermal insulation than polyurethane or poly-styrene, so they are much less effective but their cost is lower.
  • the invention is a new integral compound that can be classified as a new material for the construction industry.
  • This new compound is based on a mixture of cellulosic fibers and light cements (lime, cement, gypsum, magnesium hydroxide) that allow it to retain thermal, insulating, lightening, acoustic and biodegradable characteristics of cellulosic fibers and therefore can be used as external and internal thermal insulation and as material for mortars and fillings. This allows to reduce the high consumption of energy, water and fuel to cool or heat the living spaces, reducing the costs of maintenance and operation of homes or buildings.
  • this compound has mechanical resistance similar to those obtained in products such as concrete block or brick, which also allows it to be used as a raw material for the production of blocks, bricks, partitions, cassette panels and panels of different sizes, thick, wide and long.
  • This new compound is not corrosive, reactive, toxic or flammable.
  • Cellulosic fiber is one of the many polymers found in nature; Wood, paper and cotton contain cellulose. Cellulose is formed by repeated units of the glucose monomer. Cellulose is the main component in the manufacture of paper and cardboard and also, in small quantities, it is found in products such as rayon, photographic films, cellophanes, explosives, to name just a few. Cellulosic fibers can be obtained during the process of recycling paper and cardboard or virgin cellulose. For the case of this invention cellulosic fibers are being used originated during the paper recycling process. This component is an excellent thermal insulator. The following figure shows the chemical composition of this compound.
  • Plaster (CaSO4-2H2O) is found in many clays as a product of the reaction of limestone with sulfuric acid.
  • One of the great advantages and fundamental characteristics of plaster is its thermal insulation capacity. Its coefficient of thermal penetration (which is a function of the coefficient of thermal conductivity, specific heat and density) is very low, similar to the materials traditionally considered warm (wood, cork, etc.)
  • the plaster has important contributions as a construction material, both for its capacity to absorb the noise produced by an impact and for its low transmission capacity. The plaster breaks the sound wave thus preventing its progression and progress. It is used in the development of the new material to give it strength and body quickly avoiding the disfigurement of the finished product. It also helps so that water is absorbed by 80%, allowing the chemical reaction of lime and cement.
  • Quicklime, CaO is widely used in the construction industry in the manufacture of calcium silicate bricks, lightweight concrete blocks, mortars, stucco and hydrated lime.
  • Lime is also used in the production of aerated concrete blocks by the reaction of lime and sand grout with powdered aluminum or zinc. Hydrated limes, produced through water aggregates to quicklime, are used for wall decoration and surface stabilization.
  • lime is used to help stabilize the fiber, as a catalyst between gypsum, cement and fiber and as an antiseptic which eliminates bacteria, fungi and viruses that may occur in the finished compounds.
  • Cement is a fine powder substance made of gypsum mortar capable of forming a soft paste when mixed with water and that hardens spontaneously in contact with air. It has various applications such as the joining of sand and gravel to form concrete, glue surfaces of different materials or for surface coatings in order to protect them from the action of chemical substances.
  • Typical Portland cements consist of mixtures of tricalcium silicate (3CaO-SiO2), tricalcium aluminate (3CaO-A12O3) and dicalcium silicate (2CaO-SiO 2 ) in various proportions, together with small amounts of magnesium and iron compounds. In this development, it is the one that finally achieves the desired mechanical resistance and can be compared with traditional materials.
  • Magnesium hydroxide is formed by the reaction of a magnesium salt with sodium hydroxide. It is commonly used in the medical field as a laxative, "milk of magnesia", offers a number of advantages over halogenated flame retardant compounds (of organic origin) traditionally used. Halogenated systems provide excellent flame retardant activity. Magnesium hydroxide has a high decomposition temperature of approximately 340 ° C. In this development, magnesium hydroxide is a flame retardant that prevents the empty spaces of the fiber from presenting high amounts of oxygen preventing this from producing fire, in the presence of fuel and heat, if this happens to happen magnesium hydroxide together With the hygroscopic function of cellulosic fiber and other cements, it prevents these products from being consumed by fire.
  • the following table shows the relationship between each of the materials used and the mentioned characteristics of the final material.
  • Cementing agents are mixed in the following quantities: 8 kg of gypsum (+ - 15%), .5kg of magnesium hydroxide (-i-- 10%), 5 kg of Portland Cement (+ - 20%) and 2kg of lime (+ - 25%). Once these materials are perfectly mixed, 13 Kg of cellulosic fiber (+ - 20%) are added together with 25 liters of water (+ - 20%). All materials must be collected and mixed thoroughly to obtain the final compound. This compound can be applied to the walls of the house or buildings to obtain the benefits of thermal insulation. The quantity produced in a mixture with these quantities is sufficient to cover 3 square meters of surface with an approximate thickness of half an inch.
  • Mixing process 1 This process includes the mixing of the cellulosic fiber materials, 13 Kg of cellulosic fiber (+ - 20%) are mixed with 2 kilograms of sawdust (+ - 20%). This mixture should be stored so that moisture is not lost. Adding sawdust to the mixture it allows to obtain a greater degree of mechanical resistance that is necessary so that the final product (brick, block, partition, etc.) has similar characteristics to that of traditional products.
  • the new compound can be used as exterior and interior thermal insulation for walls. Thermal coating on ceilings and also as stuffing material and lightening of pottery. It can be used as a raw material for the production of blocks, bricks, partitions, panels, boxes and panels of different sizes, thicknesses, widths and lengths.

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Abstract

Esta invención se refiere a un compuesto basado en fibra celulósica de origen natural, de matriz biodegradable y cementantes ligeros (cal, cemento, yeso e hidróxido de magnesio) que puede ser utilizado como aislamiento térmico, o como materia prima en la elaboración de ladrillos, tabicones, paneles, casetones y tableros o aglomerados para la construcción de viviendas y edificios. El material tiene propiedades aislantes y acústicas. No es corrosivo, reactivo, toxico, inflamable o infeccioso. El objetivo de este compuesto es proveer materiales biodegradables, renovables y que tengan un menor impacto ambiental al ramo de la construcción. Este material conserva las características de resistencia mecánica de los materiales convencionales.

Description

COMPUESTO TÉRMICO BASADO EN FIBRAS DE CELULOSA
Esfera de la tecnología a la que aplica.
Este nuevo material fue innovado y desarrollado para su aplicación en el campo de la arquitectura, la ingeniería civil como material base en la construcción de vivienda y edificios de bajo impacto ambiental. El mismo compuesto puede ser utilizado a su vez como recubrimiento térmico en los muros o techos de casas y edificios ya construidos con materiales convencionales de construcción.
Estado de la técnica conocida.
Se tocara primero la técnica actual de producción de los materiales de construcción usados mas comúnmente. Después veremos la técnica actual de uso de los materiales y métodos usados como aislantes térmicos.
Se conoce el proceso de fabricación de los materiales convencionales como el ladrillo de arcilla quemado o el block de concreto a presión. Los métodos de fabricación y las características de cada uno de estos materiales se presentan a continuación:
En el caso del block de concreto, este material se fabrica a base de una mezcla de materiales donde figuran la caliza, agua y cementantes como arena industrial o de río y cemento Pórtland. Esta mezcla se coloca sobre un molde que define el tamaño y tipo de block que se va a producir, el molde se pone en una maquina que aplica presión (vibro-compactación) suficiente para dar una consistencia semi-sólida. El block se transporta en una tarima a un patio de secado y es fraguado a base de agua y luego secado a la intemperie hasta que solidifica por completo.
En el caso del ladrillo de arcilla quemado, se utilizan como materia base arcilla y cementantes que se mezclan con agua. Esta mezcla después se deposita en moldes donde se les da el tamaño deseado. En este molde se deja reposar hasta que se deshidrata y se obtiene un cierto grado de solidez y se puede sacar el ladrillo del molde sin que se fragmente. Estos ladrillos son después apilados o distribuidos en quemadores donde, a base de calor, se estabilizan y se les da resistencia mecánica. Por ultimo se dejan enfriar a la intemperie.
La desventaja del ladrillo quemado es la siguiente: al darles resistencias mecánicas por medio de calor pierde sus propiedades térmicas lo que se refleja en que absorbe, acumula y transmiten demasiado calor al interior de las viviendas y edificios.
Tanto para el ladrillo como para el block de concreto, sus pesos específicos son muy altos debido a que las materias primas son en si pesadas. Son generados a partir de bancos de materiales que se agotan rápidamente y que no son renovables. Son materiales poco apropiados (no compatibles) para climas extremosos ya que las casas habitación o edificios construidos con estos materiales son muy frías en invierno y muy calientes en el verano por las características inherentes de los materiales, ya que su capacidad de transmisión de calor es significativa, obligando a tener altos consumos de energía eléctrica, agua y combustoleos para enfriar o calentar los espacios habitables
En el caso de los materiales usados como aislante térmico para viviendas o edificios, se tienen una variedad de productos usados comúnmente en la industria. Entre ellos se cuenta con el poliuretano esperado y poli-estireno que se aplican como materiales externos en los muros de las construcciones. Ambos productos son buenos aislantes térmicos pero son de costo elevado, deben reemplazarse periódicamente para mantener un nivel de aislamiento óptimo, son muy inflamables y no son biodegradables lo que representa un problema en el manejo de estos materiales cuando su vida útil se agota.
Existen también otros materiales usados como aislamiento térmico. Entre ellos se encuentra la pintura plateada térmica que se aplica en techos y cuya característica aislante consiste en la capacidad reflejante de la pintura así como pintura para exteriores con diferentes ingredientes que proporcionan cierto grado de aislamiento térmico. Estos materiales tienen un grado de aislamiento térmico menor al poliuretano o el poli-estireno por lo que son mucho menos efectivos pero su costo es menor.
Ante la falta de un compuesto integral que posea mejores propiedades térmicas y que tenga como componentes materias renovables y biodegradables, que pueda ser aprovechado como principal fuente de materia prima para la elaboración de materiales de construcción o bien como aislamiento térmico para viviendas o edificios de bajo impacto ambiental a un menor costo, se desarrollo este material el cual se pretende proteger por medio de esta solicitud ya que se trata de un compuesto único que reúne todas las características mencionadas anteriormente.
Divulgación de la invención.
La invención es un nuevo compuesto integral que puede clasificarse como un nuevo material para la industria de la construcción. Este nuevo compuesto esta basado en una mezcla de fibras celulósicas y cementantes ligeros (cal, cemento, yeso, hidróxido de magnesio) que le permiten conservar características térmicas, aislantes, aligerantes, acústicas y biodegradables propias de las fibras celulósicas y por lo tanto puede utilizarse como aislamiento térmico exterior e interior y como material para enjarres y rellenos. Esto permite reducir los altos consumos de energía, agua y combustoleos para enfriar o calentar los espacios habitables, reduciendo los costos de mantenimiento y funcionamiento de las viviendas o edificios.
Además este compuesto tiene resistencias mecánicas similares a las obtenidas en productos como el block de concreto o el ladrillo lo que permite que se use también como materia prima para la elaboración de bloques, ladrillos, tabicones, paneles casetones y plafones de diferentes medidas, gruesos, anchos y largos. Este nuevo compuesto no es corrosivo, reactivo, toxico ni inflamable.
A continuación se mencionan las características que aportan cada uno de los materiales que se usan para fabricar este nuevo compuesto.
La fibra celulósica es uno de los muchos polímeros encontrados en la naturaleza; la madera, el papel y el algodón contienen celulosa. La celulosa está formada por unidades repetidas del monómero glucosa. La celulosa es el principal componente en la manufactura de papeles y cartones y también, en pequeñas cantidades, se encuentra en productos como el rayón, películas fotográficas, celofanes, explosivos, por mencionar sólo algunos. Las fibras celulósicas pueden obtenerse durante el proceso de reciclaje del papel y cartón o bien de la celulosa virgen. Para el caso de esta invención se están utilizando fibras celulósicas originadas durante el proceso de reciclaje del papel. Este componente es un excelente aislante térmico. En la siguiente figura se muestra la composición química de este compuesto.
Figure imgf000005_0001
El yeso (CaSO4-2H2O) se encuentra en muchas arcillas como un producto de la reacción de la caliza con ácido sulfúrico. Una de las grandes ventajas y características fundamentales del yeso es su capacidad de aislamiento térmico. Su coeficiente de penetración térmica (que está en función del coeficiente de conductividad térmica, del calor específico y de la densidad) es muy bajo, similar al de los materiales considerados tradicionalmente como cálidos (madera, corcho, etc.) El yeso tiene importantes aportaciones como material de construcción, tanto por su capacidad de absorción del ruido producido por un impacto como por la baja capacidad de transmisión del mismo. El yeso rompe la onda sonora impidiendo de esta manera la progresión y avance de la misma. Es utilizado en el desarrollo del nuevo material para darle resistencia y cuerpo rápidamente evitando la desfiguración del producto terminado. Además ayuda para que el agua sea absorbida en un 80%, permitiendo la reacción química de la cal y el cemento. La cal viva, CaO, es muy usada en la industria de la construcción en la manufactura de ladrillos de silicato de calcio, bloques livianos de concreto, morteros, estuco y cal hidratada. La cal también es usada en la producción de bloques de concreto aireados por la reacción de lechada de cal y arena con aluminio o zinc pulverizado. Las cales hidratadas, producidas a través de agregados de agua a la cal viva, son usadas para la decoración de paredes y estabilización de superficies. En el desarrollo de este nuevo compuesto, la cal es usada para ayudar a la estabilización de la fibra, como un catalizador entre el yeso, cemento y fibra y como un antiséptico el cual elimina a bacterias, hongos y virus que se puedan presentar en los compuestos terminados.
El cemento es una sustancia de polvo fino hecha de argamasa de yeso capaz de formar una pasta blanda al mezclarse con agua y que se endurece espontáneamente en contacto con el aire. Tiene diversas aplicaciones como en la unión de arena y grava para formar hormigón, pegar superficies de distintos materiales o para revestimientos de superficies a fin de protegerlas de la acción de sustancias químicas. Los cementos Pórtland típicos consisten en mezclas de silicato tricálcico (3CaO-SiO2), aluminato tricálcico (3CaO-A12O3) y silicato dicálcico (2CaO-SiO2) en diversas proporciones, junto con pequeñas cantidades de compuestos de magnesio y hierro. En este desarrollo, es el que finalmente logra la resistencia mecánica deseada y pueda ser comparada con los materiales tradicionales.
El hidróxido de magnesio, se forma por la reacción de una sal de magnesio con hidróxido de sodio. Se utiliza comúnmente en el campo de la medicina como laxante, " leche de magnesia", ofrece una serie de ventajas respecto a los compuestos retardantes de flama halogenados (de origen orgánico) utilizados tradicionalmente. Los sistemas halogenados proporcionan una excelente actividad de retardancia de flama. El hidróxido de magnesio tiene una alta temperatura de descomposición aproximada de 340 °C. En este desarrollo, el hidróxido de magnesio es un retardante de flama que impide que los espacios vacíos de la fibra presente cantidades altas de oxigeno impidiendo que esto produzca fuego, en presencia de combustible y calor, si esto llegara a suceder el hidróxido de magnesio junto con la función higroscópica de la fibra celulósica y demás cementantes impide que estos productos sean consumidos por el fuego.
La siguiente tabla muestra la relación entre cada uno de los materiales usados y las características mencionadas del material final.
Figure imgf000006_0001
CEMENTO 4 3 12 A 1 4B 1 4 a 3 2 A 3 12 A 3 12
HIDROXIDO DE 1 i a 1 P 1 1 " 1 I B 3 1 A 2 2 © MAGNESIO 1 TOTAL A 25 B 14 C 12 D 13 E 31 F 29
PONDERA .CION
^ Alta relación 3
O Media relación 2
B Baja relación 1
Mejor método conocido para realizar la invención.
Existen dos procesos de mezcla muy similares entre sí. Uno de ellos se utiliza para obtener el compuesto usado como aislamiento térmico y el otro se usa para obtener el compuesto usado como materia prima en la fabricación de materiales de construcción. A continuación se describen ambos procesos.
Para obtener la mezcla usada como recubrimiento térmico:
Se mezclan cementantes en las siguientes cantidades: 8 Kg de yeso (+- 15%), .5kg de hidróxido de magnesio(-i-- 10%), 5 Kg. de Cemento Pórtland(+- 20%) y 2kg de cal(+- 25%). Una vez que se tienen estos materiales perfectamente mezclados se agregan 13 Kg de fibra celulósica (+- 20%) junto con 25 litros de agua (+- 20%). Deben reunirse todos los materiales y mezclarse perfectamente para obtener el compuesto final. Este compuesto puede aplicarse a las paredes de la vivienda o edificios para obtener los beneficios de aislante térmico. La cantidad producida en una mezcla con estas cantidades es suficiente para cubrir 3 metros cuadrados de superficie con un espesor aproximado de media pulgada.
Para obtener la mezcla usada como material para la fabricación de ladrillos o blocks debe seguirse el siguiente procedimiento:
Proceso de mezcla 1: Este proceso incluye la mezcla de los materiales de la fibra celulósica, se mezclan 13 Kg de fibra celulósica (+- 20%) con 2 kilogramos de aserrín (+- 20%). Esta mezcla debe almacenarse de forma que no se pierda humedad. El añadir aserrín a la mezcla permite obtener un grado mayor de resistencia mecánica que es necesaria para que el producto final (ladrillo, bloque, tabicón, etc.) tenga características similares a la de los productos tradicionales.
Proceso de mezcla 2: En este proceso se mezclan cementantes en las siguientes cantidades: 8 Kg de yeso (+- 15%), .5kg de hidróxido de magnesio(+- 10%), 5 Kg de Cemento Pórtland(+- 20%) y 2kg de cal(+- 25%).
Proceso de mezcla final: La mezcla 1 y la mezcla 2 debe juntarse y añadir 25 litros de agua (+- 20%). Debe reunirse todos los materiales y mezclarse perfectamente para obtener el compuesto final. Este compuesto puede ponerse en moldes para obtener la forma y el tamaño deseado. Estos moldes son puestos en una maquina de presión usada en la fabricación de bloque de concreto para aplicar presión suficiente a los materiales y les dé la forma definitiva. Este compuesto debe ponerse en un patio de secado hasta que deshidrate completamente antes de ser usado.
Posibilidades de utilización o aplicación.
El nuevo compuesto puede utilizarse como aislamiento térmico exterior e interior para muros. Recubrimiento térmico en techos y además como material para enjarres rellenos y aligeramientos de lozas. Puede usarse a su vez como materia prima para la elaboración de blocks, ladrillos, tabicones, paneles, casetones y plafones de diferentes medidas, gruesos, anchos y largos.

Claims

Reivindicaciones
Dando a conocer suficientemente mi invención, la considero como una novedad y por lo tanto reclamo de mi exclusiva propiedad, lo contenido en las siguientes cláusulas:
1) Material alternativo o sustituto para el ramo de la construcción que puede utilizarse como aislamiento térmico y que se obtiene de la mezcla de fibras celulósicas con cemento, cal, yeso e hidróxido de magnesio en las siguientes cantidades: 8 Kg de yeso (+- 15%), .5kg de hidróxido de magnesio(+- 10%), 5 Kg de Cemento Pórtland(+- 20%) y 2kg de cal(+- 25%), 13 Kg de fibra celulósica (+- 20%) junto con 25 litros de agua (+- 20%).
2) Material alternativo o sustituto para el ramo de la construcción que puede utilizarse como materia prima para la elaboración de bloques, ladrillos, tabicones, paneles casetones y plafones de diferentes medidas, gruesos, anchos y largos. Se obtiene de la mezcla de fibras celulósicas con cemento, cal, yeso e hidróxido de magnesio en las siguientes cantidades: 8 Kg de yeso (+- 15%), .5kg de hidróxido de magnesio(+- 10%), 5 Kg de Cemento Pórtland(+- 20%), 2kg de cal(+- 25%), 13 Kg de fibra celulósica (+- 20%) y 2 kilogramos de aserrín (+- 20%).
3) El uso de un material alternativo o sustituto de acuerdo a la reivindicación 1 para el ramo de la construcción como material aislante particularmente en muros interiores y exteriores o techos de las viviendas o edificaciones.
4) Material compuesto para el ramo de la construcción de acuerdo a la reivindicación 2 caracterizado porque la fibra celulósica se obtiene de los residuos industriales de los procesos de producción de la industria del papel, siendo estos reusados y reciclados para producir una nueva materia prima para la fabricación de nuevos materiales.
5) El proceso para obtener la mezcla usada como aislamiento térmico caracterizado por los siguientes pasos: a) Mezclar cementantes en las siguientes cantidades: 8 Kg de yeso (+- 15%), .5kg de hidróxido de magnesio(+- 10%), 5 Kg de Cemento Pórtland (+- 20%) y 2kg de cal (+- 25%). b) Mezclar 13 Kg de fibra celulósica (+- 20%) junto con 25 litros de agua (+- 20%). c) Mezclar perfectamente los compuestos de los pasos b y c para obtener el compuesto final.
6) El proceso para obtener la mezcla usada como materia prima caracterizado por los siguientes pasos: a) Mezclar 13 Kg de fibra celulósica (+- 20%) con 2 kilogramos de aserrín (+- 20%). Esta mezcla debe almacenarse de forma que no pierda humedad. b) Mezclar cementantes en las siguientes cantidades: 8 Kg de yeso (+- 15%), .5kg de hidróxido de magnesio (+- 10%), 5 Kg de Cemento Pórtland (+- 20%) y 2kg de cal (+- 25%). c) Mezclar los compuestos obtenidos en los pasos a y b con 25 litros de agua (+- 20%). Este compuesto puede ponerse en moldes para obtener la forma y el tamaño deseado. Estos moldes son puestos en una maquina de presión usada en la fabricación de bloque de concreto para aplicar presión suficiente (vibro-compactación)a los materiales y les dé la forma definitiva. Este compuesto debe ponerse en un patio de secado hasta que deshidrate completamente antes de ser usado.
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