WO2016141497A1 - Método para producir tableros mdf con nfc/mfc - Google Patents

Método para producir tableros mdf con nfc/mfc Download PDF

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WO2016141497A1
WO2016141497A1 PCT/CL2015/050007 CL2015050007W WO2016141497A1 WO 2016141497 A1 WO2016141497 A1 WO 2016141497A1 CL 2015050007 W CL2015050007 W CL 2015050007W WO 2016141497 A1 WO2016141497 A1 WO 2016141497A1
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resin
nfc
mfc
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refiner
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PCT/CL2015/050007
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Olli Joutsimo
Bruno GORRINI
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Investigaciones Forestales Bioforest S.A.
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    • B27N3/08—Moulding or pressing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
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    • B27N1/00—Pretreatment of moulding material
    • B27N1/02—Mixing the material with binding agent

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing MDF boards (Medium Density Fiberboard), fiber and particle panels with the addition of nano and micro fibrillated cellulose (NFC / MFC).
  • MDF boards Medium Density Fiberboard
  • NFC / MFC nano and micro fibrillated cellulose
  • Nano and micro fibrillated cellulose have interesting properties, such as low density, high chemical reactivity, high resistance and high transparency (Nogi et al .; 2009; Lee et al., 2009; P ákk or et al., 2007; Siró and Plackett, 2001), which has a high potential in industrial applications. Additionally, it has been reported that the mechanical properties of a wide range of polymers can be improved by composite blends.
  • US patent application 2010/0285295 A1 “Wood adhesive containing reinforced additives for structural engineering produc ⁇ s”, refers to the use of nano cellulose (nano fibrillated cellulose (NFC), micro fibrillated (MFC), nano cellulose crystals (NCC) )) as additives in adhesives such as UF, polymer diphenylmethane (pMDI), melamine formaldehyde (MF), phenol-urea-formaldehyde (PUF), melamine-urea-formaldehyde (MUF), melamine-urea-phenol-formaldehyde (MUPF) , phenol-melamine-urea-formaldehyde (PMUF), adhesive protein, natural phenolic adhesives, unsaturated poly-esters and combination thereof.
  • adhesives such as UF, polymer diphenylmethane (pMDI), melamine formaldehyde (MF), phenol-urea-formaldehyde (PUF), melamine
  • the adhesive with the addition of nano cellulose can be used in structural board products (plywood, laminated veneer (LVL), particle board, fiber board, wafer board, laminated wood beams, structural composite wood, oriented particle board (OSB), fiber oriented wood (OSL) or parallel strand wood (PSL).
  • structural board products pllywood, laminated veneer (LVL), particle board, fiber board, wafer board, laminated wood beams, structural composite wood, oriented particle board (OSB), fiber oriented wood (OSL) or parallel strand wood (PSL).
  • nano cellulose is used as a resin additive, preparing a mixture of nano cellulose and resin.
  • Patent application US 201 1/0293932 discloses the production of nano cellulose and how it can be used as an additive in adhesives. NCC is referred to as nano cellulose and it is not established how the adhesive can be used in the production of boards and / or panels, nor in MDF boards.
  • Patent application US 201 1/0201755 "Thermoplastic nanocomposite base material don nanocrystalline cellulose (NCC)”, establishes the production of polymeric compounds of NCC-vinyl polymers, to be used as adhesives in medical applications.
  • the replacement of UF by nano cellulose in MDF boards is not mentioned and is exposed to the NCC as a source of nano cellulose.
  • Figure 1 describes the flow chart of the method of the invention of an MDF board production line, and indicates the possible points of addition of the NFC / MFC mixture in the process.
  • Figure 2 shows a graph with IB values for boards with 10% resin replacement with 0.1% NFC / MFC and no addition of NFC / MFC. Detailed description of the invention:
  • the present invention surprisingly found that 0 to 100% of the UF resin can be replaced with 0 to 100% NFC / MFC (weight percentages / resin weight), while maintaining or improving the properties of the panels and / or boards.
  • the results can be obtained when the NFC / MFC and / or fillers are added together (for example, calcium carbonate, clays, gypsum, kaolin, alumina-silicates), without prior mixing with the resin and paraffin emulsions, to the fibers in the defibration / refining stage, after said stage or after the drying stage.
  • cellulose microfibers are defined as particles with a size between 200 and 1000 mesh, that is, between 75 and 13 mm, without giving a clear definition of micro fibrillated or nano fibrillated cellulose.
  • cellulose microfibres commercially purchased from CreaFill Fibers Corp, mixed with resin, with dimensions of 30 mm x 18 mm x 1 -2 mm, differing from the NFC / MFC were used as an additive used in the present invention which is obtained from commercial white pulp, mechanically treated in a refiner and with a width of less than 100 nm, which is a size much smaller than that used in US document.
  • the microcellulose fibers are mixed with mineral nano particles and are treated with ultrasound, and then mechanically combined with the resin, which differs from the way in which the addition of the NFC / MFC of the present invention, since there is no mixture of the resin and the NFC / MFC before entering the process steps.
  • the process consists of processing the wood 1, in a debarker 2, which provides wood chips 4 to the board and / or panel production plant, and bark 3 to the energy production center 23.
  • Wood chips 4 are sent to cleaning and sorting processes to remove traces of bark and sand.
  • the splinters pass to the splinter washing station 5 where materials whose density prevents them from floating are eliminated, mainly sand and metals.
  • the clean chips are taken to a vaporizer silo 24. In the vaporizer silo 24, it is possible to remove the occluded air in the chips which makes the subsequent process of heat transfer in the digester 25 more efficient.
  • splinters in the silo are heated with saturated steam at a pressure of 3 bar in order to standardize the temperature, homogenize the humidity and soften them making the removal of water and natural resins from the wood more effective. From the vaporizer silo they pass to the digester 25.
  • the digester 25 consists of a vertical tube of variable diameter in which the chips are heated by saturated steam at a pressure of 7 to 9 bar, during a retention period of 2 to 7 minutes.
  • the steam flow, pressure and temperature are controlled automatically.
  • a variable speed feed exit screw at the bottom of the digester determines the volume of material flow to the defibrator / refiner 6.
  • a paraffinic emulsion or wax 7 is injected into the feed screw and is correctly mixed with the fiber during the refining process, as it can also be injected into the blow line.
  • the chips are transported to a feed screw towards the defibrator / refiner 6, where, as the name implies, the defibration of the material is carried out, where the fibers of the chips are separated.
  • the shredder are two cutting discs. One disk is fixed, and the other is rotary. The separation between the stationary and rotating discs in the body of the defibrator produces the greatest impact on energy consumption during refining.
  • the chips are introduced through the center of the fixed disk and are forced to enter through the narrow opening between the discs by centrifugal force.
  • the vapor pressure in the disk housing blows the fiber through an adjustable blow valve, mounted on the shredder housing and then through a blow line to the drying duct. Part of the steam generated by the process, in a power plant 23, is transferred back to the top of the refiner / defibrator via steam return pipe 14 '.
  • the adhesive is prepared by mixing the various components, such as resins, urea solution, catalyst (if present), colorants, fillers, etc. and water in a certain proportion with respect to weight, generally with a consistency of 50-80% by weight of resin, the rest is water, preferably 65% by weight of resin, the rest is water.
  • Resin 8 is stored in ponds from where it is pumped to the mixing unit near the defibrator / refiner 6. It can be injected into the inlet (not shown in Figure 1) or the defibrator / refiner outlet 6 or the outlet dryer 9, in the event that the gluing process is dry (dry blending).
  • Drying is carried out in a one or two stage dryer 9 and the heat source used consists of hot gases 14 'or hot air coming from the thermal plant through ducts in which it is mixed with fresh air to control the temperature.
  • the fiber-vapor mixture from the defibrator / refiner 6 is driven to the dryer duct 9.
  • the hot air stream evaporates moisture and conducts the fiber to the cyclones of the dryer, where the dry fiber is separated from the drying gas.
  • the wet gas is expelled to the top of the cyclone.
  • the fiber is transported to fiber silo 10.
  • Dry fibers of the dryer 9, the recycle fibers of the former 11 and the fibers of the formation line and cleaning systems reach the fiber silo 10.
  • the fiber silo 10 acts as a small storage lung between the fiber preparation area and the blanket formation line, feeding the press 13. Maintains a constant flow of fiber to the forming station, as well as it is ensured that the different types of fiber that are fed to the tank are mixed homogeneously before entering the formation process.
  • a variable speed conveyor located at the bottom of the silo 10, controls the amount of fiber towards the former 11.
  • a pneumatic separator (not shown in the figure) specially designed to separate and remove high density particles such as adhesive lumps, fiber knots, metal, etc., is located in the end of the discharge of the fiber silo 10. Here the amount of inferior quality material that goes to the fiber flow towards the forming stage is minimized. The fiber that comes from the fiber tank is transported to this unit by air flow, and then to the training station.
  • the fiber that comes from the fiber silo 10 is introduced into a formation head 11 either by wind formation, or mechanical formation generating a continuous blanket, of different height according to the thickness and density of the board to be manufactured.
  • the objective of the prepress is mainly to reduce the height of the mattress to deliver greater stability to the blanket and decrease the pressing time.
  • the pressing process 13 either in multi-press or continuous presses.
  • the process of consolidation of the board occurs, through the application of pressure and temperature, for a certain time, depending on the density of the board, thickness, and other process conditions.
  • the pressed board crosses various work stations, where it is subjected to measurement operations 15, classification, cooling 16, storage 17 after cooling, sanding 18, formatting 20 and packaging 22. Where the cuts of formatting 21 and the powders of the sander 19, feed the power center 23.
  • the NFC / MFC mixture can be added to the outlet of the digester 25, in the feed screw to the defibrator / refiner 6, after the output of the defibrator / refiner, called blow line 6, at this point it can be added to the fibers together with the NFC / MFC mixture one or more fillers, or at the exit of the dryer 9, at this point it can also be added to the fibers together with the NFC / MFC mixture, fillers together with resin or rosary the fiber blanket with a low consistency NFC / MFC mixture (the addition points are marked with a star in the figure).
  • the resin is not mixed beforehand with the NFC / MFC, but they are added separately to the board production process.
  • NFC / MFC can range from 0.5 to 50% (by weight of nano cellulose / weight of dry resin), preferably 1 to 30%.
  • the resins used are mainly UF and MUF in amounts ranging from 5 to 25% by weight of dry-based resin of wood fibers (resin / water).
  • the U / F molar ratios are 0.4 to 1, 4, with a solids content of 40 to 65%, strengthened or not with melamine (0.3 to 7% by weight of melamine) and with viscosities of 100 to 500 cps.
  • catalysts can be used in the process, such as ammonium sulfate, ammonium chloride or ammonium nitrate, for the amine-based resin; which are added, previously mixed with the adhesive mixture.
  • concentrations of the catalysts vary from 0.1 to 5% by dry weight with respect to the dry base resin.
  • the fillers used correspond to calcium carbonate, clays, gypsum, kaolin and alumina-silicates, with calcium carbonate being preferred.
  • concentrations of these agents range from 1 to 100% by weight and their dosage in the process is from 1 to 30% by weight with respect to the resin.
  • the manufacturing conditions of the boards were as follows:
  • Pressing time 2, min 45 sec., Which is equivalent to a pressing factor of 10.3 sec / mm.
  • Density of the boards 500 - 540 kg / m 3 .
  • the nano cellulose used on the board was produced from bleached Kraft pulp treated in a mill.
  • Both boards use 1,215 gr. of fibers, the standard board uses 121.5 gr of UF resin, while the board with nano cellulose uses 109.4 gr. of UF resin (10% less resin) and 1, 09 gr. of solid NFC / MFC.
  • the fibers were sprayed with the corresponding resins (standard and resin mixture with NFC / MFC), forming a blanket of fibers and pressed at 180 ° C for 4.5 minutes.
  • Figure 2 shows the results for IB (for its acronym in English, Internal Bond), which measures the consolidation of the boards and / or panels, obtained for each board.
  • the board of the invention (with 10% less resin, replaced by a mixture of NFC / MFC), has an IB of 0.128 N / mm 2 and the standard board, has an IB of 0.125 N / mm 2 . Proving that the IB values are similar but using a smaller amount of resin in the production of the boards.
  • Example 2 10% and 20% resin are replaced with respective amounts of NFC / MFC of 0%, 1%, 2%, the effect on the IB of each board being measured.
  • the nano cellulose used in the boards was produced from bleached Kraft pulp treated in a mill.
  • the catalyst used in this example was ammonium sulfate.
  • Example 2 shows the increases in IB from 0.156 N / mm 2 to 0.234 N / mm 2 when 20% resin has been replaced with 2% NFC / MFC.
  • Example 3 shows the addition of fillers such as calcium carbonate, clay, gypsum, kaolin and alumina silicates, in conjunction with NFC / MFC to further reduce the use of resins in the production of MDF boards.
  • fillers such as calcium carbonate, clay, gypsum, kaolin and alumina silicates
  • Wood fibers and UF resin are used in the production of 2 different types of laboratory-scale MDF boards.
  • the nano cellulose used on the board was produced from bleached Kraft pulp treated in a mill. In both cases the fibers were sprayed with the corresponding resins (standard and NFC / MFC mixture with PCC and resin), forming a blanket of fibers and pressed at 180 ° C for 4.5 minutes.
  • the present invention decreases the amount of UF resin used in the production of MDF boards, obtaining MDF boards with an IB greater than that obtained from production without the addition of NFC / MFC.

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  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Forests & Forestry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Dry Formation Of Fiberboard And The Like (AREA)

Abstract

La presente invención se refiere a un método para la producción de tableros MDF, paneles de fibra y de partículas, a partir de fibras celulósicas que comprende las etapas de: Obtener astillas de madera; Transportarlas a un silo vaporizador, en donde son calentadas; Transportarlas a un digestor, en donde se continúan calentando y son conducidas a través de un tornillo de salida de alimentación hacia un desfibrador/refinador; Agregar una emulsión parafínica a las astillas; Transportarlas hacia el desfibrador/refinador; Inyectar resina; Llevar hacia un secador; Transportar hacia un silo de fibra; Llevar las fibras a una etapa de formación, pre-prensado, prensado, medición, clasificación, enfriamiento, lijado, formateo y embalaje de los tableros/paneles obtenidos, en donde se agrega celulosa nano fibrilada (NFC) junto con celulosa micro fibrilada (MFC) ya sea en el tornillo de alimentación, o después del desfibrador/refinador, o después del secador.

Description

MÉTODO PARA PRODUCIR TABLEROS MDF CON NFC/MFC.
Campo de la Invención:
La presente invención se relaciona con un método para producir tableros MDF (por sus siglas en inglés: Médium Density Fiberboard), paneles de fibra y de partícula con la adición de celulosa nano y micro fibrilada (NFC/MFC). Los productos obtenidos por el método de la presente invención, a partir de fibras celulósicas micro y nano fibriladas tienen propiedades con mejor rendimiento y el método posee una mayor productividad.
Estado del Arte:
La celulosa nano y micro fibrilada posee propiedades interesantes, tales como baja densidad, alta reactividad química, alta resistencia y alta transparencia (Nogi et al.; 2009; Lee et al., 2009; P ákk ó et al., 2007; Siró and Plackett, 2001 ), lo cual posee un alto potencial en aplicaciones industriales. Adicionalmente, se ha reportado que se pueden mejorar las propiedades mecánicas de un amplio rango de polímeros mediante mezclas compuestas.
Se han reportado algunos estudios en donde se considera el uso de la nano celulosa en los tableros para mejorar las propiedades de los mismos, por ejemplo Veigel (2012) reporta la producción de OSB (por sus siglas en inglés: Oriented Strand Boards) fabricados con urea- formaldehído (UF) y con adición de un 1 % p/p de nano celulosa, obteniéndose una reducción en el espesor de la hinchazón, una mayor energía de enlace interna y un mejoramiento de la flexión con respecto a los OSB producidos sólo con UF.
La solicitud de patente US 2010/0285295 A1 : "Wood adhesive containing reinforced additives for structural engineering producís", se refiere a la utilización de nano celulosa (celulosa nano fibrilada (NFC), micro fibrilada (MFC), cristales de nano celulosa (NCC)) como aditivos en adhesivos como la UF, difenilmetano polimérico (pMDI), melamina formaldehído (MF), fenol-urea-formaldehído (PUF), melamina-urea-formaldehído (MUF), melamina-urea-fenol-formaldehído (MUPF), fenol-melamina-urea- formaldehído (PMUF), proteína adhesiva, adhesivos fenólicos naturales, poli-éster insaturados y combinación de los mismos. El adhesivo con la adición de nano celulosa puede ser usada en productos de tableros estructurales (madera contrachapada, chapa de madera laminada (LVL), tableros de partículas, tableros de fibras, tableros de obleas, vigas de madera laminada, madera compuesta estructural, tableros de partículas orientadas (OSB), madera de fibra orientada (OSL) o madera de hebra paralela (PSL). En esta patente, la nano celulosa es utilizada como un aditivo de resina, preparando una mezcla de nano celulosa y resina.
La solicitud de patente US 201 1/0293932: "Adhesión with nanocrystalline cellulose", divulga la producción de nano celulosa y como puede ser usada como un aditivo en adhesivos. Se refiere como nano celulosa a NCC y no se establece como el adhesivo puede ser utilizado en la producción de tableros y/o paneles, ni tampoco en tableros MDF.
La solicitud de patente US 201 1/0201755: "Thermoplastic nanocomposite material base don nanocrystalline cellulose (NCC)", establece la producción de compuestos poliméricos de polímeros de NCC-vinilo, para ser utilizados como adhesivos en aplicaciones médicas. No se menciona el reemplazao de UF por nano celulosa en tableros MDF y se expone a la NCC como fuente de nano celulosa.
La solicitud de patente US 2014/0154757 A1 : "Processes and apparatus for producing nanocellulose and compositions and products produced therefrom", reivindica que uno de los usos de la nano celulosa puede ser como un modificador reológico. Forsstróm et al. (2013) y Moon (2014), también mencionan que la nano celulosa puede ser utilizada para modificar la viscosidad de diferentes soluciones.
Sin embargo, ninguna de dichas publicaciones y solicitudes de patente, reconoce que mediante la adición y mezclado de resina (por ejemplo UF), NFC/MFC y/o agentes de rellenos (por ejemplo, carbonato de calcio, arcillas, yeso, caolín, alúmina-silicatos) y fibras juntos en la producción de la fibra para tableros y/o paneles, se puede reducir el consumo de UF y se pueden mejorar las propiedades de los tableros y/o paneles.
Descripción de la figura:
La figura 1 , describe el diagrama de flujo del método de la invención de una línea de producción de tableros MDF, e indica los posibles puntos de adición de la mezcla NFC/MFC en el proceso.
La figura 2, muestra un gráfico con los valores IB para tableros con reemplazo de 10% de resina con 0,1 % de NFC/MFC y sin adición de NFC/MFC. Descripción detallada de la invención:
La presente invención, sorprendentemente descubrió que del 0 al 100% de la resina UF puede ser reemplazada con 0 a 100% de NFC/MFC (porcentajes en peso/peso de resina), mientras se mantienen o mejoran las propiedades de los paneles y/o tableros. Los resultados pueden ser obtenidos cuando se agregan en conjunto la NFC/MFC y/o agentes de rellenos (por ejemplo, carbonato de calcio, arcillas, yeso, caolín, alúmina- silicatos), sin una mezcla previa con la resina y emulsiones parafínicas, a las fibras en la etapa de desfibración/refinación, después de dicha etapa o después de la etapa de secado. Lo cual asegura una mejor mezcla de las fibras, resina, NFC/MFC y/o agentes de rellenos (por ejemplo, carbonato de calcio, arcillas, yeso, caolín, alúmina-silicatos). En donde también los requerimientos de energía en el mezclado son reducidos, obteniéndose con ello una mejor mezcla.
La fabricación de tableros MDF, está bien descrita en la literatura, refiriéndose a la obtención de fibras de madera mediante un proceso de refinación termomecánico, en tanto, el proceso de fabricación de OSB, es mediante la fabricación de hojuelas (Strand), sin refinación termomecánica.
En el documento US 2010/0285295, se definen a las microfibras de celulosa como partículas con tamaño entre 200 y 1000 mesh, es decir, entre 75 y 13 mm, sin dar una clara definición de celulosa micro fibrilada o nano fibrilada. Más aún en los ejemplos 1 y 2 del mismo documento se utilizó como aditivo, microfibras de celulosa adquiridas comercialmente de CreaFill Fibers Corp, mezcladas con resina, con dimensiones de 30 mm x 18 mm x 1 -2 mm, diferenciándose de las NFC/MFC utilizadas en la presente invención que se obtiene a partir de pulpa blanca comercial, tratada mecánicamente en un refinador y con un ancho menor a 100 nm, lo que es un tamaño mucho menor al utilizado en el documento US. Por otra parte en los ejemplos 3 y 5 del documento, las fibras de micro celulosa, se mezclan con nano partículas minerales y son tratadas con ultrasonido, y luego son mecánicamente combinadas con la resina, lo cual se diferencia de la forma de adición de las NFC/MFC de la presente invención, ya que no existe una mezcla de la resina y las NFC/MFC antes de ingresar a las etapas del proceso.
El proceso consiste en procesar la madera 1 , en un descortezador 2, el cual provee de astillas de madera 4 a la planta de producción de tableros y/o paneles, y de corteza 3 al centro de producción de energía 23. Las astillas de maderas 4, son enviadas a procesos de limpieza y de clasificación para eliminar restos de corteza y arena. Las astillas pasan a la estación de lavado 5 de astillas donde se eliminan los materiales cuya densidad les impide flotar, principalmente arena y metales. Por medio de un tornillo drenador se llevan las astillas limpias a un silo vaporizador 24. En el silo vaporizador 24, se consigue eliminar el aire ocluido en las astillas lo que hace más eficiente el proceso posterior de transferencia de calor en el digestor 25. Las astillas en el silo se calientan con vapor saturado a una presión de 3 bar con el objeto de uniformar la temperatura, homogeneizar la humedad y suavizarlas haciendo más efectiva la eliminación de agua y las resinas naturales de la madera. Desde el silo vaporizador pasan al digestor 25.
El digestor 25, consta de un tubo vertical de diámetro variable en el cual se calientan las astillas mediante vapor saturado a una presión de 7 a 9 bar, durante un período de retención de 2 a 7 minutos. El flujo de vapor, la presión y la temperatura se controlan en forma automática. Un tornillo de salida de alimentación de velocidad variable en la parte inferior del digestor determina el volumen del flujo de material al desfibrador/refinador 6.
Una emulsión parafínica o cera 7, es inyectada en el tornillo de alimentación y es correctamente mezclada con la fibra durante el proceso de refinación, como también puede ser inyectada en la línea de soplado.
Las astillas son transportadas a un tornillo de alimentación hacia el desfibrador/refinador 6, donde como su nombre lo indica se lleva a cabo el desfibrado del material, en donde se separan las fibras de las astillas. En la carcaza del desfibrador se encuentran dos discos de corte. Un disco es fijo, y el otro es rotatorio. La separación entre los discos estacionario y rotatorio en el cuerpo del desfibrador produce el mayor impacto en el consumo de energía durante la refinación. Las astillas son introducidas a través del centro del disco fijo y son forzadas a entrar a través de la angosta abertura situada entre los discos mediante fuerza centrífuga. La presión del vapor en la carcaza del disco sopla la fibra a través de una válvula de soplado ajustable, montada en la carcaza del desfibrador y posteriormente a través de una línea de soplado hacia el ducto de secado. Parte del vapor generado por el proceso, en una planta de energía 23, es transferido de vuelta a la parte superior del refinador/desfibrador vía cañería de retorno de vapor 14'.
El adhesivo se prepara mezclando los distintos componentes, tales como, resinas, solución de urea, catalizador (si está presente), colorantes, agentes de rellenos, etc y agua en cierta proporción respecto del peso, generalmente con una consistencia de 50 - 80% en peso de resina, el resto es agua, preferentemente 65% en peso de resina, el resto es agua. La resina 8 está almacenada en unos estanques desde donde es bombeada hacia la unidad de mezclado cerca del desfibrador/refinador 6. Se puede inyectar a la entrada (no mostrado en la figura 1 ) o a la salida del desfibrador/refinador 6 o a la salida del secador 9, en el caso de que el proceso de encolado sea en seco (dry blending).
El secado es realizado en un secador 9 de una o dos etapas y la fuente de calor empleada consiste en gases calientes 14' o aire caliente provenientes de la planta térmica a través de ductos en los que se mezcla con aire fresco para controlar la temperatura. La mezcla fibra - vapor proveniente del desfibrador/refinador 6, es impulsada al ducto del secador 9. La corriente de aire caliente evapora la humedad y conduce la fibra a los ciclones del secador, donde la fibra seca es separada del gas de secado. El gas húmedo es expulsado hacia la parte superior del ciclón. La fibra es transportada al silo de fibra 10.
Al silo de fibra 10 llegan las fibras secas del secador 9, las fibras de reciclo de la formadora 11 y las fibras de la línea de formación y sistemas de limpieza.
El silo de fibra 10 actúa como un pequeño pulmón de almacenamiento entre el área de preparación de la fibra y la línea de formación de la manta, alimentando a la prensa 13. Mantiene un flujo constante de fibra hacia la estación de formación, así como también se asegura que los diferentes tipos de fibra que son alimentadas al depósito sean mezclados de manera homogénea antes de ingresar al proceso de formación.
Un transportador de velocidad variable, ubicada en el fondo del silo 10, controla la cantidad de fibra hacia la formadora 11.
Un separador neumático (no mostrado en la figura) especialmente diseñado para separar y retirar partículas de alta densidad como por ejemplo grumos de adhesivo, nudos de fibra, metal, etc., se ubica en el extremo de la descarga del silo de fibra 10. Aquí se minimiza la cantidad de material de calidad inferior que va al flujo de fibra hacia la etapa de formación. La fibra que viene del depósito de fibra es transportada hacia esta unidad mediante corriente de aire, y luego hacia la estación de formación.
La fibra que viene del silo de fibras 10 es introducida dentro de un cabezal de formación 11 ya sea por formación de viento, o formación mecánica generando una manta continua, de diferente altura de acuerdo al espesor y densidad del tablero que se quiere fabricar.
Posteriormente esta manta, pasa por un proceso de pre-prensado 12. El objetivo de la pre-prensa es fundamentalmente disminuir la altura del colchón para entregar una mayor estabilidad a la manta y disminuir el tiempo de prensado.
Posteriormente viene el proceso de prensado 13, ya sea en prensa multiplatos o en prensas continuas. En esta etapa ocurre el proceso de consolidación del tablero, a través de la aplicación de presión y temperatura, por un tiempo determinado, dependiendo de la densidad del tablero, espesor, y otras condiciones de procesos.
El tablero prensado cruza diversas estaciones de trabajo, en donde es sometido a operaciones de medición 15, clasificación, enfriamiento 16, almacenaje 17 luego del enfriamiento, lijado 18, formateo 20 y embalaje 22. En donde los recortes del formateo 21 y los polvos de la lijadora 19, sirven de alimentación al centro de energía 23.
La mezcla de NFC/MFC puede ser agregada a la salida del digestor 25, en el tornillo de alimentación al desfibrador/refinador 6, después de la salida del desfibrador/refinador, llamada línea de soplado 6, en este punto se puede agregar a las fibras junto con la mezcla de NFC/MFC uno o más agentes de rellenos, o a la salida del secador 9, en este punto también se puede agregar a las fibras junto con la mezcla de NFC/MFC, agentes de rellenos junto con resina o rosear la manta de fibras con una mezcla de NFC/MFC de baja consistencia (los puntos de adición se encuentran marcados con una estrella en la figura). La resina no se mezcla en forma previa con la NFC/MFC si no que se adicionan en forma separada al proceso de producción de los tableros. La adición de NFC/MFC, puede ir desde 0,5 a 50% (en peso de nano celulosa/peso de resina seca), preferentemente 1 a 30%. Las resinas utilizadas son principalmente UF y MUF en cantidades que van desde 5 a 25 % en peso de resina en base seca de fibras de madera (resina/agua). En el caso específico de UF, las razones molares U/F son de 0,4 a 1 ,4, con un contenido de sólidos de 40 a 65%, fortalecidas o no con melamina (de 0,3 a 7% en peso de melamina) y con viscosidades de 100 a 500 cps.
Opcionalmente se pueden utilizar catalizadores en el proceso, tales como sulfato de amonio, cloruro de amonio o nitrato de amonio, para las resina con base amina; que se agregan, mezclado previamente con la mezcla adhesiva. Las concentraciones de los catalizadores varían de 0,1 a 5% en peso seco respecto a la resina en base seca.
Los agentes de relleno utilizados corresponden a carbonato de calcio, arcillas, yeso, caolín y alúmina-silicatos, siendo el preferido, el carbonato de calcio. Las concentraciones de estos agentes van desde 1 a 100% en peso y siendo su dosificación en el proceso de 1 a 30% en peso respecto de la resina.
Ejemplos de aplicación:
Las condiciones de fabricación de los tableros fueron las siguientes:
Razón Molar de la resina U/F: 0,95
% de Melamina en la resina: 1 % base seca
Temperatura de la prensa: 180 °C
% de resina en el tablero: 20% base seca
Tiempo de prensado: 2,min 45 seg., que equivale a un factor de prensado de 10,3 seg/mm.
Densidad de los tableros: 500 - 540 kg/m3.
Ejemplo 1 :
Se prepararon 2 tipos de tableros MDF a escala de laboratorio, de acuerdo al método de la invención:
• Un tablero estándar con una carga de 20% de resina (peso seco/peso seco).
· Un tablero con 10% menos de resina que el tablero estándar y con una adición del 1 % de NFC/MFC respecto de la resina. La nano celulosa utilizada en el tablero fue producida desde pulpa Kraft blanqueada tratada en un molino.
Ambos tableros utilizan 1 .215 gr. de fibras, el tablero estándar utiliza 121 ,5 gr de resina UF, mientras que el tablero con nano celulosa utiliza 109.4 gr. de resina UF (10% menos de resina) y 1 ,09 gr. de NFC/MFC sólido.
En ambos casos las fibras fueron rociadas con las correspondientes resinas (estándar y mezcla resina con NFC/MFC), formando una manta de fibras y prensadas a 180°C durante 4,5 minutos.
En la figura 2, se muestran los resultados para IB (por sus siglas en inglés, Internal Bond), el cual mide la consolidación de los tableros y/o paneles, obtenidos para cada tablero. Donde el tablero de la invención (con un 10% menos de resina, reemplazada por una mezcla de NFC/MFC), posee un IB de 0,128 N/mm2 y el tablero estándar, posee un IB de 0,125 N/mm2. Demostrando que los valores de IB son similares pero utilizando una menor cantidad de resina en la producción de los tableros.
Ejemplo 2:
En el ejemplo 2 se reemplaza un 10% y un 20% de resina con cantidades respectivas de NFC/MFC de 0%, 1 %, 2%, midiéndose el efecto en el IB de cada tablero.
En este ejemplo se prepararon 3 tableros MDF a escala de laboratorio, de acuerdo al método de la invención:
• Un tablero estándar con una densidad de 500 kg/m3.
• Un tablero con 10% menos de resina que el tablero estándar y con una adición del 1 % de NFC/MFC respecto de la resina.
· Un tablero con 20% menos de resina que el tablero estándar y con una adición del 2% de NFC/MFC respecto de la resina.
La nano celulosa utilizada en los tableros fue producida desde pulpa Kraft blanqueada tratada en un molino.
En la preparación de los tableros, éstos tenían 835,7 gr. de fibras, el estándar utilizó 313,6 gr. de resina UF y 3,1 gr. de catalizador. El tablero con 1 % de nano celulosa, utilizó 282,2 gr. de resina UF (10% menos de resina), 2,04 gr. de NFC/MFC y 2,8 gr. de catalizador. Por su parte el tablero con 2% de nano celulosa, utilizó 250,8 gr. de resina UF (20% menos de resina), 4,07 gr. de NFC/MFC y 2,4 gr. de catalizador.
Todas las fibras fueron rociadas con las correspondientes mezclas, formando una manta de fibras y prensadas a 180°C durante 4,5 minutos.
El catalizador utilizado en este ejemplo fue el sulfato de amonio.
Tabla 1
Figure imgf000010_0001
El ejemplo 2, muestra los aumentos de IB desde 0,156 N/mm2 hasta 0,234 N/mm2 cuando se ha reemplazado un 20% de resina con 2% de NFC/MFC. A mayor IB, más consolidado y mejor comportamiento, presentan los tableros/paneles ante aplicaciones de tornillo, fresabilidad y durabilidad
Ejemplo 3:
El ejemplo 3 se muestra la adición de rellenos tales como carbonato de calcio, arcilla, yeso, caolín y alúmina silicatos, en conjunto con NFC/MFC para reducir aún más el uso de resinas en la producción de tableros MDF.
Se utilizan fibras de madera y resina UF en la producción de 2 diferentes tipos de tableros MDF a escala de laboratorio.
• Un tablero estándar con 100% de resina UF, de 500 kg/m3 de densidad.
• Un tablero con 10% menos de resina que el tablero estándar y con una adición del 1 % de NFC/MFC respecto de la resina y 1 % de carbonato de calcio en polvo (PCC).
La nano celulosa utilizada en el tablero fue producida desde pulpa Kraft blanqueada tratada en un molino. En ambos casos las fibras fueron rociadas con las correspondientes resinas (estándar y mezcla de NFC/MFC con PCC y resina), formando una manta de fibras y prensadas a 180°C durante 4,5 minutos.
Los resultados para IB se muestran en la Tabla 2 siguiente:
Tabla 2
Figure imgf000011_0001
En la Tabla 2, se pueden apreciar los valores de IB para los tableros producidos, en donde se muestra un aumento para el caso en que además del 1 % de NFC/MFC se adiciona un 1 % de agente de relleno y sólo se mantiene un 80% de resina UF, desde 0,204 N/mm2 a 0,286 N/mm2.
Ventajas de la invención:
La presente invención, disminuye la cantidad de resina UF utilizada en la producción de tableros MDF, obteniendo tableros MDF con un IB mayor al que se hubiese obtenido de la producción sin la adición de NFC/MFC.

Claims

REIVINDICACIONES
Método para la producción de tableros MDF, paneles de fibra y de partículas, a partir de fibras celulósicas CARACTERIZADO porque comprende las etapas de:
a) Obtener astillas de madera y llevarlas a un proceso de limpieza y de clasificación, en donde son lavadas;
b) Transportar las astillas limpias a un silo vaporizador, en donde son calentadas;
c) Transportar las astillas a un digestor, en donde se continúan calentando y son conducidas a través de un tornillo de salida de alimentación hacia un desfibrador/refinador;
d) Agregar una emulsión parafínica a dicho tornillo de alimentación o en la línea de soplado desde el desfibrador/refinador hacia el secador;
e) Las astillas y la emulsión parafínica son transportadas hacia el desfibrador/refinador en donde son correctamente mezcladas y se lleva a cabo el desfibrado del material;
f) Se inyecta resina a la entrada o a la salida del desfibrador/refinador o a la salida del secador; en el caso que el proceso de encolado sea en seco;
g) La mezcla es llevada hacia un secador, en donde se evapora la humedad y la fibra es secada;
h) La fibra seca es transportada hacia un silo de fibra, el cual además recibe las fibras del cepillado de la formadora y las fibras de la línea de formación y sistema de limpieza, en donde se almacenan las fibras y son mezcladas de forma homogénea; i) Las fibras homogéneas son llevadas a una etapa de formación, pre-prensado, prensado, medición, clasificación, enfriamiento, lijado, formateo y embalaje de los tableros/paneles obtenidos, en donde se agrega celulosa nano fibrilada (NFC) junto con celulosa micro fibrilada (MFC) ya sea en el tornillo de alimentación de la etapa (c), o después del desfibrador/refinador de la etapa (e), o después del secador de la etapa (g).
2. Método de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la obtención de astillas, se lleva a cabo alimentando madera a un descortezador.
3. Método de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la resina utilizada puede ser una resina de urea formaldehído (UF) o de melamina-urea-formaldehído (MUF).
4. Método de acuerdo a la reivindicación 3, CARACTERIZADO porque la resina utilizada es una resina UF.
5. Método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque la cantidad de resina utilizada, varía de 5 a 25% en peso de resina en base seca de fibra de madera y posee una concentración de 45 a 70% en peso de resina, el resto es agua, preferentemente una concentración de 65% en peso de resina el resto es agua.
6. Método de acuerdo a la reivindicación 4, CARACTERIZADO porque las razones molares U/F varían de 0,4 a 1 ,4, el contenido de sólidos varía de 40 a 65% en peso y la viscosidad varía de 100 a 500 cps.
7. Método de acuerdo a la reivindicación 3, CARACTERIZADO porque cuando la resina es una resina MUF, el contenido de melamina varía de 0,3% a 7% en peso de melamina.
8. Método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque las concentraciones de NFC/MFC varía de 0,5 a 50% en peso de nano celulosa/peso de resina seca.
9. Método de acuerdo con la reivindicación 8, CARACTERIZADO porque las concentraciones preferidas de NFC/MFC varía desde 1 a 30% en peso de nano celulosa/peso de resina seca.
10. Método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque el NFC/MFC se adiciona en el tornillo de alimentación de la etapa (c).
1 1 . Método de acuerdo a las reivindicaciones 1 a la 9, CARACTERIZADO porque el NFC/MFC se adiciona después del desfibrador/refinador de la etapa (e).
12. Método de acuerdo a las reivindicaciones 1 a la 9, CARACTERIZADO porque el NFC/MFC se adiciona después del secador de la etapa (g).
13. Método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque la emulsión parafínica se inyecta a dicho tornillo de alimentación.
14. Método de acuerdo a las reivindicaciones 1 a 12, CARACTERIZADO porque la emulsión parafínica se inyecta en la línea de soplado desde el desfibrador/refinador hacia el secador.
15. Método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque la resina se inyecta a la entrada del desfibrador/refinador.
16. Método de acuerdo a las reivindicaciones 1 a 14, CARACTERIZADO porque la resina se inyecta a la salida del desfibrador/refinador
17. Método de acuerdo a las reivindicaciones 1 a 14, CARACTERIZADO porque la resina se inyecta a la salida del secador.
18. Método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque el calentamiento de las astillas de la etapa (b) se lleva a cabo a 3 bar, con vapor saturado.
19. Método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque, el digestor de la etapa (c), es un tubo vertical, en donde se continúan calentando las astillas con vapor saturado a 7 a 9 bar, durante un período de 2 a 7 minutos.
20. Método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque el secador de la etapa (g) es de uno o dos etapas y la fuente de calor empleada consiste en gases calientes o aire caliente provenientes de la planta de energía a través de ductos en los que se mezcla con aire fresco para controlar la temperatura.
21 . Método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque la etapa de formación de la etapa (i) se lleva a cabo por formación de viento o formación mecánica, generando una manta continua.
22. Método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque en la etapa de pre-prensado de la etapa (i), se disminuye la altura de la manta.
23. Método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque la etapa de prensado de la etapa (i), se lleva a cabo en una prensa multiplatos o en una prensa continua.
24. Método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque opcionalmente se utiliza un catalizador en la etapa (f) en forma separada o conjunta con la resina.
25. Método de acuerdo a la reivindicación 24, CARACTERIZADO porque el catalizador se selecciona de sulfato de amonio, cloruro de amonio o nitrato de amonio, siendo preferido el sulfato de amonio.
26. Método de acuerdo a la reivindicación 25, CARACTERIZADO porque las concentraciones del catalizador varían de 0,1 a 5% en peso seco respecto de la resina en base seca.
27. Método de acuerdo a las reivindicaciones anteriores, CARACTERIZADO porque opcionalmente junto con la mezcla NFC/MFC se agrega uno o más agentes de relleno.
28. Método de acuerdo a la reivindicación 27, CARACTERIZADO porque el agente de relleno se selecciona del grupo conformado por: carbonato de calcio, arcillas, yeso, caolín y alúmina-silicatos.
29. Método de acuerdo a la reivindicación 28, CARACTERIZADO porque el agente de relleno preferido es carbonato de calcio.
30. Método de acuerdo a las reivindicaciones 27 a 29, CARACTERIZADO porque la concentración del agente de relleno varía entre 1 y 100% en peso, dosificándose en un rango de 1 a 30% en peso respecto a la resina.
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