ТРИГЛИЦЕРИДНЫЕ КОМПОЗИЦИИ, ПРИГОДНЫЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ПАНЕЛЕЙ, И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Настоящая заявка претендует на преимущества приоритета предварительной заявки США №61/239535, поданной 3 сентября 2009 г., которая является частичным продолжением и претендует на преимущества приоритета патентной заявки США №12/360655, поданной 27 января 2009 г.; содержание обеих заявок в полном объеме включено в настоящую заявку в виде ссылок.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к добавкам для применения в производстве композитных панелей. В частности, изобретение относится к добавкам, пригодным для придания композитным панелям стойкости к влагопоглощению и разбуханию.

Предшествующий уровень техники

Композитные плиты, также известные в уровне техники как композитные панели, могут быть изготовлены из древесины и могут обладать свойствами натуральной древесины. При производстве композитных плит, таких как древесно-волокнистые плиты средней плотности (MDF) или древесно-стружечные плиты, древесину сначала измельчают в древесную стружку (щепу) требуемого размера. Затем древесную стружку смешивают со связующим в смесителе до образования однородной смеси.

Гомогенизированную смесь экструдируют или формуют для придания требуемой формы. На композитную плиту может наноситься покрытие из поливинилхлорида (ПВХ), меламина, металла, пленки, импрегнированной бумаги, шпона натурального дерева, который окрашивается и лакируется, или из полиэфира с тем, чтобы сделать композитную плиту декоративной и износостойкой и придать ей другие свойства. Для некоторых сфер применения отвердевшую композитную плиту обрезают до требуемой формы и размера, а затем дополнительно обрабатывают резкой, сверлением или окантовкой для изготовления требуемой детали. Композитные плиты могут использоваться для изготовления шкафов с полками, лепных украшений, частей хранилищ, столов или других изделий.

В последнее десятилетие ориентированно-стружечная плита (OSB), другой вид композитных панелей, стала особенно популярным древесным материалом в жилищном строительстве. Со времени своего появления в 1978 г., OSB стала самым быстро распространившимся композитным материалом на основе древесины. OSB используется в первую очередь как структурная панель, в качестве которой в прошлом доминировала клееная фанера из мягкой древесины.

Еще одним видом композитных панелей являются так называемые "гипсокартонные листы". Традиционный гипсокартонный лист, или сухая штукатурка, обычно изготавливают из суспензии строительного гипса, которую помещают между двумя слоями" бумаги. Точнее говоря, в традиционном способе влажная суспензия гипса (гипсомасса) заливается на конвейере между двумя слоями бумаги и выдерживается в течение определенного периода времени для застывания. В гипсокартонном листе два слоя бумаги содержат гипсомассу и обеспечивают предел прочности при растяжении, требуемый для монтажа и эксплуатации. Гипсокартонные композитные панели в дополнение к гипсу могут содержать целлюлозу и другие материалы.

В области изготовления композитных панелей весьма желательным является повышение влагостойкости всех видов таких панелей.

Краткое изложение сущности изобретения

В одном аспекте изобретение представляет собой композитную панель, изготовленную с применением добавки, повышающей влагостойкость и пригодной для производства композитных панелей, причем добавка, повышающая влагостойкость, содержит триглицерид с числом омыления, по меньшей мере, 150 и йодным числом, по меньшей мере, 35.

В другом аспекте изобретение представляет собой способ изготовления композитных панелей, который предусматривает введение добавки, повышающей влагостойкость и пригодной для производства композитных панелей, которая содержит триглицерид с числом омыления, по меньшей мере, 150 и йодным числом, по меньшей мере, 35, в мокрый способ производства панелей.

Еще одним аспектом изобретения является добавка, повышающая влагостойкость и пригодная для производства композитных панелей, которая содержит триглицерид с числом омыления, по меньшей мере, 150 и йодным числом, по меньшей мере, 35.

Следующим аспектом изобретения является добавка, включающая эмульсию, приготовленную по рецептуре, в которую входят триглицерид с числом омыления, по меньшей мере, 150 и йодным числом, по меньшей мере, 35; углеводородный воск; линейную C₁₂-C₂₂ жирную кислоту и соединение или соединения, выбранные из группы, состоящей из амина, неорганического основания и их смесей. Эмульсия приготовлена в условиях, подходящих для диспергирования компонентов эмульсии и, по меньшей мере, частичного омыления триглицерида.

Еще один аспект изобретения относится к добавке, повышающей влагостойкость и включающей эмульсию, приготовленную по рецептуре, в которую входят триглицерид с числом омыления, по меньшей мере, 150 и йодным числом, по меньшей мере, 35 и, по меньшей мере, один неионогенный эмульгатор, и в которую, в еще одном аспекте изобретения, не входит углеводородный воск.

Осуществление изобретения

Одним вариантом осуществления изобретения является композитная панель, изготовленная с применением добавки, повышающей влагостойкость и пригодной для производства композитных панелей, причем добавка, повышающая влагостойкость, содержит триглицерид с числом омыления, по меньшей мере, 150 и йодным числом, по меньшей мере, 35. Триацилглицериды (обозначаемые также термином "триглицериды") с химической точки зрения представляют собой сложные эфиры глицерина и жирных кислот. Подходящие для настоящего изобретения триглицериды включают, но их перечень не ограничивается только названными здесь, рапсовое масло; рыбий жир менхаден (рыба семейства сельдевых); кукурузное масло; оливковое масло; масло-какао; соевое масло; льняное масло; хлопковое масло; лярд; топленый бараний жир; арахисовое масло; конский жир; топленый говяжий жир; пальмовое масло; сливочное масло; пальмоядровое масло и кокосовое масло. Может использоваться любой триглицерид при условии, что он имеет число омыления и йодное число, по меньшей мере, 150 и 35, соответственно.

Если триглицериды имеют слишком высокую степень ненасыщенности, то они могут подвергаться обработке любым известным специалисту в данной области техники методом, приводящим к снижению степени ненасыщенности. Например, триглицериды могут подвергаться гидрогенизации.

В некоторых вариантах осуществления изобретения может быть желательным, чтобы йодное число составляло выше 35. Например, в некоторых вариантах йодное число может быть выше примерно 45. В другом варианте йодное число может быть выше примерно 55. В некоторых вариантах йодное число составляет примерно от 50 до 56.

В некоторых вариантах осуществления изобретения число омыления триглицеридов составляет выше 150. Например, в некоторых вариантах число омыления составляет выше примерно 170. В других вариантах число омыления составляет примерно от 170 до 260, а в еще одних вариантах число омыления составляет примерно от 185 до 200.

Йодное число триглицерида можно определить следующим образом. Измеряется количество галогена, абсорбировавшееся образцом триглицерида при воздействии галогена на образец. Затем количество абсорбировавшегося галогена пересчитывается на йод и выражается в граммах/100 г образца. Йодное число - это количество граммов йода, абсорбировавшееся 100 граммами жира, и степень ненасыщенности жирной кислоты в образце повышается с увеличением йодного числа. Раствор хлороформа или четыреххлористого углерода готовят как образец, и к образцу добавляют спиртовой раствор йода и хлорида ртути или раствор хлорида йода в ледяной уксусной кислоте. После выдерживания образца остаточный йод, не вступивший в реакцию, титруют стандартным раствором тиосульфата натрия с последующим расчетом количества абсорбировавшегося йода. Применительно к изобретению может использоваться любой метод определения йодного числа, который соответствует известным стандартным методам измерения йодных чисел.

Число омыления - это количество миллиграммов гидроксида калия (KOH), требующееся для омыления 1 г образца; оно соответствует сумме кислотного и эфирного чисел. Для измерения числа омыления при реализации изобретения образец может омыляться примерно 0,5 Н спиртовым раствором гидроксида калия (едкого кали), а избыток гидроксида калия может затем титроваться 0,5 Н соляной кислотой. Число омыления соединения повышается с увеличением количества сложноэфирных групп в соединении. Применительно к изобретению может использоваться любой метод определения числа омыления, который соответствует известным стандартным методам измерения чисел омыления.

В одном варианте осуществления изобретения добавка, повышающая влагостойкость и содержащая триглицерид, может находиться в форме водной эмульсии. Эмульсия, помимо воды и триглицерида, может содержать другие компоненты. Дополнительные компоненты могут включать, но их перечень не ограничивается только названными здесь, углеводородные воски, линейные C₁₂-C₂₂ жирные кислоты, неорганическое основание, амин и их смеси. Дополнительные компоненты могут также включать один или более неионогенных эмульгаторов, которые необязательно используют в отсутствие углеводородного воска.

Если используется углеводородный воск, то он может быть выбран из любого известного на рынке воска, который имеет температуру плавления примерно от 120°F (48,9°C) до 150°F (65,6°C). В некоторых вариантах осуществления изобретения воск имеет температуру плавления примерно от 135°F (57,2°C) до 145°F (62,8°C). Такие воски обычно обладают низкой летучестью, показывая потери менее 10% масс. в ходе стандартного термогравиметрического анализа. Кроме того, содержание жира в этих восках обычно может быть ниже примерно 1% масс. Эти воски имеют относительно высокую молекулярную массу при средней длине углеродных цепочек примерно 36 или более атомов углерода (C₃₆ или более). В качестве углеводородного воска эмульсии может использоваться любой воск, известный из области приготовления эмульсий, пригодных для производства композитных панелей.

Линейные C₁₂-C₂₂ жирные кислоты, которые могут использоваться в изобретении, включают, но их перечень не ограничивается только названными здесь, лауриновую кислоту, пальмитиновую кислоту, стеариновую кислоту, бегеновую кислоту, олеиновую кислоту, линолевую кислоту, линоленовую кислоту и их смеси. В контексте настоящей заявки термин "линейные", употребляемый для описания жирных кислот, относится к углеродным цепочкам жирной кислоты, которые являются в основном линейными и в которых менее 5% атомов углерода, не являющихся альфа-атомами углерода, замещены метильной или высшей алкильной группой.

Кислоты могут быть насыщенными, ненасыщенными или полиненасыщенными.

Водные эмульсии могут необязательно включать такое соединение, как неорганическое основание. Неорганическое основание может быть выбрано из группы, состоящей из гидроксида натрия, гидроксида калия, гидроксида цезия, гидроксида лития, гидроксида аммония и их смесей. Любое неорганическое основание, которое достаточно хорошо растворяется в воде в концентрации, достаточной для достижения омыления триглицерида, может использоваться в вариантах осуществления изобретения.

Водные эмульсии могут необязательно включать амин. В контексте настоящей заявки термин "амин" относится к любому соединению, содержащему аминогруппу. В одном варианте осуществления изобретения амин является алканоламином. Алканоламины, которые могут быть пригодными для использования в изобретении, включают, но их перечень не ограничивается только названными здесь, диэтаноламин, триэтаноламин и их смеси. Любой амин, который достаточно хорошо растворяется в воде в концентрации, достаточной для достижения омыления триглицерида, может использоваться в вариантах осуществления изобретения. Например, в качестве амина может использоваться морфолин.

Водные эмульсии необязательно могут включать неионогенный эмульгатор. В контексте настоящей заявки термин "неионогенный эмульгатор" обозначает сложный эфир жирной кислоты и полиспирта, такого как, например, сорбитан, сахароза или глицерин. В одном варианте осуществления изобретения неионогенные эмульгаторы включают сорбитановые эфиры или комбинации сорбитановых эфиров, которые обладают гидрофильными. В другом варианте сорбитановые эфиры или комбинации сорбитановых эфиров имеют величину HLB (гидрофильно-липофильный баланс) выше 10. В еще одном варианте сорбитановые эфиры имеют величину HLB выше 12. В другом варианте сорбитановый эфир выбирают из одного или более следующих соединений: сорбитан-моностеарат, сорбитан-изостеарат, сорбитан-лаурат, сорбитан-олеат, сорбитан-пальмитат, сорбитан-сесквиолеат, сорбитан-моноизостеарат-этоксилат, сорбитан-монолаурат-этоксилат, сорбитан-моноолеат-этоксилат, сорбитан-монопальмитат-этоксилат, сорбитан-моностеарат-этоксилат, сорбитан-тетраолеат-этоксилат, сорбитан-тетрастеарат-этоксилат, сорбитан-тристеарат-этоксилат и сорбитан-гексастеарат-этоксилат, включая их любую комбинацию или подвид.

Не желая ограничиваться какой-либо теорией, авторы изобретения выдвинули предположение, что эмульсии изобретения инициируют стабилизацию системы поверхностно-активных веществ и гидрофильных компонентов в системе целлюлоза/смола/воск или в системе гипс/древесное волокно и создание влагостойкого барьера в результате их дегидратации. Эти эмульсии способны придавать композитным панелям, изготовленным с их применением, одно или более требуемых свойств, таких как высокий предел текучести, пенообразная структура подложки, связность, прочность, стабильность, низкий рН и низкое влагопоглощение.

Эмульсии, пригодные для использования в изобретении, могут включать перечисленные компоненты в целом диапазоне концентраций. Триглицериды могут присутствовать в концентрации примерно от 10% масс. до 50% масс. эмульсии. Если эмульсию готовят без углеводородных восков, то триглицерид может присутствовать в концентрации примерно от 30% масс. до 50% масс. эмульсии.

Углеводородные воски могут присутствовать в концентрации примерно от 0% масс. до 25% масс. В некоторых вариантах осуществления изобретения, в которых используется углеводородный воск, он присутствует в концентрации примерно от 0,5 до 20% масс. В других вариантах, в которых используется углеводородный воск, он присутствует в концентрации примерно от 5 до 20% масс.

Линейная C₁₂-C₂₂ жирная кислота может присутствовать в концентрации примерно от 0,5% масс. до 3% масс. В некоторых вариантах осуществления изобретения жирная кислота присутствует в концентрации примерно от 0,5 до 2% масс. В других вариантах жирная кислота присутствует в массовой концентрации примерно от 1 до 1,5% масс.

Амин может присутствовать в концентрации примерно от 0% масс. до 3,0% масс. В некоторых вариантах осуществления изобретения амин присутствует в концентрации примерно от 0,5 до 2% масс. В других вариантах амин присутствует в массовой концентрации примерно от 1 до 1,5% масс.

Неорганическое основание может присутствовать в концентрации примерно от 0% масс. до 6,0% масс. В некоторых вариантах осуществления изобретения неорганическое основание присутствует в концентрации примерно от 0,5 до 4% масс. В других вариантах неорганическое основание присутствует в массовой концентрации примерно от 1 до 3% масс.

Неионогенные эмульгаторы могут присутствовать в концентрации примерно от 0,5% масс. до 10% масс. В некоторых вариантах осуществления изобретения неионный эмульгатор присутствует в концентрации примерно от 1 до 8% масс. В других вариантах неионогенный эмульгатор присутствует в массовой концентрации примерно от 2 до 4% масс.

Добавки изобретения, придающие влагостойкость, которые в некоторых вариантах его осуществления имеют форму водной эмульсии, могут дополнительно включать другие композиции, такие как поверхностно-активные вещества, отдушки, биоциды (бактерициды и фунгициды), стабилизаторы и т.п.

Эмульсии могут быть приготовлены любым способом, известным специалисту в области производства добавок для использования в изготовлении композитных панелей. Например, компоненты эмульсии могут быть нагреты в емкости и перемешаны с помощью подходящих средств перемешивания. В одном варианте осуществления изобретения содержимое емкости циркулирует через гомогенизатор. В другом варианте содержимое перемешивают с помощью высокоскоростной мешалки.

Независимо от используемого способа, приготовление эмульсий проводят при температуре, достаточной для достижения омыления триглицерида. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения эмульсии готовят при температуре примерно от 110°F (43,3°C) до 200°F (93,3°C). В других вариантах температура составляет примерно от 120°F (48,9°C) до 180°F (81,2°C). В еще одном варианте температура составляет примерно от 130°F (54,4°C) до 160°F (71,1°C).

Способ изобретения может использоваться для производства композитных панелей, которые изготовляются с применением мокрых процессов и введением целлюлозы. Целлюлоза может быть в виде древесины или она может быть получена из другого источника, или может быть обработанной. Примеры целлюлозы включают, но их перечень не ограничивается только названными здесь, древесное волокно, древесные хлопья, древесную стружку, древесные чипсы (щепу), древесные частицы, утилизированную древесину или бумажное волокно и др. Примеры композитных панелей включают, но их перечень не ограничивается только названными здесь, бумажные коробки, ориентированно-стружечную плиту, клееную фанеру, древесно-волокнистую плиту средней плотности и др.

Способ изобретения предусматривает введение добавки, повышающей влагостойкость, в композитную добавку. В контексте заявки термин "влага" относится к воде либо в жидком виде, либо в виде пара.

Добавка, повышающая влагостойкость, может находиться в форме эмульсии. Если добавка находится в форме эмульсии, ее можно добавлять к любому сырью, используемому для производства панелей, перед его прессовкой и сушкой. Например, в процессе изготовления ориентированно-стружечной плиты древесную стружку комбинируют со смолой и эмульсией изобретения. Древесину, смолу и эмульсию смешивают друг с другом, и смесь формуют на подложку с образованием преформы. Преформу подвергают затем воздействию температуры и давления с получением ориентированно-стружечной плиты.

Эмульсию можно добавлять непосредственно к древесине. Эмульсию можно добавлять к связующему. Эмульсию можно подавать в смеситель вместе со связующим и древесиной. Эмульсию можно добавлять в плиту любым способом, который приводит к относительно равномерному распределению эмульсии в толще композитной панели.

Эмульсию изобретения можно добавлять к составу для изготовления композитной плиты в массовой концентрации примерно от 0,1 до 5% масс. В некоторых вариантах осуществления изобретения эмульсию изобретения можно добавлять к составу для изготовления композитной плиты в массовой концентрации примерно от 0,5 до 3% масс. В других вариантах эмульсию изобретения можно добавлять к составу для изготовления композитной плиты в массовой концентрации примерно от 1 до 2% масс.

Примеры

Следующие примеры приведены для иллюстрации настоящего изобретения. Примеры не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения и не должны интерпретироваться подобным образом. Количества указаны в массовых частях или массовых процентах, если не указано иное.

Пример 1

Первую эмульсию готовили по рецептуре, приведенной в табл.1. Эмульсию готовили с применением гомогенизатора. Перечисленные компоненты эмульсии имеются в свободной продаже и могут содержать небольшие количества растворителей.

Пример 2

Вторую эмульсию готовили по рецептуре, приведенной в табл.1. Эмульсию готовили с применением гомогенизатора. Ориентированно-стружечную плиту изготавливали традиционным методом горячего прессования с применением эмульсии табл.1. Древесную стружку комбинировали/смешивали в смесителе с полиметилен-дифенилдиизоцианатной (pMDI) смолой и примерно 1% масс. эмульсии изобретения. Смесь, полученную смешиванием со смолой и эмульсией и обозначенная в табл.1 как пример 2, формовали на подложке с получением преформы ориентированно-стружечной плиты. Преформу помещали затем на лист подушки горячего пресса, где изготавливали готовый материал путем приложения давления выше атмосферного и температуры выше комнатной. Метод горячего прессования описан также в патенте США №4433120 (Shui-Tung Chiu), содержание которого включено в полном объеме в настоящую заявку в виде ссылки. Из готового материала вырезали панели размером двенадцать дюймов на двенадцать дюймов (30,48 см × 30,48 см) и тестировали на плотность, прочность на сдвиг внутри плиты (IT), влагопоглощение (МА) и разбухание по толщине (TS) согласно стандарту ASTM-D-1037-99. Результаты тестов представлены в табл.2.

Пример 3

Третью эмульсию готовили по рецептуре, приведенной в табл.1. Эмульсию готовили с применением гомогенизатора. Ориентированно-стружечную плиту изготавливали способом, в основном идентичным описанному в примере 2 за исключением того, что использовали эмульсию, обозначенную в табл.1 как пример 3. Из готового материала вырезали панели размером двенадцать дюймов на двенадцать дюймов (30,48 см × 30,48 см) и тестировали на плотность, прочность на сдвиг внутри плиты, влагопоглощение и разбухание по толщине согласно стандарту ASTM-D-1037-99. Результаты тестов представлены в табл.2.

Сравнительный пример 4

Четвертую эмульсию готовили по рецептуре, приведенной в табл.1. Эмульсию готовили с применением гомогенизатора. Ориентированно-стружечную плиту изготавливали способом, в основном идентичным описанному в примере 2, за исключением того, что использовали эмульсию, обозначенную в табл.1 как сравнительный пример 4. Из готового материала вырезали панели размером двенадцать дюймов на двенадцать дюймов (30,48 см × 30,48 см) и тестировали на плотность, прочность на сдвиг внутри плиты, влагопоглощение и разбухание по толщине согласно стандарту ASTM-D-1037-99. Результаты тестов представлены в табл.2.

Обсуждение примеров 1-4

Ориентированно-стружечную плиту изготавливали по двум рецептурам изобретения и сравнивали с плитой, изготовленной с применением традиционной добавки для повышения влагостойкости. Как можно видеть из табл.2, примеры изобретения показали физические свойства, сходные со свойствами сравнительного примера, несмотря на то, что они содержали примерно на 9% и 12% меньше сухих веществ. Пример 3, несмотря на то, что он показал значительно пониженную плотность по сравнению со сравнительным примером, также обладал хорошими физическими свойствами. Поскольку область производства является достаточно конкурентоспособной в плане цены, снижение затрат на сырье может быть очень существенным.

Пример 5

Пятую эмульсию готовили по рецептуре, приведенной в табл.3. Эмульсию готовили с применением гомогенизатора. Перечисленные компоненты имеются в свободной продаже и могут содержать небольшие количества растворителей. Ориентированно-стружечную плиту изготавливали традиционным методом горячего прессования, описанным выше в примере 2 за исключением того, что полиметилен-дифенилдиизоцианатная (pMDI) смола была заменена фенольной смолой вкупе с эмульсией табл.3.

Пример 6

Шестую эмульсию готовили по рецептуре, приведенной в табл.3. Эмульсию готовили с применением гомогенизатора. Как упоминалось выше, указанные компоненты имеются в свободной продаже и могут содержать небольшие количества растворителей.

Сравнительный пример 7

Седьмую эмульсию готовили по рецептуре, приведенной в табл.3. Эмульсию готовили с применением гомогенизатора. Ориентированно-стружечную плиту изготавливали способом, в основном идентичным описанному в примере 5 за исключением того, что использовали эмульсию, обозначенную в табл.3 как сравнительный пример 7. Из готового материала вырезали панели размером двенадцать дюймов на двенадцать дюймов (30,48 см × 30,48 см) и тестировали на плотность, прочность на сдвиг внутри плиты, влагопоглощение и разбухание по толщине согласно стандарту ASTM-D-1037-99. Результаты тестов представлены в табл.4.

Обсуждение примеров 5-7

Ориентированно-стружечную плиту изготавливали по рецептуре изобретения и сравнивали с плитой, изготовленной с применением традиционной добавки для повышения влагостойкости. Как можно видеть из табл.4, пример 5 показал улучшенную прочность на сдвиг внутри плиты и несколько более высокое влагопоглощение, чем сравнительный пример, несмотря на то, что он содержал примерно на 9% меньше сухих веществ.