Proceso para la producción de materiales compuestos a base de gel.

Un proceso para la producción de materiales compuestos que comprenden geles de celulosa nanofibrilares,

caracterizado por las etapas de:

a) aportación de fibras de celulosa;

b) aportación de al menos una carga y/o pigmento;

c) combinación de las fibras de celulosa de la etapa a) y al menos una carga y/o pigmento de la etapa b);

d) fibrilación de las fibras de celulosa en presencia de al menos una carga y/o pigmento hasta que no queden fibras y se forme un gel nanofibrilar únicamente de fibrillas primarias en un entorno acuoso, en el que se comprueba la formación del gel mediante la supervisión de la viscosidad de la mezcla dependiendo del índice de corte, en el que la reducción de la viscosidad de la mezcla tras un aumento escalonado del índice de corte es más fuerte que el aumento de viscosidad correspondiente tras la subsiguiente reducción escalonada del índice de corte sobre al menos parte del intervalo del índice de corte en la cercanía de cero;

e) aportación de al menos otra carga y/o pigmento;

f) combinación del gel de la etapa d) y al menos otra carga y/o pigmento de la etapa e).

Proceso para la producción de materiales compuestos a base de gel

La presente invención está relacionada con un proceso para la producción de materiales compuestos a base de gel, los materiales que se obtienen de este proceso así como el uso de los mismos en varias aplicaciones.

Un material compuesto es básicamente una combinación de dos o más materiales, cada uno de los cuales mantiene sus propias características distintivas. El material resultante posee características que no son propias de sus componentes con respecto al aislamiento. En la mayoría de los casos, los materiales compuestos poseen una fase voluminosa continua, que se denomina matriz, y una fase dispersa, no continua, que se denomina refuerzo. Entre otros ejemplos de materiales compuestos básicos se encuentra el hormigón (cemento mezclado con arena y áridos) , el hormigón armado (barras de acero integradas en el hormigón) , y la fibra de vidrio (filamentos de vidrio en una matriz de resina) .

Estas son algunas de las razones por las que se opta por materiales compuestos para determinadas aplicaciones:

-Elevada relación entre resistencia y peso (elevada resistencia a la tracción a baja densidad)

-Elevada resistencia a la fluencia

-Elevada resistencia a la tracción a altas temperaturas

-Elevada dureza

Generalmente, los materiales de refuerzo son resistentes, mientras que la matriz suele ser un material dúctil o duro. Si el material compuesto se diseña y se fabrica correctamente, es capaz de combinar la resistencia del refuerzo con la dureza de la matriz para conseguir una combinación de propiedades deseables que no está presente en ninguno de los materiales convencionales individuales. Por ejemplo: los compuestos de polímero/cerámico poseen un módulo más grande que el componente polímero pero no son tan quebradizos como el material cerámico.

Dado que es de suma importancia utilizar material de refuerzo para el mecanismo de aumento de la resistencia de un compuesto, conviene clasificar los compuestos de acuerdo con las características del refuerzo. Se utilizan habitualmente las tres categorías siguientes:

a) "refuerzo con fibras", donde la fibra es el principal componente que soporta las cargas.

b) "refuerzo con partículas", donde la carga se reparte entre la matriz y las partículas.

c) "refuerzo por dispersión", donde la matriz es el principal componente que soporta las cargas.

d) "compuestos estructurales", donde las propiedades dependen de los componentes y del diseño geométrico.

Generalmente, la resistencia del compuesto depende principalmente de la cantidad, de la disposición y del tipo de refuerzo por fibras (o partículas) dentro de la resina. Además, el compuesto suele estar formulado con cargas y aditivos que cambian los parámetros de procesado o de rendimiento.

Los compuestos avanzados emplean una combinación de resinas y de fibras, habitualmente carbono/grafito, kevlar,

o fibra de vidrio con una resina epoxi. Las fibras proporcionan una elevada rigidez, mientras que la matriz de resina de polímero que las rodea mantiene la integridad del conjunto. El concepto del diseño fundamental de los compuestos es que la fase matriz permite aplicar la carga sobre una amplia superficie y la transfiere al material de refuerzo, que puede soportar una carga mayor. Estos materiales se desarrollaron inicialmente para ser utilizados en la industria aeroespacial debido a que, para determinadas aplicaciones, ofrecen una mayor relación entre la rigidez y el peso o la resistencia y el peso que los metales. Esto significa que las piezas metálicas pueden sustituirse por piezas más ligeras fabricadas con materiales compuestos avanzados.

Por tanto, es bien conocida la técnica anterior que consiste en emplear polímeros y materiales similares en compuestos, que no dejan de ser relativamente costosos y nocivos para el medio ambiente. Además, la realización de cargas según se ha mencionado anteriormente requiere un tratamiento de la superficie, lo que implica elevados costes de procesado.

Por tanto, aún es necesario el suministro de materiales compuestos rentables y respetuosos con el medio ambiente.

Se han investigado varios materiales para encontrar una solución al respecto, entre otros, celulosa y carbonato cálcico.

La celulosa es el componente estructural de la pared de las células primarias de las plantas verdes y es el compuesto orgánico más abundante de la Tierra. Presenta un elevado interés para muchas aplicaciones e industrias.

La pasta de celulosa como materia prima procede de la madera o de brotes de plantas como el cáñamo, el lino y la manila. Las fibras de la pasta se forman principalmente de celulosa y de otros componentes orgánicos (hemicelulosa y lignina) . Las macromoléculas de celulosa (compuestas por moléculas de 1-4 β-D-Glucosa unida con glucosídicos) están unidas entre sí mediante enlaces de hidrógeno para formar lo que se denomina una fibrilla primaria (micela) que posee dominios cristalinos y amorfos. Varias fibrillas primarias (en torno a 55) forman una microfibrilla. En torno a 250 de estas microfibrillas forman una fibrilla.

Las fibrillas están dispuestas en diferentes capas (que pueden contener lignina y/o hemicelulosa) para formar una fibra. Las fibras individuales también están unidas entre sí con lignina.

Cuando se refinan las fibras mediante la aplicación de energía, se fibrilan con la ruptura de las paredes de las células y se desgarran en cintas, también denominadas fibrillas. Si se prolonga esta rotura con la separación de las fibrillas del cuerpo de la fibra, se liberan las fibrillas. La descomposición de las fibras en microfibrillas se denomina "microfibrilación". Este proceso puede prolongarse hasta que no queden fibras y solamente permanezcan las fibrillas de tamaño nano (grosor) .

Si el proceso va más allá y descompone estas fibrillas en fibrillas más y más pequeñas, estas acaban por convertirse en fragmentos de celulosa o geles nanofibrilares. Dependiendo de hasta dónde llega esta última etapa, algunas nanofibrillas pueden quedar entre el gel nanofibrilar. La descomposición en fibrillas primarias puede denominarse "nanofibrilación", donde puede haber una transición suave entre los dos regímenes. Las fibrillas primarias forman un gel en un entorno acuoso (red metaestable de fibrillas primarias) que puede denominarse "gel nanofibrilar". Puede considerarse que el gel formado por las nanofibrillas contiene nanocelulosa.

Los geles nanofibrilares son apreciables porque suelen contener fibrillas muy finas, de las que se considera que están parcialmente constituidas de nanocelulosa, mostrando un mayor potencial vinculante consigo mismas, o con cualquier otro material presente, que las fibrillas que no son tan finas o que no exhiben una estructura nanocelulósica.

Los geles de celulosa nanofibrilar son conocidos gracias a la solicitud de patente europea Nº 09 156 703.2 no publicada. Sin embargo, no existen enseñanzas con respecto a la formación de los materiales compuestos.

Se ha averiguado ahora que estos geles de celulosa pueden formarse en materiales compuestos, que pueden producirse más fácil o rápidamente añadiendo carga y/o pigmentos a los citados geles, y da lugar a un mejor comportamiento, y que son más respetuosos con el medio ambiente que muchos otros materiales compuestos.

De este modo, el problema referido se resuelve mediante un proceso para la producción de materiales compuestos que incluyen geles de celulosa nanofibrilares, caracterizado por las etapas siguientes:

a) aportación de fibras de celulosa;

b) aportación de al menos una carga y/o pigmento;

c) combinación de las fibras de celulosa de la etapa a) y al menos una carga y/o pigmento de la etapa b) ;

d) fibrilación de las fibras de celulosa en presencia de al menos una carga y/o pigmento hasta que se forme un gel;

e) aportación de al menos otra carga y/o pigmento;

f) combinación del gel de la etapa d) y al menos otra carga y/o pigmento de la etapa e) ;

La celulosa nanofibrilar dentro del contexto de la presente invención significa fibras que se descomponen al menos parcialmente en fibrillas primarias. Si estas fibrillas primarias se encuentran en un entorno acuoso, se forma un gel (red metaestable de fibrillas primarias considerada en el límite de fineza para ser esencialmente nanocelulosa) , que se denomina "gel nanofibrilar", donde se produce una transición homogénea entre las nanofibras y el gel nanofibrilar, incluidos los geles nanofibrilares que incluyen una cantidad variable de nanofibrillas, todos ellos incluidos en la denominación geles de celulosa nanofibrilar... [Seguir leyendo]

1. Un proceso para la producción de materiales compuestos que comprenden geles de celulosa nanofibrilares, caracterizado por las etapas de:

a) aportación de fibras de celulosa;

b) aportación de al menos una carga y/o pigmento;

c) combinación de las fibras de celulosa de la etapa a) y al menos una carga y/o pigmento de la etapa b) ;

d) fibrilación de las fibras de celulosa en presencia de al menos una carga y/o pigmento hasta que no queden fibras y se forme un gel nanofibrilar únicamente de fibrillas primarias en un entorno acuoso, en el que se comprueba la formación del gel mediante la supervisión de la viscosidad de la mezcla dependiendo del índice de corte, en el que la reducción de la viscosidad de la mezcla tras un aumento escalonado del índice de corte es más fuerte que el aumento de viscosidad correspondiente tras la subsiguiente reducción escalonada del índice de corte sobre al menos parte del intervalo del índice de corte en la cercanía de cero;

e) aportación de al menos otra carga y/o pigmento;

f) combinación del gel de la etapa d) y al menos otra carga y/o pigmento de la etapa e) .

2. El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque en la combinación de la etapa f) se extrae el agua durante la etapa de extracción de agua g) .

3. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque las fibras de celulosa se encuentran en las pastas seleccionadas del grupo que comprende pasta de eucalipto, pasta de pícea, pasta de pino, pasta de haya, pasta de cáñamo, pasta de algodón, pasta de bambú, bagazo, así como la pasta reciclada y/o destintada y mezclas de las mismas.

4. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las fibras de celulosa se aportan en forma de suspensión, que poseen preferiblemente un contenido en sólidos de 0, 2 a 35 % en peso, más preferiblemente de 0, 25 a 10 % en peso, aún más preferiblemente de 0, 5 a 5 % en peso, especialmente de 1 a 4 % en peso, y con mayor preferencia por 1, 3 a 3 % en peso, por ejemplo 1, 5 % en peso.

5. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la (s) carga (s) y/o pigmento (s) de las etapas b) y e) se seleccionan independientemente del grupo que comprende carbonato cálcico precipitado (PCC) ; carbonato cálcico con modificación superficial; carbonato cálcico natural molido (GCC) ; dolomita; talco; bentonita; arcilla; magnesita; blanco satinado; sepiolita, huntita, diatomita; silicatos; y mezclas de los mismos; y se selecciona preferiblemente del grupo de carbonato cálcico precipitado, que puede tener una estructura de cristal vaterita, calcita o aragonita, especialmente el carbonato cálcico precipitado prismático discreto ultrafino, escalenoédrico o romboédrico; el carbonato cálcico natural molido, que puede seleccionarse entre el mármol, la caliza y/o la tiza; y las mezclas de los mismos.

6. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las partículas de carga y/o pigmento de la etapa b) tienen un tamaño medio de partícula de 0, 01 a 15 !m, preferiblemente de 0, 1 a 10 !m, más preferiblemente de 0, 3 a 5 !m, especialmente de 0, 5 a 4 !m y con mayor preferencia de 0, 7 a 3, 2 !m, por ejemplo 2 µm.

7. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las partículas de carga y/o pigmento de la etapa e) tienen un tamaño medio de partícula de 0, 01 a 5 !m, preferiblemente de 0, 05 a 1, 5 !m, más preferiblemente de 0, 1 a 0, 8 !m, y con mayor preferencia de 0, 2 a 0, 5 !m, por ejemplo 0, 3 µm.

8. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la carga y/o pigmento de las etapas b) y/o e) se asocian con agentes dispersantes seleccionados del grupo que comprende homopolímeros o copolímeros de ácidos policarboxílicos y/o sus sales o derivados, como los esteres basados en, por ejemplo, ácido acrílico, ácido metacrílico, ácido maleico, ácido fumárico, ácido itacónico; por ejemplo acrilamida

o esteres acrílicos como el metilmetacrilato, o mezclas de los mismos; polifosfatos alcalinos, ácidos fosfónico, cítrico y tartárico, y sales o esteres de los mismos; o mezclas de los mismos.

9. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la combinación de las fibras y al menos una carga y/o pigmento de las etapas b) y/o e) se realiza agregando la carga y/o pigmento a las fibras, o las fibras a la carga y/o pigmento, en una o varias etapas.

10. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la carga y/o pigmento de la etapa b) y/o las fibras se agregan en su totalidad o en porciones antes o durante la etapa de la fibrilación (d) , preferiblemente antes de la etapa de fibrilación (d) .

11. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la relación del

peso de las fibras sobre la carga y/o pigmento de la etapa b) sobre una base de peso seco es de 1:33 a 10:1, más preferiblemente 1:10 a 7:1, aún más preferiblemente 1:5 a 5:1, generalmente 1:3 a 3:1, especialmente 1:2 a 2:1 y con mayor preferencia 1:1.5 a 1.5:1, por ejemplo 1:1.

12. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la fibrilación se lleva a cabo por medio de un homogeneizador o un molino de fricción ultrafina.

13. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la relación del peso de las fibras sobre la carga y/o pigmento de la etapa e) sobre una base de peso seco es de 1:9 a 99:1, preferible de 1:3 a 9:1, más preferible de 1:2 a 3:1, por ejemplo 2:1.

14. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el contenido total de carga y/o pigmento de las etapas b) y e) sobre la base del peso seco del material compuesto oscila del 10 %

al 95 % en peso, preferiblemente del 15 % al 90 % en peso, más preferiblemente del 20 % al 75 % en peso, aún más preferiblemente del 25 % al 67 % en peso, especialmente del 33 al 50 % en peso.

15. El uso de un gel de celulosa nanofibrilar de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, para la producción de un material compuesto mediante la combinación del gel con al menos otra carga y/o pigmento, y la extracción del agua de esta combinación.

16. Un material compuesto obtenido mediante el proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 o el uso de conformidad con la reivindicación 15.

17. El uso del material compuesto de conformidad con la reivindicación 16 en aplicaciones como plásticos, por ejemplo materiales de construcción o de embalaje, pinturas, caucho, hormigón, cerámica, paneles, carcasas, láminas, películas, estucados, perfiles de extrusión, adhesivos, alimentos, o en aplicaciones para la curación de las heridas.