Связующее вещество для минеральной ваты - RU2772558C2

Описание

Область применения изобретения

Настоящее изобретение относится к связующему веществу для минеральной ваты, способу получения продукта из минеральной ваты с использованием связующего вещества и к продукту из минеральной ваты, изготовленному с использованием связующего вещества.

Предпосылки создания изобретения

Минеральные волокна, как правило, содержат искусственные стекловидные волокна (MMVF), такие как, например, стеклянные волокна, керамические волокна, базальтовые волокна, шлаковая вата, минеральная вата и каменная вата, которые связаны отвержденным термоотверждаемым полимерным связующим материалом. Для применения в качестве продуктов для термической и акустической изоляции обычно получают маты из скрепленных минеральных волокон, превращая расплав, полученный из подходящих сырьевых материалов, в волокна традиционным способом, например с помощью прядильной чашки или каскадного роторного способа. Волокна выдувают в формующую камеру и в процессе воздушного переноса и в еще горячем состоянии опрыскивают раствором связующего вещества и случайным образом укладывают в форме мата или полотна на движущемся конвейере. Волоконный мат затем перемещают в печь для отверждения, где горячий воздух продувается через мат для отверждения связующего вещества и жесткого скрепления минеральных волокон вместе.

Ранее предпочтительными связующими смолами были фенолформальдегидные смолы, получение которых может быть экономичным и которые можно разбавлять мочевиной перед применением в качестве связующего вещества. Однако существующее и предлагаемое законодательство, направленное на снижение или устранение выбросов формальдегида, привело к разработке связующих веществ без содержания формальдегида, таких как, например, связующие композиции на основе поликарбоксильных полимеров и полиолов или полиаминов, как описано в EP-A-583086, EP-A-990727, EP-A-1741726, US-A-5 318 990 и US-A-2007/0173588.

Другая группа нефенолформальдегидных связующих веществ представляет собой продукты реакций соединения/отщепления алифатических и/или ароматических ангидридов с алканоламинами, как описано в WO 99/36368, WO 01/05725, WO 01/96460, WO 02/06178, WO 2004/007615 и WO 2006/061249. Эти связующие композиции являются водорастворимыми и обладают превосходными связующими свойствами, с точки зрения скорости отверждения и плотности при отверждении. В WO 2008/023032 описаны модифицированные мочевиной связующие вещества такого типа, которые позволяют получать продукты из минеральной ваты, для которых характерно уменьшенное поглощение влаги.

Так как некоторые из исходных материалов, используемых при производстве таких связующих веществ, являются достаточно дорогостоящими химикатами, сохраняется потребность в получении связующих веществ без содержания формальдегида, которые можно производить экономичным образом.

Дополнительным эффектом, относящимся к ранее известным водным связующим композициям из минеральных волокон, является то, что по меньшей мере большинство исходных материалов, используемых для производства этих связующих веществ, являются производными ископаемого топлива. В настоящее время потребители склонны предпочитать продукты, которые полностью или по меньшей мере частично производятся из возобновляемых материалов, и, следовательно, существует необходимость в обеспечении связующих веществ для минеральной ваты, которые по меньшей мере частично производятся из возобновляемых материалов.

Дополнительным эффектом, относящимся к ранее известным водным связующим композициям для минеральных волокон, является то, что они содержат компоненты, являющиеся коррозионными и/или вредными. В данном случае необходимо принимать меры по защите оборудования, связанного с получением продуктов из минеральной ваты, чтобы избежать коррозии, а также лицам, работающим с этим оборудованием, необходимо соблюдать меры безопасности. Это ведет к росту затрат и проблемам со здоровьем, и, следовательно, существует потребность в обеспечении связующих композиций для минеральных волокон с уменьшенным содержанием коррозионных и/или вредных материалов.

Еще одним эффектом, относящимся к ранее известным водным связующим композициям для минеральных волокон, является то, что для производства этих связующих веществ обычно необходимо серьезное оборудование для отверждения связующего вещества. Оборудование для отверждения обычно представляет собой печь, работающую при температурах намного выше 100°C, например около 200°C. Печь имеет длину несколько метров, что обеспечивает работу с непрерывно подаваемым в нее полотном и тот факт, что покидающее печь полотно является полностью затвердевшим. Такое печное оборудование характеризуется очень большим энергопотреблением.

Публикация C. Peña, K. de la Caba, A. Eceiza, R. Ruseckaite, I. Mondragon в Biores. Technol. 2010, 101, 6836–6842 посвящена замене небиоразлагаемых пластиковых пленок возобновляемыми сырьевыми материалами из растений и отходов мясоперерабатывающей промышленности. В таком контексте в данной публикации описано применение гидролизуемого танина каштана для модификации желатина с формированием пленок. В данной публикации не описаны связующие вещества, в частности связующие вещества для минеральной ваты.

Ранее уже предлагались связующие вещества для минеральной ваты на основе возобновляемых материалов. Хотя некоторые из этих связующих веществ имеют в целом отличные свойства, по-прежнему имеется ряд недостатков продуктов из минеральной ваты, полученных с применением этих связующих веществ в плане прочности и поглощения воды по сравнению с продуктами из минеральной ваты, полученными с использованием фенолформальдегидных смол.

Изложение сущности изобретения

Соответственно, целью настоящего изобретения было получение связующей композиции, особенно подходящей для скрепления минеральных волокон, в которой в качестве сырья используют возобновляемые материалы и уменьшено или устранено использование коррозионных и/или вредных материалов, и которая в то же время позволяет получать продукты из минеральной ваты, обладающие превосходными прочностными свойствами и низким поглощением воды.

Целью настоящего изобретения также было обеспечение связующей композиции, не требующей высокой температуры для отверждения и, следовательно, устраняющей необходимость в применении высоких температур при производстве продукта, скрепленного связующей композицией.

Дополнительной целью настоящего изобретения было обеспечение продукта из минеральной ваты, скрепленного такой связующей композицией.

Дополнительной целью настоящего изобретения было обеспечение способа получения такого продукта из минеральной ваты.

Дополнительной целью настоящего изобретения было обеспечение способа применения такой связующей композиции для получения продукта из минеральной ваты.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложена предпочтительно не содержащая формальдегида связующая композиция для минеральных волокон, содержащая:

- по меньшей мере одно фенол- и/или хинонсодержащее соединение,

- по меньшей мере один белок,

- по меньшей мере один сложный эфир жирных кислот глицерина.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предложен продукт из минеральной ваты, содержащий минеральные волокна, скрепленные связующим веществом, полученным в результате отверждения такой связующей композиции.

В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения предложен способ получения продукта из минеральной ваты, включающий этапы введения минеральных волокон в контакт с такой связующей композицией.

В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения предложено применение такой связующей композиции для получения продукта из минеральной ваты.

Авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что можно получить продукт из минеральной ваты с превосходными прочностными свойствами и низким поглощением воды, содержащий минеральные волокна, скрепленные связующим веществом, полученным в результате отверждения связующей композиции, причем связующую композицию можно получать по большей части из возобновляемых материалов, композиция не содержит или лишь в небольшой степени содержит какие-либо коррозионные и/или вредные агенты, и производство продукта из минеральной ваты не приводит к выбросам, например выбросам ЛОС (летучих органических соединений), в процессе получения.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

Связующая композиция в соответствии с настоящим изобретением содержит:

- по меньшей мере одно фенол- и/или хинонсодержащее соединение,

- по меньшей мере один белок,

- по меньшей мере один сложный эфир жирных кислот глицерина.

В предпочтительном варианте осуществления связующие вещества в соответствии с настоящим изобретением не содержат формальдегида.

Для целей настоящей заявки термин «не содержит формальдегида» используется, чтобы охарактеризовать продукт из минеральной ваты, в котором выделение формальдегида из продукта из минеральной ваты составляет менее 5 мкг/м²/ч, предпочтительно менее 3 мкг/м²/ч. Предпочтительно тест проводят в соответствии со стандартом ISO 16000 по тестированию эмиссии альдегидов.

Неожиданным преимуществом вариантов осуществления продуктов из минеральной ваты в соответствии с настоящим изобретением является то, что для них характерны свойства самовосстановления. После воздействия очень жестких условий, когда продукты из минеральной ваты теряют часть своей прочности, продукты из минеральной ваты в соответствии с настоящим изобретением могут частично восстанавливать исходную прочность. Это контрастирует с традиционными продуктами из минеральной ваты, для которых потеря прочности после воздействия жестких условий среды является необратимой. Без ограничений, накладываемых какой-либо конкретной теорией, авторы настоящего изобретения полагают, что это неожиданное свойство продуктов из минеральной ваты в соответствии с настоящим изобретением обусловлено сложным характером связей, формирующих сеть белков, сшитых фенол- и/или хинонсодержащим соединением, также с содержанием четвертичных структур и водородных связей, что обеспечивает формирование связей в сети после возврата к нормальным условиям среды. В случае изоляционного продукта, который при использовании, например в качестве изоляции крыши, летом может подвергаться воздействию очень высоких температур, это является важным преимуществом для обеспечения долговременной стабильности продукта.

Фенол- и/или хинонсодержащее соединение — компонент связующего вещества

Связующая композиция в соответствии с настоящим изобретением содержит фенол- и/или хинонсодержащее соединение — компонент связующего вещества, в частности, одно или более фенольных соединений и/или один или более хинонов.

Фенолсодержащие соединения или фенольные соединения представляют собой соединения, имеющие одну или более гидроксильных групп, соединенных непосредственно с ароматическим кольцом. Полифенолы (или полигидроксифенолы) — это соединения, имеющие более одной фенольной гидроксильной группы, соединенной с одним или более ароматическими кольцами. Фенольные соединения характерны для растений, и обычно они встречаются в сложных эфирах или гликозидах в виде группы, а не в виде свободных соединений.

Термин «фенольные соединения» охватывает очень большую и разнородную группу химических соединений. Предпочтительно фенолсодержащее соединение представляет собой соединение, соответствующее схеме, которая основана на количестве атомов углерода в молекуле, что подробно описано в публикации W. Vermerris, R. Nicholson, Phenolic Compound Biochemistry, Springer Netherlands, 2008.

Предпочтительно фенолсодержащее соединение имеет форму одного или более компонентов, выбранных из группы, состоящей из соединений со структурой C₆, таких как простые фенольные соединения, таких как резорцин, флороглюцин; соединений со структурой C₆–C₁, таких как гидроксибензойные кислоты, таких как п-гидроксибензойная кислота, галлиевая кислота, протокатеховая кислота, салициловая кислота, ванильная кислота, таких как гидроксибензойные альдегиды, таких как ванилин; соединений со структурой C₆–C₂, таких как гидроксиацетофеноны, например, 2-гидроксиацетофенон, таких как гидроксифенилуксусные кислоты, например, 2-гидроксифенилуксусная кислота, соединений со структурой C₆–C₃, таких как коричные кислоты, например, п-кумаровая кислота, кофеиновая кислота, феруловая кислота, 5-гидроксиферуловая кислота, синаповая кислота, таких как сложные эфиры коричной кислоты, например, хлорогеновая кислота, синапоил малат, синапоил холин, таких как коричные альдегиды, таких как коричные спирты, таких как кумарины, например, умбеллиферон, 4-метилумбеллиферон, таких как изокумарины, таких как бергинин, таких как хромоны; соединений со структурой C₁₅, таких как флавоноиды, таких как флаванон, изофлавоны, изофлаваноны, неофлаваноиды, таких как халконы, таких как бютеин, таких как дигидрохалконы, таких как флоридзин, таких как ауроны, таких как флаваноны, таких как нарингенин, таких как флаванонолы, таких как таксифолин, таких как флаваны, таких как лейкоантоцианидины, таких как лейкоцианидин, лейкоделфинидин, таких как флаван-3-олы, таких как катехин, галлокатехин, таких как флавоны, таких как кемферол, кверцитин, мирицетин, таких как антоцианидины, таких как пеларгонидин, цианидин, пеонидин, делфинидин, петунидин, малвидин, таких как дезоксиантоцианидины, таких как апигенинидин, лютеолинидин, 7-метоксиапигенинидин, 5-метоксилютеолинидин, таких как антоцианины, таких как петанин, таких как соединение со структурой C₃₀, таких как бифлавонилы, таких как гинкгетин, таких как соединение со структурой C₆–C₁–C₆, таких как бензофеноны, таких как ксантоны, таких как соединение со структурой C₆–C₂–C₆, таких как стилбены, таких как ресвератрол, пиносилвин, таких как соединение со структурой C₆/C₁₀/C₁₄, таких как бензохиноны, таких как нафтахиноны, таких как юглон, таких как антрахиноны, таких как эмодин, таких как соединение со структурой C₁₈, таких как бетацианины, таких как бетанидин, таких как полифенолы и/или полигидроксифенолы, таких как лигнаны, неолигнаны (димеры или олигомеры от связывания монолигнолов, таких как п-кумариловый спирт, конифериловый спирт и синапиловый спирт), таких как пинорезинол, сезамин, пликатовая кислота, таких как лигнины (синтезированные преимущественно из монолигноловых предшественников п-кумарилового спирта, кониферилового спирта и синапилового спирта), таких как танины, таких как конденсированные танины (проантоцианидины), таких как процианидин B₂, таких как гидролизуемые танины, таких как галлотанины, таких как эллагитанины, таких как сложные танины, таких как акутиссимин A, таких как дубильная кислота, таких как флобабены.

В предпочтительном варианте осуществления фенолсодержащее соединение выбрано из группы, состоящей из простых фенольных соединений, фенолсодержащих соединений со структурой, более сложной, чем C₆, таких как олигомеры простых фенольных соединений, полифенолы и/или полигидроксифенолы.

Хиноны представляют собой окисленные производные ароматических соединений, и их часто можно легко получить из реактивных ароматических соединений с электронодонорными заместителями, таких как фенольные соединения. К хинонам, которые можно применять в настоящем изобретении, относятся бензохиноны, нафтохинон, антрахинон и лаусон.

Фенол- и/или хинонсодержащие соединения в соответствии с настоящим изобретением также могут представлять собой синтетические или полусинтетические молекулы или конструкции, которые содержат фенолы, полифенолы и/или хиноны. Примером такой конструкции является белок, пептид, пептоиды (такие как линейные и/или циклические олигомеры и/или полимеры N-замещенных глицинов, N-замещенных β-аланинов), или арилопептоиды (такие как линейные и/или циклические олигомеры и/или полимеры N-замещенных аминометилбензамидов), полистиролы, модифицированные фенол- и/или хинонсодержащими боковыми цепями. Другим примером является дендример, обеспеченный фенол- и/или хинонсодержащими боковыми цепями.

Танины представляют собой группу соединений, очень разнообразных по структуре, общей для которых является способность связывать и осаждать белки. Танины в изобилии содержатся в различных видах растений, в частности в дубе, каштане, сумахе оленерогом и теллиме крупноцветковой. Танины могут присутствовать в листьях, коре и плодах. Танины можно разделить на три группы: конденсированные танины, гидролизуемые танины и сложные танины. Конденсированные танины или проантоцианидины представляют собой олигомерные или полимерные флавоноиды, состоящие из звеньев флаван-3-ола (катехина). Галлотанины представляют собой гидролизуемые танины, в которых полиольное ядро содержит 10–12 остатков галловой кислоты в качестве заместителей. Наиболее часто встречающимся полиолом в галлотанинах является D-глюкоза, хотя некоторые галлотанины в качестве ядерного полиола содержат катехиновые и тритерпеноидные звенья. Эллагитанины представляют собой гидролизуемые танины, которые отличаются от галлотанинов тем, что содержат дополнительные связи C–C между смежными галлоиловыми остатками. Сложные танины определяются как танины, в которых катехиновое звено имеет гликозидную связь с галлотаниновым или эллагитаниновым звеном.

Авторы изобретения неожиданно обнаружили, что широкий спектр таких фенол- и/или хинонсодержащих соединений можно использовать для поперечного сшивания белков, что позволяет получить связующую композицию. Часто такие фенол- и/или хинонсодержащие соединения — компоненты получают из растительных тканей, и, следовательно, они являются возобновляемым материалом. В некоторых вариантах осуществления соединения также являются нетоксичными и некоррозионными. В качестве дополнительного преимущества данные соединения являются противомикробными и, следовательно, передают свои противомикробные свойства продукту из минеральной ваты, соединенному таким связующим веществом.

В предпочтительном варианте осуществления фенол- и/или хинонсодержащее соединение выбрано из одного или более компонентов группы, состоящей из дубильной кислоты, эллагитанинов и галлотанинов, танина, происходящего из одного или более из дуба, каштана, сумаха оленерогого и теллимы крупноцветковой.

Белковый компонент связующего вещества

Предпочтительно белковый компонент связующего вещества имеет форму одного или более белков, выбранных из группы, состоящей из белков животного происхождения, включая коллаген, желатин, гидролизованный желатин и белок из молока (казеин, сыворотка), яиц; белков растительного происхождения, включая белки из бобовых, злаковых, цельных злаков, орехов, семян и фруктов, таких как белок из гречихи, овса, ржи, проса, маиса (кукурузы), риса, пшеницы, булгура, сорго, амаранта, киноа, соевых бобов (соевый белок), чечевицы, фасоли, белой фасоли, маша, нута, коровьего гороха, лимской фасоли, голубиного гороха, люпиновых бобов, квадратного гороха, миндаля, бразильского ореха, кешью, пекана, грецкого ореха, семени хлопчатника, тыквенного семени, конопляного семени, кунжутного семени и семени подсолнечника; белково-полифенольные комплексы, такие как белок ног двустворчатых моллюсков.

Коллаген представляет собой чрезвычайно распространенный в живой ткани материал. Он является основным компонентом в соединительных тканях и составляет 25–35% суммарного содержания белка в млекопитающих. Желатин получают путем химического разложения коллагена. Желатин может также быть получен рекомбинантными методами. Желатин является водорастворимым и имеет молекулярную массу от 10,000 до 500,000 г/моль, например от 30,000 до 300,000 г/моль, в зависимости от степени гидролиза. Желатин является широко применяемым пищевым продуктом, и, следовательно, по существу общепринято, что это вещество совершенно не токсично, и поэтому при работе с желатином не требуются меры предосторожности.

Желатин является гетерогенной смесью одноцепочечных и многоцепочечных полипептидов, обычно демонстрирующих спиральные структуры. Как правило, тройная спираль коллагена типа I, полученного из кожи и костей, являющихся источником желатина, состоит из двух α1(I) и одной α2(I) цепей.

В растворах желатина могут происходить превращения типа клубок-спираль.

Желатины типа A получают при обработке кислотой. Желатины типа В получают при обработке основанием.

В желатин можно вводить химические поперечные связи. В одном варианте осуществления используют трансглутаминазу для связывания остатков лизина и глутамина; в одном варианте осуществления используют глутаральдегид для связывания лизина с лизином; в одном варианте осуществления используют танины для связывания лизиновых остатков.

Желатин можно также подвергать дополнительному гидролизу до более мелких фрагментов вплоть до 3000 г/моль.

При охлаждении раствора желатина могут формироваться коллаген-подобные спирали.

Желатин может образовывать спиральные структуры.

В одном варианте осуществления отвержденное связующее вещество содержит белок, имеющий спиральные структуры.

В одном варианте осуществления по меньшей мере один протеин представляет собой низкопрочный желатин, например желатин с прочностью геля 30–125 по Блуму.

В одном варианте осуществления по меньшей мере один протеин представляет собой среднепрочный желатин, например желатин с прочностью геля 125–180 по Блуму.

В одном варианте осуществления по меньшей мере один протеин представляет собой высокопрочный желатин, например желатин с прочностью геля 180–300 по Блуму.

В предпочтительном варианте осуществления желатин предпочтительно происходит из одного или более источников из группы, состоящей из видов млекопитающих и птиц, таких как корова, свинья, лошадь, домашняя птица, и/или из чешуи, кожи рыб.

В одном варианте осуществления к связующим композициям в соответствии с настоящим изобретением можно добавлять мочевину. Авторы изобретения обнаружили, что добавление даже небольших количеств мочевины приводит к денатурации желатина, а это может замедлять гелеобразование, что может быть желательным в некоторых вариантах осуществления. Добавление мочевины также может приводить к размягчению продукта.

Авторы изобретения обнаружили, что группы карбоновых кислот в желатинах эффективно взаимодействуют с трех- и четырехвалентными ионами, например с солями алюминия. Особенно это касается желатинов типа B, которые содержат больше групп карбоновых кислот, чем желатины типа A.

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что в некоторых вариантах осуществления отверждение/сушку связующих композиций в соответствии с настоящим изобретением, которые содержат желатин, не следует начинать при очень высоких температурах.

Авторы изобретения обнаружили, что запуск отверждения при низких температурах может приводить к получению более прочных продуктов. Без ограничений, накладываемых какой-либо конкретной теорией, авторы изобретения предполагают, что запуск отверждения при высоких температурах может приводить к образованию непроницаемой внешней оболочки из связующей композиции, которая затрудняет высвобождение воды под ней.

Неожиданно было обнаружено, что связующие вещества в соответствии с настоящим изобретением, содержащие желатины, имеют очень высокую термостойкость. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что в некоторых вариантах осуществления затвердевшие связующие вещества могут выдерживать температуры вплоть до 300°C без разложения.

Сложный эфир жирных кислот глицерина

Связующая композиция в соответствии с настоящим изобретением содержит компонент в форме по меньшей мере одного сложного эфира жирных кислот глицерина.

Жирная кислота представляет собой карбоновую кислоту с алифатической цепью, которая является либо насыщенной, либо ненасыщенной.

Глицерин представляет собой полиольное соединение, имеющее название в номенклатуре ИЮПАК пропан-1,2,3-триол.

Жиры и масла природного происхождения представляют собой сложные эфиры глицерина с жирными кислотами (также называемые триглицеридами).

Для целей настоящего изобретения термин «сложный эфир жирных кислот глицерина» относится к сложным моно-, ди- и триэфирам глицерина с жирными кислотами.

Хотя в контексте настоящего изобретения термин «жирная кислота» может представлять собой любую карбоновую кислоту с алифатической цепью, предпочтительно, чтобы она представляла собой карбоновую кислоту с алифатической цепью, имеющей от 4 до 28 атомов углерода, предпочтительно четное число атомов углерода. Алифатическая цепь жирной кислоты предпочтительно неразветвлена.

В предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один сложный эфир жирных кислот глицерина имеет форму растительного масла и/или животного масла. В контексте настоящего изобретения термин «масло» содержит по меньшей мере один сложный эфир жирных кислот глицерина в форме масел или жиров.

В предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один сложный эфир жирных кислот глицерина представляет собой растительное масло.

В предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один сложный эфир жирных кислот глицерина представляет собой жиры из мякоти плодов, например пальмовое масло, оливковое масло, масло авокадо; жиры из ядер семян, такие как масла лауриновой кислоты, такие как кокосовое масло, пальмоядровое масло, масло бабассу и другие масла из пальмовых орехов, другие источники масел лауриновой кислоты; масла пальмитиновой-стеариновой кислоты, такие как масло какао, масло ши, талловый жир и родственные жиры (растительные масла); масла пальмитиновой кислоты, такие как хлопковое масло, масло дерева капок и родственные масла, масло семени тыквы, кукурузное масло, масла злаковых; масла олеиновой-линолевой кислоты, такие как подсолнечное масло, кунжутное масло, льняное масло, перилловое масло, конопляное масло, чайное масло, сафлоровое масло и масло масличного нута, масло виноградных косточек, маковое масло, масло бобовых, такое как соевое масло, арахисовое масло, люпиновое масло; масла крестоцветных, такие как рапсовое масло, горчичное масло; масла конъюгированных кислот, такие как тунговое масло и родственные масла, ойтиковое масло и родственные масла; масла замещенных жирных кислот, такие как касторовое масло, хаульмугровое, гидрокарпусовое масло и масло горли, вернониевое масло; животные жиры, такие как жир наземных животных, например свиное сало, говяжье сало, баранье сало, лошадиное сало, гусиный жир, куриный жир; жир морских животных, например китовый жир или рыбий жир.

В предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один сложный эфир жирных кислот глицерина имеет форму растительного масла, в частности выбранного из одного или более компонентов группы, состоящей из льняного масла, оливкового масла, тунгового масла, кокосового масла, конопляного масла, рапсового масла и подсолнечного масла.

В предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один сложный эфир жирных кислот глицерина выбран из одного или более компонентов группы, состоящей из растительного масла, имеющего йодное число в диапазоне от приблизительно 136 до 178, например льняного масла, имеющего йодное число в диапазоне от приблизительно 136 до 178, растительного масла, имеющего йодное число в диапазоне от приблизительно 80 до 88, например оливкового масла, имеющего йодное число в диапазоне от приблизительно 80 до 88, растительного масла, имеющего йодное число в диапазоне от приблизительно 163 до 173, например тунгового масла, имеющего йодное число в диапазоне от приблизительно 163 до 173, растительного масла, имеющего йодное число в диапазоне от приблизительно 7 до 10, например кокосового масла, имеющего йодное число в диапазоне от приблизительно 7 до 10, растительного масла, имеющего йодное число в диапазоне от приблизительно 140 до 170, например конопляного масла, имеющего йодное число в диапазоне от приблизительно 140 до 170, растительного масла, имеющего йодное число в диапазоне от приблизительно 94 до 120, например рапсового масла, имеющего йодное число в диапазоне от приблизительно 94 до 120, растительного масла, имеющего йодное число в диапазоне от приблизительно 118 до 144, например подсолнечного масла, имеющего йодное число в диапазоне от приблизительно 118 до 144.

В одном варианте осуществления по меньшей мере один сложный эфир жирных кислот глицерина не имеет природного происхождения.

В одном варианте осуществления по меньшей мере один сложный эфир жирных кислот глицерина представляет собой модифицированное растительное или животное масло.

В одном варианте осуществления по меньшей мере один сложный эфир жирных кислот глицерина содержит по меньшей мере одну трансжирную кислоту.

В альтернативном предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один сложный эфир жирных кислот глицерина имеет форму животного жира, такого как рыбий жир.

В одном варианте осуществления связующее вещество образуется в результате отверждения связующей композиции, содержащей желатин, причем связующая композиция дополнительно содержит танин, выбранный из одного или более компонентов группы, состоящей из тановой кислоты, конденсированных танинов (проантроцианидинов), гидролизуемых танинов, галлотанинов, эллагитанинов, сложных танинов и/или танина, производного от одного или более из дуба, каштана, сумаха оленерогого и теллимы крупноцветковой, предпочтительно тановой кислоты, и связующая композиция дополнительно содержит по меньшей мере один сложный эфир жирных кислот глицерина, например по меньшей мере один сложный эфир жирных кислот глицерина, выбранный из одного или более компонентов группы, состоящей из льняного масла, оливкового масла, тунгового масла, кокосового масла, конопляного масла, рапсового масла и подсолнечного масла.

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что параметр для сложного эфира жирной кислоты глицерина, применяемого в связующих веществах в соответствии с настоящим изобретением, а именно степень ненасыщенности жирной кислоты, можно использовать для различения предпочтительных вариантов осуществления. Степень ненасыщенности жирных кислот обычно измеряют йодным числом (также называемым йодным значением, или величиной абсорбции йода, или йодным индексом). Чем выше йодное число, тем больше связей C = C присутствует в жирной кислоте. Для определения йодного числа как меры ненасыщенности жирных кислот дается ссылка на публикацию Thomas, Alfred (2012) «Fats and fatty oils» в книге «Ullmann’s Encyclopedia of industrial chemistry», Weinheim, Wiley-VCH.

В предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один сложный эфир жирных кислот глицерина содержит растительное масло и/или животное масло с йодным числом ≥ 75, например от 75 до 180, например ≥ 130, например от 130 до 180.

В альтернативном предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один сложный эфир жирных кислот глицерина содержит растительное масло и/или животное масло с йодным числом ≤ 100, например ≤ 25.

В одном варианте осуществления по меньшей мере один сложный эфир жирных кислот глицерина представляет собой высыхающее масло. Описание высыхающего масла приведено в публикации Poth, Ulrich (2012) «Drying oils and related products» в книге «Ullmann’s Encyclopedia of industrial chemistry», Weinheim, Wiley-VCH.

Соответственно, авторы настоящего изобретения обнаружили, что особенно хороших результатов достигают, когда йодное число находится либо в достаточно высоком диапазоне, либо в альтернативном варианте осуществления в достаточно низком диапазоне. Не желая ограничиваться какой-либо конкретной теорией, авторы настоящего изобретения предполагают, что преимущественные свойства, придаваемые сложными эфирами жирных кислот с высоким йодным числом с одной стороны, и низким йодным числом с другой стороны, основаны на различных механизмах. Авторы настоящего изобретения предполагают, что преимущественные свойства сложных глицериновых эфиров жирных кислот, имеющих высокое йодное число, могут быть связаны с участием двойных связей C = C, обнаруживаемых в высоких количествах в таких жирных кислотах, в реакции поперечной сшивки, тогда как сложные эфиры глицерина и жирных кислот с низким йодным числом и без большого количества двойных связей C = C могут обеспечивать стабилизацию отвержденного связующего вещества посредством взаимодействий Ван-дер-Ваальса. Авторы настоящего изобретения полагают, что полярный конец сложных эфиров жирных кислот глицерина взаимодействует с полярными областями по меньшей мере одного белка, тогда как неполярные концы взаимодействуют с неполярными областями по меньшей мере одного белка.

Реакция компонентов связующего вещества

Без ограничений, накладываемых любой конкретной теорией, авторы изобретения считают, что реакция между фенол- и/или хинонсодержащим соединением и белком по меньшей мере частично основана на окислении фенолов в хиноны с последующей нуклеофильной атакой аминогрупп и/или тиоловых групп белка, что ведет к поперечному сшиванию белков фенол- и/или хинонсодержащими соединениями.

В предпочтительном варианте осуществления содержание фенол- и/или хинонсодержащего соединения в связующей композиции в соответствии с настоящим изобретением составляет от 1 до 70 мас.%, например от 2 до 60 мас.%, например от 3 до 50 мас.%, например от 4 до 40 мас.%, например от 5 до 35 мас.%, от сухой массы белка.

В альтернативном предпочтительном варианте осуществления массовое соотношение (лизин + цистеин) в белке к (фенол + хинон) в фенол- и/или хинонсодержащем соединении составляет от 1 : 5,78 до 1 : 0,08, например от 1 : 2,89 до 1 : 0,09, например от 1 : 1,93 до 1 : 0,12, например от 1 : 1,45 до 1 : 0,15, например от 1 : 1,16 до 1 : 0,17.

Термин «массовое соотношение (лизин + цистеин) в белке к (фенол + хинон) в фенол- и/или хинонсодержащем соединении» следует понимать как означающий отношение объединенной массы остатков лизина + цистеина в белковом компоненте к объединенной массе остатков фенола + хинона в фенол- и/или хинонсодержащем соединении.

В предпочтительном варианте осуществления содержание сложного эфира жирных кислот глицерина составляет от 0,5 до 40, например от 1 до 30, например от 1,5 до 20, например от 3 до 10, например от 4 до 7,5 мас.%, от сухой массы белка.

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что отверждение связующего вещества сильно ускоряется в щелочных условиях. Следовательно, в одном варианте осуществления связующая композиция для минеральных волокон содержит регулятор pH, предпочтительно в форме основания, например органического основания, например амина или его солей, неорганических оснований, например гидроксида металла, например KOH или NaOH, аммиака или его солей.

В особенно предпочтительном варианте осуществления регулятор pH представляет собой гидроксид щелочного металла, в частности NaOH.

В предпочтительном варианте осуществления связующая композиция в соответствии с настоящим изобретением имеет значение pH 7–10, например 7,5–9,5, например 8–9.

В одном варианте осуществления белок содержит белково-полифенольные комплексы.

Такие белки содержат высокий уровень посттрансляционно модифицированной-окисленной формы тирозина, L-3,4-дигидроксифенилаланин (леводопа, L-DOPA). См. также J. J. Wilker Nature Chem. Biol. 2011, 7, 579–580 для получения информации по этим белкам.

Добавки

В одном варианте осуществления по меньшей мере одно средство против зарастания представляет собой противомикробный агент.

Противомикробными агентами могут быть бензойная кислота, пропионовая кислота, бензоат натрия, сорбиновая кислота и сорбат калия, ингибирующие рост как бактериальных, так и грибковых клеток. Однако можно использовать натуральные биоконсерванты. В качестве противогрибкового и противобактериального средства рассматривают хитозан. Чаще всего используемые биоконсерванты с противомикробным действием представляют собой лизоцим и низин. К другим распространенным и пригодным для использования биоконсервантам относятся бактериоцины, такие как лактицин, педиоцин, и противомикробные ферменты, такие как хитиназа и глюкозооксидаза. Противогрибковым и противобактериальным действием также обладает фермент лактопероксидаза (LPS). Можно также использовать натуральные противомикробные агенты, такие как танины, эфирные масла розмарина и чеснока, масло орегано, лимонного сорго или коричное масло в различных концентрациях.

В предпочтительном варианте осуществления связующая композиция в соответствии с настоящим изобретением содержит добавки.

Компонентами могут быть другие добавки, например один или более реактивных или нереактивных силиконов, которые можно добавлять в связующее вещество. Предпочтительно один или более реактивных или нереактивных силиконов выбраны из группы, состоящей из силикона, состоящего из главной цепи, которая содержит кремнийорганические остатки, особенно дифенилсилоксановые остатки, алкилсилоксановые остатки, предпочтительно диметилсилоксановые остатки, несущие по меньшей мере одну гидроксильную, ацильную, карбоксильную или ангидридную, аминную, эпоксидную или виниловую функциональную группу, способную вступать в реакцию с по меньшей мере одним из компонентов связующей композиции, предпочтительно присутствующие в количестве 0,1–15 мас.%, предпочтительно 0,1–10 мас.%, более предпочтительно 0,3–8 мас.%, от общей массы связующего вещества.

В одном варианте осуществления к связующему веществу можно добавлять эмульгированное углеводородное масло.

Как уже описано выше, многие фенол- и/или хинонсодержащие соединения, в частности полифенолы, обладают противомикробными свойствами и, следовательно, придают противомикробные характеристики связующему веществу. Однако в одном варианте осуществления к связующим композициям можно добавлять средства против зарастания.

В одном варианте осуществления к связующей композиции можно добавлять средство против набухания, например дубильную кислоту и/или танины.

В одном варианте осуществления связующая композиция в соответствии с настоящим изобретением содержит добавки в форме аминных сшивающих агентов и/или тиол/тиолатных сшивающих агентов. Такие добавки в форме аминных сшивающих агентов и/или тиол/тиолатных сшивающих агентов особенно полезны, когда реакция поперечного сшивания связующего вещества проходит по хинон-аминному и/или хинон-тиольному пути.

В одном варианте осуществления связующие композиции в соответствии с настоящим изобретением содержат добавку, содержащую ионы металлов, такие как ионы железа.

В белково-полифенольных комплексах, таких как описанный выше адгезивный белок из двустворчатых моллюсков, для улучшения адгезии к поверхности используют 3,4-дигидроксифенильные остатки. Этого достигают в сочетании с секрецией некоторых типов катионов, таких как ионы железа. В одном варианте осуществления можно сказать, что связующее вещество имитирует белково-полифенольные комплексы, и, следовательно, различные катионы могут улучшать свойства связующего вещества. Такие благоприятные ионы также могут высвобождаться из поверхности минеральных волокон при контакте со связующим веществом на водной основе.

В одном варианте осуществления продукт из минеральной ваты содержит каменную вату. Без ограничений, накладываемых теорией, считается, что выщелачивание некоторых ионов из стекловидных волокон может способствовать повышению прочности связующего вещества. Механизм может быть аналогичен механизму, с помощью которого белок двустворчатых моллюсков обеспечивает адгезию к поверхности. Этого достигают в сочетании с секрецией некоторых типов катионов, таких как ионы железа.

В одном варианте осуществления связующие композиции в соответствии с настоящим изобретением содержат дополнительные добавки в форме добавок, выбранных из группы, состоящей из реагентов, подобных ПЭГ, силанов или гидроксилапатитов.

Окисляющие агенты в качестве добавок могут быть предназначены для увеличения скорости окисления фенольных соединений. Примером является фермент тирозиназа, которая окисляет фенолы до гидроксифенолов/хинонов и, следовательно, ускоряет реакцию образования связующего вещества.

В другом варианте осуществления окисляющим агентом, подаваемым к связующему веществу, является кислород.

В одном варианте осуществления отверждение выполняют в обогащенной кислородом среде.

Продукт из минеральной ваты, содержащий волокна минеральной ваты, скрепленные связующим веществом

Настоящее изобретение также относится к продукту из минеральной ваты, скрепленной связующим веществом, полученным в результате отверждения описанной связующей композиции.

В предпочтительном варианте осуществления плотность продукта из минеральной ваты находится в диапазоне 10–1200 кг/м³, например 30–800 кг/м³, например 40–600 кг/м³, например 50–250 кг/м³, например 60–200 кг/м³.

В предпочтительном варианте осуществления продукт минеральной ваты в соответствии с настоящим изобретением представляет собой изоляционный продукт, в частности, имеющий плотность 10–200 кг/м³.

В альтернативном варианте осуществления продукт из минеральной ваты в соответствии с настоящим изобретением представляет собой фасадную панель, в частности, имеющую плотность приблизительно 1200 кг/м³.

В предпочтительном варианте осуществления продукт из минеральной ваты в соответствии с настоящим изобретением представляет собой изоляционный продукт.

В предпочтительном варианте осуществления потери при прокаливании (LOI) продукта из минеральной ваты в соответствии с настоящим изобретением находятся в диапазоне 0,1–25,0 мас.%, например 0,3–18,0 мас.%, например 0,5–12,0 мас.%, например 0,7–8,0 мас.%.

В одном варианте осуществления продукт из минеральной ваты представляет собой изоляционный продукт из минеральной ваты, такой как продукт из минеральной ваты для термической или акустической изоляции.

В одном варианте осуществления продукт из минеральной ваты представляет собой почвенный субстрат для садоводства.

Способ получения продукта из минеральной ваты

В настоящем изобретении также предложен способ получения продукта из минеральной ваты путем скрепления минеральных волокон связующей композицией.

Особым преимуществом продукта из минеральной ваты в соответствии с настоящим изобретением является то, что для его отверждения не требуются высокие температуры. Это не только позволяет экономить энергию, сокращает выбросы ЛОС и уменьшает потребность в устойчивости оборудования к высоким температурам, но также позволяет обеспечить высокую гибкость процесса получения продуктов из минеральной ваты с использованием таких связующих веществ.

В одном варианте осуществления способ включает этапы:

- получения расплава сырьевых материалов,

- формирования волокон из расплава с помощью формирующего волокна аппарата с образованием минеральных волокон,

- обеспечения минеральных волокон в форме собранного полотна,

- смешивания связующего вещества с минеральными волокнами до, в течение или после получения собранного полотна с получением смеси минеральных волокон и связующего вещества,

- отверждения смеси минеральных волокон и связующего вещества.

В одном варианте осуществления связующее вещество подают в непосредственной близости от формирующего волокна аппарата, например центрифужного прядильного аппарата или каскадного прядильного аппарата, в любом случае сразу после формирования волокон. Волокна с нанесенным связующим веществом далее транспортируют на конвейерной ленте в виде полотна.

Полотно можно подвергать продольному сжатию после формирования волокон и до существенного отверждения.

Формирующий волокна аппарат

Существуют разные типы центрифужных прядильных машин для формирования волокон из минеральных расплавов.

Традиционный центрифужный прядильный аппарат представляет собой каскадный прядильный аппарат, который включает последовательно расположенные верхний (или первый) ротор и следующий (или второй) ротор и необязательно другие последующие роторы (например, третий и четвертый роторы). Каждый ротор вращается вокруг разной по существу горизонтальной оси, и направление вращения противоположно направлению вращения каждого соседнего ротора в последовательности. Эти разные горизонтальные оси расположены таким образом, что расплав, который льется на верхний ротор, последовательно вращается на периферической поверхности каждого следующего ротора, и волокна сбрасываются с каждого последующего ротора и необязательно также и с верхнего ротора.

В одном варианте осуществления каскадный прядильный аппарат или другой прядильный аппарат расположен так, чтобы волокна формировались из расплава и увлекались воздухом в виде облака волокон.

Многие формирующие волокна аппараты содержат диск или чашку, вращающуюся вокруг по существу вертикальной оси. Традиционным является расположение нескольких таких прядильных устройств в линии, т.е. по существу в первом направлении, например, как описано в GB-A-926,749, US-A-3,824,086 и WO-A-83/03092.

Обычно используют поток воздуха, связанный с одним или каждым из формирующих волокна роторов, и волокна увлекаются этим потоком воздуха по мере формирования с поверхности ротора.

В одном варианте осуществления связующее вещество и/или добавки добавляют к облаку волокон известными способами. Количество связующего вещества и/или добавки может быть одинаковым для всех прядильных устройств или же может быть различным.

В одном варианте осуществления в облако волокон можно добавить углеводородное масло (минеральное масло).

При использовании в настоящем документе термин «собранное полотно» предположительно включает все минеральные волокна, собранные вместе на поверхности, т.е. более не увлекаемые воздухом, например, образованные минеральные волокна, гранулы, пучки или переработанные отходы полотна. Собранное волокно может представлять собой первичное полотно, сформированное путем сбора волокон на конвейерной ленте и обеспеченное в качестве исходного материала без раскладки прочеса или иной консолидации.

В альтернативном варианте осуществления собранное полотно может представлять собой вторичное полотно, сформированное путем раскладки прочеса или иной консолидации первичного полотна. Предпочтительно собранное полотно представляет собой первичное полотно.

В одном варианте осуществления смешивание связующего вещества с минеральными волокнами производят после обеспечения собранного полотна, используя следующие этапы:

- воздействие на собранное полотно из минеральных волокон с помощью процесса распутывания,

- подвешивание минеральных волокон в первичном потоке воздуха,

- смешивание связующей композиции с минеральными волокнами до, в течение или после процесса распутывания с получением смеси минеральных волокон и связующего вещества.

Способ получения продукта из минеральной ваты, включающий технологический этап распутывания, описан в EP10190521, включенном в настоящий документ путем ссылки.

В одном варианте осуществления процесс распутывания включает подачу собранного полотна из минеральных волокон из канала с относительно низкой скоростью потока воздуха в канал с относительно более высокой скоростью потока воздуха. Считается, что в данном варианте осуществления происходит распутывание, поскольку волокна, которые сначала входят в канал с относительно более высокой скоростью потока воздуха, оттягиваются от последующих волокон полотна. Такой тип распутывания особенно эффективен для получения открытых пучков волокон вместо плотных комков, которые могут приводить к неравномерному распределению материала продукта.

В соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления процесс распутывания включает подачу собранного полотна по меньшей мере к одному валику, вращающемуся вдоль своей продольной оси и имеющему шипы, выступающие из его периферической поверхности. В этом варианте осуществления вращающийся валик также обычно вносит по меньшей мере частичный вклад в относительно более высокую скорость потока воздуха. Часто вращение валика является единственным источником относительно более высокой скорости потока воздуха.

В предпочтительных вариантах осуществления минеральные волокна и необязательно связующее вещество подают к валику сверху. Кроме того, предпочтительно, чтобы распутанные минеральные волокна и необязательно связующее вещество сбрасывались с валика в латеральном направлении от нижней части его окружности. В наиболее предпочтительном варианте осуществления минеральные волокна совершают на валике оборот приблизительно 180 градусов, прежде чем они сбрасываются.

Связующее вещество можно смешивать с минеральными волокнами до, в течение или после процесса распутывания. В некоторых вариантах осуществления связующее вещество предпочтительно смешивать с волокнами до процесса распутывания. В частности, волокна могут иметь форму неотвержденного собранного полотна, содержащего связующее вещество.

Кроме того, допустимым является предварительное смешивание связующего вещества с собранным полотном минеральных волокон до процесса распутывания. Дополнительное смешивание можно проводить в процессе распутывания и после него. В альтернативном варианте осуществления связующее вещество может подаваться в первичный поток воздуха отдельно и смешиваться в первичном потоке воздуха.

Смесь минеральных волокон и связующего вещества собирают из первичного потока воздуха любым подходящим способом. В одном варианте осуществления первичный поток воздуха направляют в верхнюю часть циклонной камеры, которая открыта с нижнего конца, и смесь собирают из нижнего конца циклонной камеры.

Смесь минеральных волокон и связующего вещества предпочтительно выводят из процесса распутывания в формующую камеру.

После применения процесса распутывания смесь минеральных волокон и связующего вещества собирают, прессуют и отверждают. Предпочтительно смесь собирают на перфорированной конвейерной ленте, под которой расположен механизм отсоса.

В предпочтительном способе в соответствии с изобретением смесь связующего вещества и минеральных волокон после сбора прессуют и отверждают.

В предпочтительном способе в соответствии с изобретением смесь связующего вещества и минеральных волокон после сбора отделяют от подложки, а затем прессуют и отверждают.

Способ можно осуществлять в виде периодического процесса, однако в соответствии с одним вариантом осуществления способ выполняют на линии производства продукта минеральной ваты с подачей первичного и вторичного полотен из минеральной ваты в процесс разделения волокон, который обеспечивает особенно экономичный и универсальный способ получения композитных материалов, обладающих благоприятными механическими свойствами и термоизоляционными свойствами в широком диапазоне плотностей.

В то же время, учитывая, что отверждение проходит при температуре окружающей среды, вероятность появления пятен неотвержденного связующего вещества существенно снижается.

Отверждение

Полотно отверждают путем химической и/или физической реакции компонентов связующего вещества.

В одном варианте осуществления отверждение происходит в отверждающем устройстве.

В одном варианте осуществления отверждение проводят при температурах 5–95°C, например 10–60°C, например 20–40°C.

Процесс отверждения может начинаться сразу после нанесения связующего вещества на волокна. Отверждение определяется как процесс, при котором в связующей композиции протекает химическая реакция, которая обычно увеличивает молекулярную массу соединений в связующей композиции и тем самым повышает вязкость связующей композиции, обычно до тех пор, пока связующая композиция не достигнет твердого состояния.

В одном варианте осуществления процесс отверждения включает поперечное сшивание и/или включение воды в виде кристаллизационной воды.

В одном варианте осуществления отвержденное связующее вещество содержит кристаллизационную воду, содержание которой может уменьшаться и увеличиваться в зависимости от преобладающих условий температуры, давления и влажности.

В одном варианте осуществления отверждение происходит в традиционной печи для отверждения при производстве минеральной ваты, которая работает при температурах 5–95°C, например 10–60°C, например 20–40°C.

В одном варианте осуществления процесс отверждения включает процесс сушки, в частности путем продувки воздуха или газа над продуктом из минеральной ваты или через него или путем повышения температуры.

В предпочтительном варианте осуществления отверждение связующего вещества, контактирующего с минеральными волокнами, происходит в термопрессе.

Отверждение связующего вещества, контактирующего с минеральными волокнами, в термопрессе имеет особое преимущество, поскольку позволяет получать продукты высокой плотности.

В одном варианте осуществления процесс отверждения включает сушку под давлением. Давление можно применять, продувая воздух или газ в смесь минеральных волокон и связующего вещества. Процесс продувки может сопровождаться нагреванием или охлаждением, или он может происходить при температуре окружающей среды.

В одном варианте осуществления процесс отверждения происходит во влажной среде.

Влажная среда может иметь относительную влажность (RH) 60–99%, например 70–95%, например 80–92%. За отверждением во влажной среде может следовать отверждение или сушка для достижения состояния преобладающей влажности.

Продукт из минеральной ваты может иметь любую традиционную конфигурацию, например конфигурацию мата или плиты, и его можно разрезать и/или формовать (например, придавая форму секций трубы) до, в процессе или после отверждения связующего вещества.

Преимущества связующей композиции

Продукт из минеральной ваты в соответствии с настоящим изобретением имеет неожиданное преимущество, которое заключается в том, что его можно изготовить с использованием очень простого связующего вещества, требующего наличия всего трех компонентов, а именно по меньшей мере одного белка, по меньшей мере одного фенол- и/или хинонсодержащего соединения, и по меньшей мере одного сложного эфира жирной кислоты глицерина. Таким образом, продукт из минеральной ваты в соответствии с настоящим изобретением производят из натуральных и нетоксичных компонентов, и, следовательно, работа с ним является безопасной. В то же время продукт из минеральной ваты в соответствии с настоящим изобретением произведен из связующего вещества на основе возобновляемых ресурсов и обладает превосходными свойствами в отношении прочности (как в несостаренном, так и в состаренном состоянии) и низкого поглощения воды.

Дополнительным преимуществом является возможность отверждения при температуре окружающей среды или при температуре, приближающейся к температуре окружающей среды. Это не только приводит к экономии потребляемой энергии и меньшей сложности необходимого оборудования, но также снижает вероятность появления неотвержденных участков связующего вещества, которые могут возникать при термическом отверждении традиционных связующих веществ.

Еще одним преимуществом является существенно сниженный риск выгорания.

Выгорание может быть связано с экзотермическими реакциями при производстве продукта минеральной ваты, которые увеличивают температуры в толще изоляционного материала, приводя к сплавлению или расстеклованию минеральных волокон, и в конечном счете создают опасность возгорания. В худшем случае выгорание может вызвать пожар в стопках плит на складах или в процессе транспортировки.

Еще одним преимуществом является отсутствие эмиссий при отверждении, в частности отсутствие эмиссий летучих органических соединений.

Дополнительными важными преимуществами являются возможности самовосстановления продуктов из минеральной ваты, полученных с использованием данных связующих веществ.

Дополнительным преимуществом продуктов из минеральной ваты, полученных с использованием связующего вещества в соответствии с настоящим изобретением, является то, что им можно придать желаемую форму после нанесения связующего вещества, но до отверждения. Это обеспечивает возможность для производства специализированных продуктов, таких как секции труб.

Примеры

В следующих примерах несколько связующих веществ, подпадающих под определение настоящего изобретения, готовили и сравнивали со связующими веществами предыдущего уровня техники.

Способы испытаний связующих композиций в соответствии с предшествующим уровнем техники

Для связующих веществ предыдущего уровня техники определяли указанные ниже свойства.

Реагенты

Силан (Momentive VS-142) был предоставлен компанией Momentive и для упрощения считался 100-процентным. Все прочие компоненты высокой степени чистоты поставлялись компанией Sigma-Aldrich и для упрощения считались безводными при отсутствии особых указаний.

Содержание твердых веществ компонентов связующего вещества. Определение

Содержание каждого из компонентов в данном растворе связующего вещества до отверждения рассчитывали по сухой массе компонентов. Можно использовать следующую формулу:

Твердые вещества связующего вещества, определение и процедура

Содержание связующего вещества после отверждения называется «твердыми веществами связующего вещества».

Образцы каменной ваты в виде диска (диаметр: 5 см; высота 1 см) вырезали из каменной ваты и подвергали термообработке при 580°C в течение по меньшей мере 30 мин для удаления всех органических веществ. Содержание твердых веществ в связующей смеси (примеры смесей см. ниже) измеряли, распределяя образец связующей смеси (около 2 г) по прошедшему термообработку диску из каменной ваты в контейнере из фольги. Массу контейнера из фольги, содержащего диск из каменной ваты, определяли до и сразу после добавления связующей смеси. Обеспечивали два таких диска из каменной ваты с нанесенной связующей смесью в контейнерах из фольги и нагревали их при 200°C в течение 1 часа. После охлаждения и выдерживания при комнатной температуре в течение 10 минут образцы взвешивали и определяли содержание твердых веществ связующего вещества как среднее из двух результатов. После этого связующее вещество с нужным содержанием твердых веществ связующего вещества можно было получить путем разведения с использованием необходимого количества воды и 10% водн. раствора силана (Momentive VS-142).

Реакционные потери. Определение

Реакционные потери определяются как разность между содержанием твердых веществ компонентов связующего вещества и твердыми веществами связующего вещества.

Исследования механической прочности (испытания брусков). Процедура

Механическую прочность связующих веществ исследовали в испытании брусков. Для каждого связующего вещества изготавливали 16 брусков из смеси связующего вещества и гранул каменной ваты, образованных при прядильном производстве каменной ваты. Гранулы представляют собой частицы, имеющие ту же композицию расплава, что и волокна каменной ваты, и гранулы обычно считаются отходом прядильного процесса. Гранулы, использованные в композиции брусков, имели размер 0,25–0,50 мм.

Раствор связующего вещества с 15% содержанием твердых веществ связующего вещества, содержащий 0,5% силана (Momentive VS-142) из твердых веществ связующего вещества, получали в соответствии с представленным выше описанием в разделе «твердые вещества связующего вещества». Образец такого раствора связующего вещества (16,0 г) хорошо перемешивали с гранулами (80,0 г). Полученную смесь равномерно наливали в четыре отсека в термостойкой силиконовой форме для получения небольших брусков (4 × 5 отсеков на форму; размер верхней части отсека: длина = 5,6 см, ширина = 2,5 см; размер нижней части отсека: длина = 5,3 см, ширина = 2,2 см; высота отсека = 1,1 см). Смеси, помещенные в отсеки, далее плотно прижимали плоским металлическим бруском подходящего размера для получения ровных поверхностей брусков. Таким образом из каждого связующего вещества получали 16 брусков. Полученные бруски далее отверждали при 200°C в течение 1 ч. После охлаждения до комнатной температуры бруски осторожно извлекали из контейнеров. Пять брусков подвергали состариванию в водяной бане при 80°C в течение 3 ч.

После сушки в течение 1–2 дней состаренные бруски, а также пять несостаренных брусков переламывали в испытании на 3-точечный изгиб (скорость при испытании: 10,0 мм/мин; уровень разрыва: 50%; номинальная сила: 30 Н/мм²; опорное расстояние: 40 мм; макс. прогиб 20 мм; номинальный модуль упругости 10 000 Н/мм²) на приборе Bent Tram для исследования их механической прочности. Бруски помещали в прибор «верхней поверхностью» вверх (т.е. поверхностью с длиной = 5,6 см, шириной = 2,5 см).

Потери при прокаливании (LOI) брусков

Потери при прокаливании (LOI) брусков измеряли в небольших контейнерах из фольги при нагревании до 580°C. При каждом измерении контейнер из фольги сначала нагревали при 580°C в течение 15 минут для удаления всех органических веществ. Контейнерам из фольги давали охладиться до температуры окружающей среды и затем взвешивали. Четыре бруска (обычно после переламывания в испытании на 3-точечный изгиб) помещали в контейнер из фольги и все вместе взвешивали. Контейнер из фольги, содержащий бруски, далее нагревали при 580°C в течение 30 минут, давали охладиться до температуры окружающей среды и затем снова взвешивали. После этого вычисляли LOI по следующей формуле:

Измерения поглощения воды

Поглощение воды связующими веществами измеряли путем взвешивания трех брусков и последующего их погружения в воду (приблизительно 250 мл) в стакане (565 мл, нижний Ø = 9,5 см; верхний Ø = 10,5 см; высота = 7,5 см) на 3 ч или 24 ч. Бруски размещали рядом друг с другом на дне стакана «верхней поверхностью» вниз (т.е. поверхностью с размерами длина = 5,6 см, ширина = 2,5 см). По истечении заданного промежутка времени бруски поднимали один за другим и оставляли на одну минуту для стекания воды. Бруски удерживали (осторожно) так, чтобы длинная сторона была почти вертикальной, а капли могли стекать с угла бруска. Затем бруски взвешивали и рассчитывали поглощение воды с помощью следующей формулы:

Эталонные связующие композиции предшествующего уровня техники

Пример связующего вещества, эталонное связующее вещество A (фенолформальдегидная смола, модифицированная мочевиной, PUF-resol)

Фенолформальдегидную смолу получали путем реакции 37% водн. раствора формальдегида (606 г) и фенола (189 г) в присутствии 46% водн. раствора гидроксида калия (25,5 г) при температуре реакции 84°C, чему предшествовало нагревание со скоростью приблизительно 1°C в минуту. Реакцию продолжали при 84°C до тех пор, пока кислотостойкость смолы не достигла 4 и большая часть фенола не израсходовалась. Далее добавляли мочевину (241 г) и смесь охлаждали.

Кислотостойкость (AT) показывает, во сколько раз данный объем связующего вещества можно разводить кислотой без помутнения смеси (осаждения связующего вещества). Для определения критерия остановки при получении связующего вещества использовали серную кислоту, и кислотостойкость ниже 4 означает завершение реакции связующего вещества. Для измерения AT получали титрующий раствор путем разведения 2,5 мл конц. серной кислоты (> 99%) 1 л ионообменной воды. 5 мл исследуемого связующего вещества далее титровали при комнатной температуре данным титрующим раствором, поддерживая связующее вещество в движении путем ручного встряхивания; при желании можно использовать магнитную мешалку и магнитный стержень-мешальник. Титрование продолжают до тех пор, пока не появится легкое помутнение, не исчезающее при встряхивании связующего вещества.

Кислотостойкость (AT) вычисляют путем деления количества кислоты, использованного для титрования (мл), на количество образца (мл):

AT = (использованный объем титрующего раствора (мл)) / (объем образца (мл))

С использованием полученной модифицированной мочевиной фенолформальдегидной смолы готовили связующее вещество, добавляя 25% водн. раствора аммиака (90 мл) и сульфата аммония (13,2 г), а затем воду (1,30 кг). Далее измеряли твердые вещества связующего вещества, как описано выше, и смесь разбавляли необходимым количеством воды и силана (Momentive VS-142) для исследования механической прочности (15% раствор твердых веществ связующего вещества, 0,5% силана из твердых веществ связующего вещества).

Способы испытаний для связующих композиций в соответствии с настоящим изобретением и для эталонных связующих веществ

Для связующих веществ настоящего изобретения и эталонных связующих веществ определяли указанные ниже свойства.

Реагенты

Желатины (Speisegelatine, тип A, свиной, 120 и 180 по Блуму) были получены от компании Gelita AG. Каштановый танин Tannorouge был получен от компании Brouwland bvba. Кокосовое масло, конопляное масло, оливковое масло, рапсовое масло и подсолнечное масло были получены от компании Urtekram International A/S. Льняное масло получали от компании Borup Kemi I/S. Тунговое масло и все другие компоненты были получены от компании Sigma-Aldrich. Если не указано иное, предполагалось, что эти компоненты являются полностью чистыми и безводными.

Содержание твердых веществ компонентов связующего вещества. Определение

Содержание каждого из компонентов в данном растворе связующего вещества до отверждения рассчитывали по сухой массе компонентов. Можно использовать следующую формулу:

Исследования механической прочности (испытания брусков). Процедура

Механическую прочность связующих веществ исследовали в испытании брусков. Для каждого связующего вещества изготавливали 16–20 брусков из смеси связующего вещества и гранул каменной ваты, образованных при прядильном производстве каменной ваты. Гранулы представляют собой частицы, имеющие ту же композицию расплава, что и волокна каменной ваты, и гранулы обычно считаются отходом прядильного процесса. Гранулы, использованные в композиции брусков, имели размер 0,25–0,50 мм.

Раствор связующего вещества с 15% содержанием твердых веществ связующего вещества получали, как описано в примерах ниже. Образец раствора связующего вещества (16,0 г) хорошо перемешивали с гранулами (80,0 г; предварительно нагретыми до 40°C при использовании в сочетании с относительно быстроотверждающимися связующими веществами). Полученную смесь равномерно наливали в четыре отсека в термостойкой силиконовой форме для получения небольших брусков (4 × 5 отсеков на форму; размер верхней части отсека: длина = 5,6 см, ширина = 2,5 см; размер нижней части отсека: длина = 5,3 см, ширина = 2,2 см; высота отсека = 1,1 см). При получении каждого бруска смеси, помещенные в отсеки, при необходимости прижимали, а затем выравнивали пластиковым шпателем для получения ровной поверхности бруска. Таким образом из каждого связующего вещества получали 16–20 брусков. Получившиеся бруски затем отверждали при комнатной температуре в течение 1–2 дней. Затем бруски аккуратно извлекали из контейнеров, переворачивали верхней стороной вниз и оставляли на один день при комнатной температуре для полного отверждения. Пять брусков подвергали состариванию в водяной бане при 80°C в течение 3 ч.

После сушки в течение 1–2 дней состаренные бруски, а также пять несостаренных брусков переламывали в испытании на 3-точечный изгиб (скорость при испытании: 10,0 мм/мин; уровень разрыва: 50%; номинальная сила: 30 Н/мм²; опорное расстояние: 40 мм; макс. прогиб 20 мм; номинальный модуль упругости 10 000 Н/мм²) на приборе Bent Tram для исследования их механической прочности. Бруски помещали в прибор «верхней поверхностью» вверх (т.е. поверхностью с длиной = 5,6 см, шириной = 2,5 см).

Потери при прокаливании (LOI) брусков

Потери при прокаливании (LOI) брусков измеряли в небольших контейнерах из фольги при нагревании до 580°C. При каждом измерении контейнер из фольги сначала нагревали при 580°C в течение 15 минут для удаления всех органических веществ. Контейнерам из фольги давали охладиться до температуры окружающей среды и затем взвешивали. Четыре бруска (обычно после переламывания в испытании на 3-точечный изгиб) помещали в контейнер из фольги и все вместе взвешивали. Контейнер из фольги, содержащий бруски, далее нагревали при 580°C в течение 30 минут, давали охладиться до температуры окружающей среды и затем снова взвешивали. После этого вычисляли LOI по следующей формуле:

Измерения поглощения воды

Поглощение воды связующими веществами измеряли путем взвешивания трех брусков и последующего их погружения в воду (приблизительно 250 мл) в стакане (565 мл, нижний Ø = 9,5 см; верхний Ø = 10,5 см; высота = 7,5 см) на 3 ч или 24 ч. Бруски размещали рядом друг с другом на дне стакана «верхней поверхностью» вниз (т.е. поверхностью с размерами длина = 5,6 см, ширина = 2,5 см). По истечении заданного промежутка времени бруски поднимали один за другим и оставляли на одну минуту для стекания воды. Бруски удерживали (осторожно) так, чтобы длинная сторона была почти вертикальной, а капли могли стекать с угла бруска. Затем бруски взвешивали и рассчитывали поглощение воды с помощью следующей формулы:

Связующие композиции в соответствии с настоящим изобретением и эталонные связующие вещества

Пример связующего вещества, пункт B

К 1 M NaOH (15,75 г), перемешиваемому при комнатной температуре, добавляли каштановый танин (4,50 г). Перемешивание продолжали при комнатной температуре в течение еще 5–10 мин с получением раствора темного красно-бурого цвета.

Смесь желатина (Speisegelatine, тип A, свиной, 120 по Блуму, 12,0 г) в воде (68,0 г) перемешивали при 50°C в течение приблизительно 15–30 мин до получения прозрачного раствора (pH 5,0). Далее добавляли 1 M NaOH (4,37 г) (pH 9,1), а затем часть вышеуказанного раствора каштанового танина (5,40 г; таким образом, фактически 1,20 г каштанового танина). После перемешивания в течение еще 1–2 минут при 50°C полученную коричневую смесь (pH 9,1) использовали в последующих экспериментах.

Пример связующего вещества, пункт 3

К 1 M NaOH (15,75 г), перемешиваемому при комнатной температуре, добавляли каштановый танин (4,50 г). Перемешивание продолжали при комнатной температуре в течение еще 5–10 мин с получением раствора темного красно-бурого цвета.

Смесь желатина (Speisegelatine, тип A, свиной, 120 по Блуму, 10,0 г) в воде (56,7 г) перемешивали при 50°C в течение приблизительно 15–30 мин до получения прозрачного раствора (pH 5,1). Далее добавляли 1 M NaOH (4,00 г) (pH 9,3), а затем часть вышеуказанного раствора каштанового танина (4,50 г; таким образом, фактически 1,00 г каштанового танина). Затем при энергичном перемешивании добавляли кокосовое масло (0,65 г). После энергичного перемешивания в течение приблизительно 1 минуты при 50°C скорость перемешивания снова снижали и полученную смесь коричневого цвета (pH 9,3) использовали в последующих экспериментах.

Пример связующего вещества, пункт 5

К 1 M NaOH (15,75 г), перемешиваемому при комнатной температуре, добавляли каштановый танин (4,50 г). Перемешивание продолжали при комнатной температуре в течение еще 5–10 мин с получением раствора темного красно-бурого цвета.

Смесь желатина (Speisegelatine, тип A, свиной, 120 по Блуму, 10,0 г) в воде (56,7 г) перемешивали при 50°C в течение приблизительно 15–30 мин до получения прозрачного раствора (pH 4,8). Далее добавляли 1 M NaOH (4,00 г) (pH 9,2), а затем часть вышеуказанного раствора каштанового танина (4,50 г; таким образом, фактически 1,00 г каштанового танина). Затем при энергичном перемешивании добавляли льняное масло (0,65 г). После энергичного перемешивания в течение приблизительно 1 минуты при 50°C скорость перемешивания снова снижали и полученную смесь коричневого цвета (pH 9,2) использовали в последующих экспериментах.

Пример связующего вещества, пункт 6

К 1 M NaOH (15,75 г), перемешиваемому при комнатной температуре, добавляли каштановый танин (4,50 г). Перемешивание продолжали при комнатной температуре в течение еще 5–10 мин с получением раствора темного красно-бурого цвета.

Смесь желатина (Speisegelatine, тип A, свиной, 120 по Блуму, 10,0 г) в воде (56,7 г) перемешивали при 50°C в течение приблизительно 15–30 мин до получения прозрачного раствора (pH 4,8). Далее добавляли 1 M NaOH (4,00 г) (pH 9,2), а затем часть вышеуказанного раствора каштанового танина (4,50 г; таким образом, фактически 1,00 г каштанового танина). Затем при энергичном перемешивании добавляли оливковое масло (0,65 г). После энергичного перемешивания в течение приблизительно 1 минуты при 50°C скорость перемешивания снова снижали и полученную смесь коричневого цвета (pH 9,1) использовали в последующих экспериментах.

Пример связующего вещества, пункт 9

К 1 M NaOH (15,75 г), перемешиваемому при комнатной температуре, добавляли каштановый танин (4,50 г). Перемешивание продолжали при комнатной температуре в течение еще 5–10 мин с получением раствора темного красно-бурого цвета.

Смесь желатина (Speisegelatine, тип A, свиной, 120 по Блуму, 10,0 г) в воде (56,7 г) перемешивали при 50°C в течение приблизительно 15–30 мин до получения прозрачного раствора (pH 4,8). Далее добавляли 1 M NaOH (4,00 г) (pH 9,3), а затем часть вышеуказанного раствора каштанового танина (4,50 г; таким образом, фактически 1,00 г каштанового танина). Затем при энергичном перемешивании добавляли тунговое масло (0,16 г). После энергичного перемешивания в течение приблизительно 1 минуты при 50°C скорость перемешивания снова снижали и полученную смесь коричневого цвета (pH 9,4) использовали в последующих экспериментах.

Пример связующего вещества, пункт 11

К 1 M NaOH (15,75 г), перемешиваемому при комнатной температуре, добавляли каштановый танин (4,50 г). Перемешивание продолжали при комнатной температуре в течение еще 5–10 мин с получением раствора темного красно-бурого цвета.

Смесь желатина (Speisegelatine, тип A, свиной, 120 по Блуму, 10,0 г) в воде (56,7 г) перемешивали при 50°C в течение приблизительно 15–30 мин до получения прозрачного раствора (pH 5,0). Далее добавляли 1 M NaOH (4,00 г) (pH 9,1), а затем часть вышеуказанного раствора каштанового танина (4,50 г; таким образом, фактически 1,00 г каштанового танина). Затем при энергичном перемешивании добавляли тунговое масло (1,13 г). После энергичного перемешивания в течение приблизительно 1 минуты при 50°C скорость перемешивания снова снижали и полученную смесь коричневого цвета (pH 9,1) использовали в последующих экспериментах.

Пример связующего вещества, пункт C

К 1 M NaOH (15,75 г), перемешиваемому при комнатной температуре, добавляли каштановый танин (4,50 г). Перемешивание продолжали при комнатной температуре в течение еще 5–10 мин с получением раствора темного красно-бурого цвета.

Смесь желатина (Speisegelatine, тип A, свиной, 180 по Блуму, 12,0 г) в воде (68,0 г) перемешивали при 50°C в течение приблизительно 15–30 мин до получения прозрачного раствора (pH 5,0). Далее добавляли 1 M NaOH (3,81 г) (pH 9,1), а затем часть вышеуказанного раствора каштанового танина (5,40 г; таким образом, фактически 1,20 г каштанового танина). После перемешивания в течение еще 1–2 минут при 50°C полученную коричневую смесь (pH 9,3) использовали в последующих экспериментах.

Пример связующего вещества, пункт 12

К 1 M NaOH (15,75 г), перемешиваемому при комнатной температуре, добавляли каштановый танин (4,50 г). Перемешивание продолжали при комнатной температуре в течение еще 5–10 мин с получением раствора темного красно-бурого цвета.

Смесь желатина (Speisegelatine, тип A, свиной, 180 по Блуму, 10,0 г) в воде (56,7 г) перемешивали при 50°C в течение приблизительно 15–30 мин до получения прозрачного раствора (pH 5,0). Далее добавляли 1 M NaOH (3,28 г) (pH 9,2), а затем часть вышеуказанного раствора каштанового танина (4,50 г; таким образом, фактически 1,00 г каштанового танина). Затем при энергичном перемешивании добавляли тунговое масло (0,65 г). После энергичного перемешивания в течение приблизительно 1 минуты при 50°C скорость перемешивания снова снижали и полученную смесь коричневого цвета (pH 9,1) использовали в последующих экспериментах.

Таблица 1-1. Связующая композиция предыдущего уровня техники

Таблица 1-2. Белок, поперечносшивающий агент, минеральное масло или сложный эфир жирных кислот глицерина

^[a] от белка.^[b] от белка + поперечно-сшивающий агент.

Таблица 1-3. Белок, поперечно-сшивающий агент, сложный эфир жирных кислот глицерина

^[a] от белка.^[b] от белка + поперечно-сшивающий агент.

Реферат

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано для производства продукта из минеральной ваты. Не содержащая формальдегида связующая композиция для минеральных волокон имеет pH более 7 и содержит по меньшей мере один танин, по меньшей мере один белок и по меньшей мере один сложный эфир жирных кислот и глицерина. Содержание танина 1-70 мас.% в пересчете на сухую массу белка, а содержание эфира жирных кислот и глицерина 0,5-40 мас.% в пересчете на сухую массу белка. Указанная связующая композиция может дополнительно содержать по меньшей мере одно фенол- и/или хинонсодержащее соединение. Танин выбран из дубильной кислоты, конденсированных танинов, гидролизуемых танинов, галлотанинов, эллагитанинов, сложных танинов и/или танина, полученного из дуба, каштана, сумаха оленерогого и теллимы крупноцветковой. Белок может быть животного происхождения и выбран из коллагена, желатина, гидролизованного желатина и белка из молока, яиц; или растительного происхождения, включая белки бобовых, злаковых, цельных злаков, орехов, семян и фруктов; или белково-полифенольных комплексов, таких как белок ног двустворчатых моллюсков. Сложный эфир жирных кислот и глицерина имеет форму растительного и/или животного масла с йодным числом более или равным 75 и выбран из льняного, оливкового, тунгового, кокосового, конопляного, рапсового или подсолнечного масла или рыбьего жира. Связующая композиция может дополнительно содержать добавку, выбранную из тирозиназы, иона железа, амина или его солей, KOH или NaOH, аммиака или его солей, а также сшивающих агентов, содержащих амино- и/или тиоловые группы. Продукт из минеральной ваты содержит минеральные волокна, скрепленные связующим веществом, полученным путем отверждения указанной связующей композиции, имеет плотность 10-1200 кг/м³ и характеризуется потерями при прокаливании 0,1-25,0 мас.%. Для получения указанного продукта сначала расплавляют сырьевые материалы, формируют минеральные волокна, собирают их в виде полотна, смешивают с указанной связующей композицией и отверждают полученную смесь при температуре 5-95°C путём продувки воздухом или газом. Продукт из минеральной ваты получен из возобновляемых источников без использования коррозионных и/или вредных материалов, обладает высокой прочностью и низким поглощением воды. 4 н. и 23 з.п. ф-лы, 3 табл.

Формула