Смесь и способ введения, по меньшей мере, одного ультрадисперсного активного компонента в жидкую водную систему - RU2281959C2

Описание

Изобретение относится к смеси по родовому понятию пункта 1 и способу по родовому понятию пункта 9.

Многие химические активные компоненты, которые перерабатываются до готовых к употреблению жидких систем различной вязкости или пастообразных масс, находятся после изготовления в виде порошка, пудры, муки и до порошковых конфигураций. Они называются "ультрадисперсными". Благодаря более легкому использованию и для предотвращения преждевременных реакций в жидких или влажных фазах эти вещества хранятся и поступают в продажу в сухом виде в ультрадисперсной форме. При применении эти вещества вводят в жидкую водную систему, чаще всего в воду, и получают в итоге, в зависимости от концентрации, средство от жидкой до вязкой консистенции, которое чаще всего растекается по поверхности и которое проявляет свои свойства в этой форме. Примерами здесь являются клей для обоев, загуститель, клей для облицовки стен, клей для дерева, цементные системы, такие как выравнивающие массы и клей для керамической плитки, клеи для половых покрытий, шпаклевки, эстрих-системы и так далее.

Хранение ультрадисперсных активных компонентов в сухой форме хотя и имеет преимущество перед хранением готовых к употреблению продуктов, но имеет также и проблемы, так как манипулирование ультрадисперсными сухими активными компонентами и их дозирование непросты, и возникает также тенденция, что такие активные компоненты при длительном времени хранения затвердевают и поэтому не являются больше однородно сыпучими. Сухие композиции упомянутых выше клейстеров, клеев и шпаклевок содержат, как правило, несколько различных компонентов, которые обладают различными размерами частиц, различной плотностью и структурой поверхности, так что при их расфасовке в ультрадисперсной порошковой форме при хранении может возникнуть расслоение, и при отборе небольших порций из упаковки не гарантируется, что в каждой порции содержится неизменная доля каждого компонента. Равномерное внесение таких ультрадисперсных активных компонентов в жидкость также является порой затруднительным.

В основе изобретения лежит задача улучшить манипулирование, дозировку и внесение ультрадисперсных активных компонентов рассмотренного вида и предотвратить спекание или затвердевание материала при длительных сроках хранения.

Эта задача решается с помощью изобретения, раскрытого в пункте 1.

Выражение "мелкозернистый" должно означать, в противоположность выражению "ультрадисперсный", более крупные агрегаты диаметром от 0,5 до нескольких миллиметров, которые при использовании образуют стабильные формованные изделия и обычно называются, например, как окатыши или гранулят.

Для получения подобных окатышей или гранулятов из уровня техники известны различные способы, например, получение окатышей посредством горячего штампования с последующей резкой прессованных изделий, посредством получения окатышей со связующими на дисковых окомкователях, или получение гранулята уплотнением между валками с последующим дроблением вальцованных плоских образований.

Переведение смеси в подобную мелкозернистую форму облегчает манипулирование и дозирование и предотвращает наступление затвердевания материала за счет слипания частиц при длительных сроках хранения. Подобные окатыши или грануляты препятствуют расслоению компонентов материала. Материал остается рыхлым или даже сыпучим. Образование пыли при использовании предотвращается.

При получении мелкозернистых формованных изделий предпочтительно работать по возможности наименьшем приложении давления, в частности при уплотнении. Это бережет производственные установки и особенно благоприятно для последующего введения активных компонентов в жидкость. Чем сильнее будут прессоваться ультрадисперсные активные компоненты при получении мелкозернистых формованных изделий, тем хуже затем растворяются эти формованные изделия.

Здесь используется только одно из свойств целлюлозосодержащих растительных волокон. Целлюлозосодержащие волокна имеют определенную способность к связыванию друг с другом так называемыми водородными связями, которые проявляют свое действие особенно при изготовлении бумаги. Это свойство целлюлозосодержащих растительных волокон обеспечивает при изготовлении мелкозернистых формованных изделий достаточную связность, чтобы обходиться пониженным давлением сжатия. В присутствии целлюлозосодержащих растительных волокон они будут вносить вклад во внутреннюю когезию частиц, возникающую иначе в результате только сжатия. Тем самым можно "сэкономить" определенную часть давления.

Возможное понижение удельного давления прессования при изготовлении окомкованных или прессованных смесей имеет значение не только при последующем введении мелкозернистых формованных изделий в жидкие или соответственно водные системы, но и у таких смесей, которые разрушаются только срезывающим усилием. При этом также облегчается размельчение. Чем меньше совершенная работа предварительного сжатия, тем легче последующее восстановление в ультрадисперсную форму.

Второе свойство компонента целлюлозосодержащих растительных волокон вступает в действие, когда мелкозернистые формованные изделия вводятся в жидкость. В водных системах целлюлозосодержащие растительные волокна способствуют быстрому проникновению воды в частицы, уплотненные до мелкозернистых формованных изделий, вдоль целлюлозосодержащих растительных волокон. Находящиеся внутри мелкозернистых формованных изделий другие целлюлозосодержащие растительные волокна образуют нечто вроде структурной сетки и способствуют через капиллярные силы быстрому и однородному распределению воды по всему формованному изделию, что уже вызывает размельчение. Вода, дошедшая до границ ультрадисперсных активных компонентов и целлюлозосодержащих растительных волокон, вызывает, кроме того, незначительное набухание целлюлозосодержащих растительных волокон, что имеет следствием, в зависимости от свойств смеси, набухание всего мелкозернистого формованного изделия или образование в нем микротрещин. Во всяком случае, структура мелкозернистых формованных изделий разрыхляется и подготавливается для высвобождения ультрадисперсных активных компонентов.

Целлюлозосодержащие растительные волокна могут особенно хорошо проявить эти эффекты в рамках изобретения, так как они предварительно готовятся химически или физически согласно способу ТМР (термомеханическая обработка), способу СТМР (хемо-термомеханическая обработка) или способу EFC (экстрагирование целлюлозы при низком давлении), что облегчает их связность в мелкозернистой форме, а также и проникновение воды вглубь мелкозернистых частиц.

Способ ТМР означает измельчение деревянных стружек под давлением пара, способ СТМР означает то же самое при применении химикатов (см. R МРР Chemie Lexikon, изд. 9, издательство Geong Thieme, Штуттгарт; Нью-Йорк (1995), ключевое слово "Papier (бумага)", стр.3208, левая колонка, середина). Способ EFC означает обработку частичек дерева щелочью при атмосферном давлении (см. заявку DE 19710315 С2). У подобных волокон, которые путем обработки получают особенную структуру поверхности, особенно выражены вяжущий и распорный эффекты.

Соответствующая родовому понятию смесь известна из заявки DE 19831856 A1. Там речь идет об агломератах, как то: формованные частицы или агрегаты для получения водной связующей системы. Агломераты содержат, по меньшей мере, одно гидрофильное смачивающее средство, которое может иметь волокнистую структуру, например микрокристаллическую целлюлозу.

Из заявки DE-OS 19953867 А1 известен состав, включающий в себя крахмал и целлюлозосодержащие волокна, в котором крахмал и волокна скреплены друг с другом. Этот состав гранулируется в обычном состоянии и подходит для получения формованных изделий в качестве упаковок.

В вышеуказанном уровне техники речь не идет о каком-либо виде предварительной обработки целлюлозосодержащих волокон.

Для изобретения также важно, что целлюлозосодержащие растительные волокна являются довольно инертными химически и не вступают с ультрадисперсными активными компонентами или возможными прочими добавками в смеси ни в какие химические взаимодействия, которые могли бы ухудшить или изменить желаемые воздействия активных компонентов.

Это особенно относится к случаю, когда целлюлозосодержащие растительные волокна являются по существу чистыми целлюлозными волокнами. Однако не исключено также применение древесных волокон, если не требуется особенно чувствительная нейтральность.

Согласно пункту 2 формулы целлюлозосодержащие растительные волокна могут присутствовать в смеси от 2 до 18 вес.%, а согласно пункту 3 формулы средняя длина волокон должна находиться в интервале от 20 до 350 мкм, чтобы достичь оптимальных результатов.

Согласно пункту 4 формулы смесь содержит долю добавок, которые улучшают действие активных компонентов и/или свойства активных компонентов в смеси.

В большинстве случаев жидкая водная система является водой (пункт 5).

В качестве активных компонентов могут выступать (пункт 6) клей для обоев (простой эфир целлюлозы, простой эфир крахмала), загуститель (простой эфир крахмала с и без добавок полимера), клей для покрытия стен (растворимые в холодной воде крахмалы), дисперсионный порошок, систему на основе цемента (массы для выравнивания, клей для керамической плитки), клей для половых покрытий, шпаклевку, в частности, на основе гипса или аналогичную эстрих-систему. В скобках указан основной компонент.

Эти смеси являются агломератом связующих. Они содержат вещества, которые подходят для изготовления водных связующих систем. Под водными связующими системами следует понимать растворы или дисперсии, которые подходят для склеивания, герметизации, упрочнения или вообще для обработки поверхностей. Конкретными примерами таких растворов или дисперсий являются клейстер, в частности обойный клейстер, клей для облицовки стен, дисперсионные клеи, массы для выравнивания, клей для керамической плитки, массы для бесшовных покрытий, шпаклевки на основе цемента или гипса, клеи для половых покрытий, загустители, грунтовки для минеральных оснований и тому подобное.

При этом содержание связующего в клейстере для обоев устанавливается так, чтобы оно подходило для веса бумаги до 200 г/м², а в клеях для стеновых покрытий подходило для веса бумаги от 200 до 800 г/м².

Соответствующие изобретению мелкозернистые агломераты связующих должны для получения готового к употреблению продукта, например клейстера, дисперсионного клея, герметика или грунтовки для минеральных оснований, сначала смешиваться пользователем с необходимым количеством воды, т.е. растворяться или диспергироваться в ней.

Соответствующие изобретению гранульные агломераты связующего содержат, как правило, натуральный или синтетический полисахарид. В качестве натуральных или синтетических полисахаридов подходят, например, крахмал или целлюлоза, а также их полученные подходящим способом производные, замещенные у одной или нескольких ОН-групп.

В качестве крахмала или основы производной крахмала подходят все типы крахмала, как картофельный крахмал, кукурузный крахмал, пшеничный крахмал, рисовый крахмал, крахмал Milo, крахмал из тапиоки или смесь двух или более указанных крахмалов и тому подобное. В рамках предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения используется крахмал или производное крахмала на основе картофельного или кукурузного крахмала или их смеси.

Крахмал должен быть растворимым в воде, возможно, по меньшей мере, набухающим в воде. В частности, в рамках настоящего изобретения подходит модифицированный крахмал, причем соответствующая модификация осуществляется путем физического или незначительного химического воздействия. Конкретными примерами подобных производных крахмала являются частично расщепленный крахмал и набухший крахмал.

Производные крахмала должны быть, в частности, растворимыми в воде или, по меньшей мере, набухающими в воде. В этой связи подходят, в частности, сложные или простые эфиры крахмала, прежде всего карбоксилированные или алкоксилированные крахмалы. В качестве карбоксилированных или алкоксилированных крахмалов подходят все соответствующе модифицированные, уже названные выше типы натуральных крахмалов. Полезные производные крахмала имеют степень карбоксилирования от примерно 0,1 до примерно 2,0 или степень алкоксилирования от примерно 0,05 до примерно 1,5. Подходящие производные крахмала могут также быть структурированы с бифункциональными соединениями, что известно, например, из заявки ЕР-В 0311873 (страница 3, строка 49 до страницы 4, строка 5).

В качестве соединений целлюлозы годятся, помимо натуральной целлюлозы, в частности, простой эфир целлюлозы. Подходят, например, карбоксиметилцеллюлоза (CMC),

карбоксиметилметилцеллюлоза (СММС),

этилцеллюлоза (ЕС), гидроксипропилцеллюлоза (НРС),

гидроксипропилметилцеллюлоза (НРМС),

гидроксибутилцеллюлоза (НВС), гидроксибутилметилцеллюлоза (НВМС), гидроксиэтилцеллюлоза (НЕС),

гидроксиэтилкарбоксиметилцеллюлоза (НЕСМС),

гидроксиэтилэтилцеллюлоза (НЕЕС),

гидропропилкарбоксиметилцеллюлоза (НРСМС),

гидроксипропилметилцеллюлоза (НРМС), гидроксиэтилметилцеллюлоза

(НЕМС), метилгидроксиэтилцеллюлоза (МНЕС),

метилгидроксипропилцеллюлоза (МНРС),

метилгидроксиэтилпропилцеллюлоза (МНЕРС), метилцеллюлоза (МС) и пропилцеллюлоза (PC), причем могут добавляться карбоксиметилцеллюлоза, метилцеллюлоза, метилгидроксицеллюлоза и метилгидроксипропилцеллюлоза, а также смеси двух и более из них, а также щелочные соли CMC и слабоэтоксилированная МС или смеси двух или более указанных соединений.

Указанные производные целлюлозы могут быть легко структурированы, при этом они растворимы при значении рН выше 8, а растворение в воде замедляется. Структурирование может, например, осуществляться известным образом путем добавления глиоксаля.

У обойных клейстеров содержание простого эфира целлюлозы превышает содержание производных крахмала, а у клеев для облицовки стен доля производных крахмала превышает долю простого эфира целлюлозы.

Помимо описанных полисахаридов и их производных, соответствующие изобретению агломераты связующего могут содержать еще синтетические полимеризаты.

Подобные синтетические полимеризаты могут применяться, например, для усиления прочности склеивания или для улучшения водостойкости конечного продукта, получаемого при применении продукта, который может быть произведен из соответствующих изобретению агломератов связующего. В качестве синтетических полимеризатов в рамках настоящего изобретения подходят, в частности, способные к редиспергированию дисперсионные порошки синтетических полимеров (основные полимеризаты). Здесь речь идет в основном о гомо- и сополимерах винилового спирта, винилового эфира, стирола, эфира акриловой кислоты и винилхлорида.

Один предпочтительный вариант осуществления состава обойного клея образован следующими компонентами, в весовых %:

- 40%-70%, по меньшей мере, одного стандартного простого эфира целлюлозы, в частности, метилгидроксипропилцеллюлоза и метилгидроксиэтилцеллюлоза в виде мелкого порошка, регулирующего замедленное растворение,

- 0,1%-6,0%, по меньшей мере, одного вспомогательного средства, в частности, гидрофильной кремневой кислоты и безводной соды,

- 0,1%-10% волокон целлюлозы, обработанных по способу СТМР/ТМР, или EFC-волокон,

- 20%-50%, по меньшей мере, одного способного к редисперигированию дисперсного порошка, в частности, гомополивинилацетата.

Смесь, полученная из вышеуказанного состава клейстеров, должна иметь насыпной вес от 300 до 600, в частности, от 400 до 500 г/л согласно стандарту DIN (ISO) 697.

Смесь для шпаклевки может быть образована следующими компонентами, в вес.%:

- 70%-95%, в частности, 80%-90% гипса (0,5 гидрат)

- 5%-20%, в частности, 5%-10% наполнителей, в частности, кристаллического мела

- 1%-15%, в частности, 5%-10% обработанных способом СТМР/ТМР целлюлозных волокон или EFC-волокон

- 0%-3%, в частности, 0%-1,0% простого эфира целлюлозы

- 0%-3%, в частности, 0%-0,5% простого эфира крахмала

- 0%-7%, в частности, 0,5%-3,0%, по меньшей мере, одного способного к редиспергированию дисперсионного порошка полностью синтетического полимера.

Одна особенно предпочтительная смесь (пункт 7) имеет следующий состав:

- от 40 до 95 вес.%, по меньшей мере, одного растворимого в воде или набухающего в воде полисахарида,

- от 0,1 до 20 вес.%, по меньшей мере, одного целлюлозосодержащего растительного волокна, предварительно обработанного способом ТМР, СТМР или EFC,

- от 0 до 45 вес.%, по меньшей мере, одного редиспергируемого дисперсного порошка из полностью синтетического полимера,

- от 1 до 15 вес.%, по меньшей мере, одной добавки, такой как средство против слеживания, наполнитель, регулятор рН, краситель.

Кроме того, изобретение согласно пункту 8 включает способ введения, по меньшей мере, одного ультрадисперсного активного компонента в жидкую водную систему и, кроме того, отличается тем, что активные компоненты смешиваются с целлюлозосодержащими растительными волокнами, и эта смесь приводится в мелкозернистую форму и вводится в жидкую водную систему.

Пункты 10-15 воспроизводят отличительные признаки изобретения как отличительные признаки способа.

Другой предпочтительный вариант осуществления состоит в том, что смесь образует состав клея для обоев со следующими компонентами (в вес.%):

- 40%-70%, по меньшей мере, одного стандартного простого эфира целлюлозы, в частности, метилгидроксипропилцеллюлозы и метилгидроксиэтилцеллюлозы, мелкопорошкового, настроенного на замедленное растворение,

- 0,1%-6,0%, по меньшей мере, одного вспомогательного средства, в частности, гидрофильной кремневой кислоты и безводной соды,

- 0,1%-10% обработанных способом СТМР/ТМР целлюлозных волокон

- 20%-50%, по меньшей мере, одного способного к редиспергированию дисперсного порошка, в частности, из гомополивинилацетата.

Насыпной вес составляет при этом предпочтительно 400-500 г/л согласно стандарту DIN (ISO) 697.

Другой предпочтительный вариант осуществления состоит в том, что смесь образует шпаклевку со следующими компонентами (в вес.%):

- 70%-95%, в частности, 80%-90% гипса (0,5 гидрат)

- 5%-20%, в частности, 5%-10% наполнителя, в частности, кристаллического мела

- 1%-15%, в частности, 5%-10% обработанных способом СТМР/ТМР целлюлозных волокон или EFC-волокон

- 0%-3%, в частности, 0%-1,0% простого эфира целлюлозы

- 0%-3%, в частности, 0%-0,5% простого эфира крахмала

- 0%-7%, в частности, 0,5%-2,0%, по меньшей мере, одного способного к редиспергированию дисперсного порошка одного полностью синтетического полимера.

Результат опыта:

Далее приводится результат опыта со стандартным клеем для обоев. Сухой материал прессовали между валками и дробили, а также просеивали на диаметр от двух до четырех миллиметров. В качестве волоконной добавки применяли СТМР-волокно d50 (средней длиной около 50 мкм). Давление прессования указано в тоннах на сантиметр длины валков уплотняющей валковой мельницы, а добавка волокон - в вес.%.

Состав смеси, подвергавшейся уплотнению, соответствует пункту 7.

Гранулят, полученный из нее после смешения, уплотнения и фракционирования, затем был растворен добавлением в воду при соотношении замеса 1:30 (одна часть порошка на тридцать частей воды) с образованием готового к употреблению клея для обоев.

При этом для характеристик раствора получено следующее:

Обнаружено также, что время растворения при высоком давлении прессования и без добавления волокон наибольшее. Добавление волокон в количестве 5 вес.% при том же давлении прессования сокращает время растворения на треть. При добавлении волокон в количестве 10 вес.% давление прессования можно снизить с 2 до 1,5 т на сантиметр длины валков и получить, тем не менее, дополнительное сокращение времени растворения при одновременном укомплектовании раствора.

Другой важный аспект состоит в том, что, несмотря на пониженное время растворения, благодаря добавлению волокон, гранулированная смесь на удивление износостойкая. В приложенной диаграмме приведены результаты испытания на износ. Гранулят был подвергнут в исходном состоянии ситовому анализу. При этом получился указанный в диаграмме нижний, показанный пунктиром, гранулометрический состав. Затем гранулят подвергали вибрации на вибрационной машине (IKA или Retsch) в течение 300 секунд при частоте 40 Гц. Последующий новый ситовый анализ дал показанную на диаграмме сплошную кривую. Доля зерен гранулята выше заданного размера уменьшилась лишь слегка, т.е. кривая лежит лишь чуть выше пунктирной начальной кривой. Следовательно, вибрация привела лишь к незначительному уменьшению зерна, зерна истерлись мало. Это можно объяснить способствующей связыванию структурой поверхности растительных волокон, которая получается предварительной обработкой (TMP, CTMP, EFC).

При изготовлении загустителей для текстильной и печатной промышленности для достижения наилучшего эффекта загущения часто комбинируют несколько сортов простых эфиров целлюлозы и крахмала в сочетании с полимерным загустителем. Здесь возникает опасность расслоения различных исходных материалов, если только они путем ультрадисперсного помола не близки максимально по насыпному весу и гранулометрическому составу. Подобные ультрадисперсные активные компоненты при загущении трудно примешиваются в жидкость, или соответственно воду. В зависимости от того, как быстро начинается действие загущения, возникают комки, окруженные слоем набухающего геля, которые препятствуют дальнейшему проникновению воды. Упругая оболочка геля затрудняет диспергирование посредством высокорежущей комбинированной системы, и следствием являются излишне большое время смешения и высокое, отчасти вредное для продукта, поле срезывания.

Преимущества изобретения также становятся явственней на примере загущения. Ультрадисперсные активные компоненты превращают путем перевода в мелкозернистое формованное изделие в легкозамешиваемый гранулят. Это дает также преимущество связать различные по насыпному весу, размеру и форме зерен активные компоненты, поставляемые в сыпучей сухой форме, что делает расслоение невозможным.

Благодаря добавлению целлюлозосодержащих растительных волокон наблюдается улучшенное связывание ультрадисперсных активных компонентов и, тем самым, улучшенная стабильность гранулята, без повышения давления прессования.

Кроме того, целлюлозосодержащие растительные волокна способствуют тому, чтобы разрушение гранулята после введения в жидкость значительно ускорялось. Мелкозернистые формованные изделия измельчаются быстрее, чем начинается образование геля в отдельных частицах. Этому могут способствовать добавки в смесь, такие как благоприятные для жидкости смачивающие агенты или им подобные.

Реферат

Изобретение относится к смеси, предназначенной для введения в жидкую водную систему. Смесь содержит, по меньшей мере, один ультрадисперсный активный компонент, который предназначен для последующего растворения и диспергирования в жидкой водной системе. Смесь содержит целлюлозосодержащие растительные волокна, которые присутствуют в смеси в количестве от 2 до 18 вес.%, которые предварительно химически или физически обработаны способом термомеханической обработки, способом хемотермомеханической обработки или способом экстрагирования целлюлозы при низком давлении, вышеуказанные волокна имеют среднюю длину в диапазоне от 20 до 350 мкм и смесь находится в мелкозернистой форме, имеющей размер от 0,5 мм до нескольких мм. Способ введения смеси, содержащей, по меньшей мере, один ультрадисперсный активный компонент, в жидкую водную систему включает смешение активных компонентов с вышеуказанными целлюлозосодержащими растительными волокнами, введение их в жидкую водную систему. Изобретение позволяет улучшить манипулирование, дозировку и внесение ультрадисперсных активных компонентов, а также предотвратить спекание или затвердевание материала при длительных сроках хранения. 2 н. и 9 з.п. ф-лы. 1 табл. ил.

Формула