Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR THE PRODUCTION OF COMPOSITE MATERIALS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/195174
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for obtaining composite materials from waste cellulose, comprising drying and reducing the particle size of the waste cellulose, and mixing same with a polymer. The resulting mixture is extruded or shaped to produce a composite material which has suitable mechanical properties and which is very useful for substituting commercial materials.

Inventors:
VALENCIA GARCÍA, Marco Fidel (KM 2 + 200 vía al Aeropuerto José María Córdoba Envigado, Envigado, CO)
QUINCHÍA FIGUEROA, Adriana María (KM 2 + 200 vía al Aeropuerto José María Córdoba Envigado, Envigado, CO)
Application Number:
IB2017/052822
Publication Date:
November 16, 2017
Filing Date:
May 12, 2017
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
UNIVERSIDAD EIA (KM 2 + 200 vía al Aeropuerto José María Córdoba Envigado, Envigado, CO)
International Classes:
B29C70/00; B27N3/00; B27N3/08; B29B17/00; B29C70/06; C08J5/00; C08J5/04; C08J5/06
Domestic Patent References:
WO2006025722A12006-03-09
Foreign References:
US6863512B22005-03-08
EP0617177B11996-09-18
ES2557459T32016-01-26
Other References:
MARTINEZ ET AL.: "Sustainable eco-composites obtained from agricultural and urban waste plastic blends and residual cellulose fibers", JOURNAL OF CLEANER PRODUCTION, vol. 108, 1 December 2015 (2015-12-01), pages 377 - 384, XP055438085, Retrieved from the Internet
GONZALEZ-SANCHEZ ET AL.: "Use of residual agricultural plastics and cellulose fibers for obtaining sustainable eco-composites prevents waste generation", JOURNAL OF CLEANER PRODUCTION, vol. 83, 15 November 2014 (2014-11-15), pages 228 - 237, XP029071120
GONZALEZ-SANCHEZ ET AL.: "Comparison of the Effects of Polyethylenimine and Maleated Polypropylene Coupling Agents on the Properties of Cellulose-Reinforced Polypropylene Composites", J. APPL. POLYM. SCI., vol. 110, 5 December 2008 (2008-12-05), pages 2555 - 2562, XP055438087
Attorney, Agent or Firm:
OLARTE, Carlos R. (Carrera 5 No. 34-03, La Merced, Bogotá, CO)
Download PDF:
Claims:
REIVINDICACIONES

1. Un proceso para obtener materiales compuestos a partir de celulosa residual que comprende:

a. secar y reducir el tamaño de partícula de la celulosa residual;

b. mezclar la celulosa residual obtenida en a) con un polímero en una proporción determinada; en donde el polímero se selecciona entre el grupo que consiste de polivinil cloruro, polietileno, resina poliestérica y mezclas de los mismos; y

c. extruir y/o conformar la mezcla obtenida en b) hasta obtener el material compuesto.

2. El proceso según la Reivindicación 1, donde en la etapa (a) la celulosa residual se seca a una temperatura entre 20 °C y 40 °C hasta alcanzar un contenido de humedad entre el 5% y 20%.

3. El proceso según la Reivindicación 1, donde en la etapa (b) la celulosa residual se mezcla con el polímero en una relación entre 1 :1 y 1:4 celulosa residual:polímero.

4. El proceso según la Reivindicación 1, donde en la etapa (c), la mezcla se extruye en una máquina extrusora a una velocidad entre 100 rpm y 150 rpm y programando de 3 a 5 rampas de temperatura entre 110 °C y 205 °C. 5. El proceso según la Reivindicación 1, donde el material compuesto obtenido está en forma de masa, polvo o pellet.

6. El proceso según la Reivindicación 1, donde el material compuesto obtenido tiene las siguientes propiedades:

Coeficiente de fricción estático (N/N) 0,20 - 0,95

Esfuerzo de tracción (MPa) 4,0 - 6,0

Dureza shore 55-88

Densidad (g/cm3) 1,00-1,50

Abrasión (mm3) 330 - 355

Description:
PROCESO PARA LA FABRICACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS

Campo de la invención La invención se encuentra en el campo de la Ingeniería de los materiales, específicamente en materiales compuestos.

Descripción del estado de la técnica En la última década, la fabricación de productos a partir de residuos industriales o de post-consumo ha sido de interés creciente debido a sus beneficios económicos y ambientales. Los materiales compuestos son materiales que se forman por la unión de dos o más materiales con el propósito de obtener un material con propiedades mecánicas superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes.

Los materiales compuestos tienen buenas propiedades mecánicas, pueden ser de peso relativamente ligero, flexibles resistentes a la corrosión y de fácil obtención a bajo costo. Su utilidad principal es en el área de la construcción y en la fabricación de diversos productos tales como suelas de zapatos, maderas plásticas, mesones y tableros.

El estado de la técnica describe varios procesos para obtener materiales compuestos con propiedades mecánicas mejoradas. El documento US20080029917 describe un proceso para fabricar materiales plásticos con carga celulósica que comprende: seleccionar residuos plásticos reciclados y añadirle una carga celulósica que contiene polímeros, bajo condiciones específicas de temperatura y presión, para así obtener un relleno de plástico encapsulado.

El documento US8940205 describe un método de fabricación de materiales compuestos para aplicaciones de alto rendimiento a partir de nanocelulosa, que comprende las siguientes etapas: i) moler nanocelulosa (fibras 1,5 a 5,0 nm de diámetro); ii) adicionar la nanocelulosa a una fase líquida que contiene una resina termoestable para obtener una dispersión; iii) adicionar un endurecedor a la dispersión para lograr la reticulación del polímero; y i) procesar el material mezclado para formar el material compuesto. Si bien en el estado de la técnica se encuentran divulgados varios procesos para obtener materiales compuestos, es necesario el desarrollo de procesos que ofrezcan una valorización a lo que se consideran residuos industriales aplicándolos a nuevos materiales con propiedades mecánicas comparables y biodegradables.

Breve descripción de la invención

La invención proporciona un proceso para obtener materiales compuestos a partir de celulosa residual, que comprende secar y reducir el tamaño de partícula de la celulosa residual y mezclarla con un polímero, luego la mezcla pasa a una etapa de extrusión o conformación, hasta finalmente obtener un material compuesto con propiedades mecánicas apropiadas para la fabricación de productos de uso cotidiano

Breve descripción de las figuras

FIG. 1 Espectro Infrarrojo con Transformada de Fourier de celulosa residual.

FIG. 2 Microscopía electrónica de Barrido del material compuesto obtenido con el Ejemplo 1.

FIG. 3 Microscopía electrónica de Barrido del material compuesto obtenido con el Ejemplo 2.

FIG. 4 Microscopía electrónica de Barrido del material compuesto obtenido Ejemplo 3.

FIG. 5 Gráfica de propiedades de fricción del material compuesto obtenido según el Ejemplo 1.

FIG. 6 Gráfica de propiedades de fricción del material compuesto obtenido según el Ejemplo 2.

FIG. 7 Gráfica de propiedades de fricción del material compuesto obtenido según el Ejemplo 3. FIG. 8 Gráfica de propiedades de flexión del material compuesto obtenido según el Ejemplo 1. FIG. 9 Gráfica de propiedades de flexión del material compuesto obtenido según el Ejemplo 2.

FIG. 10 Gráfica de propiedades de tracción del material compuesto obtenido según el Ejemplo 3.

Descripción detallada de la invención

Para obtener un material compuesto con propiedades mecánicas apropiadas a partir de celulosa residual de acuerdo al proceso de la invención, inicialmente se seca celulosa residual hasta un porcentaje de humedad determinado y se reduce su tamaño de partícula a valores inferiores a 0,80mm. La celulosa residual se mezcla con un polímero en proporciones definidas y la mezcla resultante se extruye bajo condiciones específicas hasta obtener un material compuesto con propiedades mecánicas apropiadas que le permiten ser empleado en la fabricación de diversos productos.

Para efectos de la presente invención el término "celulosa residual" se refiere a una composición con apariencia arcillosa, obtenida de desechos de madera, papel y cartón, que está constituida de materia orgánica y fibras de celulosa de longitud variable. Se caracteriza por contener grupos carboxilos y cadenas cerradas de carbono asociadas a moléculas de celulosa como se observa en la FIG 1. La densidad de la celulosa residual puede estar entre 1,4 y 1,8 g/cm 3 y un área superficial especifica entre 10,3 y 12,1 m 2 /g. En una modalidad preferida, la celulosa residual tiene la composición indicada en la Tabla 1. Tabla 1

Hemicelulosa 1,5 - 3,5

Cenizas 35,0 - 50,0

La celulosa residual inicialmente se seca a una temperatura entre 20°C y 40°C hasta alcanzar una humedad entre el 5% y 20% y luego se le reduce el tamaño de partícula hasta un tamaño inferior a 0,80mm. La reducción del tamaño de partícula se puede realizar por molienda y/o tamizado empleando para ello cualquier equipo conocido en la técnica.

Posteriormente, la celulosa residual se mezcla con un polímero manteniendo una relación entre celulosa/polímero de 1 : 1 a 1:4 y finalmente la mezcla obtenida se extruye hasta obtener el material compuesto. El polímero se selecciona del grupo que consiste de polivinil cloruro, polietileno, resina poliestérica y mezclas de los mismos.

En una modalidad preferida del proceso de la invención, el polímero empleado es polietileno y la extrusión se realiza en una máquina extrusora operada a una velocidad entre 100 y 150 rpm y programando rampas de temperatura hasta obtener el material compuesto. El material compuesto obtenido está en forma de masa o barra y a partir de esta presentación se puede modificar la presentación a polvo o pellet, dependiendo del uso final del material. Algunas de las propiedades del material compuesto obtenido se indican en la Tabla 2.

Tabla 2

La presente invención será presentada en detalle a través de los siguientes Ejemplos, los cuales son suministrados solamente con propósitos ilustrativos y no con el objetivo de limitar su alcance.

EJEMPLOS

Ejemplo 1: Obtención de un material compuesto a partir de celulosa residual y polietileno.

Se secaron 5 Kg de celulosa residual a temperatura ambiente y luego se transportó a un horno deshumidificador hasta obtener un porcentaje de humedad del 10%.

Posteriormente se molió la celulosa residual hasta un tamaño de partícula aproximado de 0,6mm. La celulosa residual se mezcló en una relación 1 : 1 con 5 Kg polietileno solido en escamas un extrusora.

La mezcla obtenida se extruye en una máquina extrusora a una velocidad de 95 rpm empleando 3 rampas de temperatura de 200°C, 190°C y 180°C. Se obtuvo un material compuesto en forma de barra de sección trasversal cuadrada de 64cm 2 y una longitud promedio de 50 cm. En la FIG.2 se observa la superficie del material y en la Tabla 3 algunas de sus propiedades. La FIG. 5 y FIG. 8 ilustran las propiedades de fricción y flexión del material compuesto. El material compuesto obtenido es del tipo madera plástica y es de gran utilidad en el reemplazo de madera de cercas y sillas resistentes a la intemperie.

Tabla 3

Ejemplo 2: Obtención de un material compuesto a partir de celulosa residual y resina poliestérica. Se secaron 5 Kg de celulosa residual a temperatura ambiente y luego se transportó a un horno deshumidificador hasta obtener un porcentaje de humedad del 10%. Posteriormente se molió la celulosa residual hasta un tamaño de partícula de 0,60 mm que se obtuvo tamizando en malla Tyler #30. La celulosa residual tamizada se mezcló en una relación 1 : 1 con 5 Kg resina poliestérica ortoftálica preacelerada con sales de cobalto en polvo.

La mezcla obtenida se mezcló con agitador de paletas a una velocidad de 80 rpm durante 10 minutos a temperatura ambiente. Luego se adicionó un catalizador metiletilcetona peróxido, para iniciar la solidificación de la mezcla y, por último, ésta se depositó en un molde previamente encerado por un periodo de 4 horas hasta el desmoldeo del material compuesto.

En la FIG.3 se observa la superficie del material, y se encuentra caracterizado por las propiedades mencionadas en la Tabla 4. La FIG. 6 y FIG. 9 ilustran las propiedades de fricción y flexión del material compuesto. El material compuesto obtenido puede ser utilizado en la fabricación de mesones y tableros.

Tabla 4

Ejemplo 3: Obtención de un material compuesto a partir de celulosa residual y polivinil cloruro. Se secó 5 Kg de celulosa residual a temperatura ambiente y luego se transportó a un horno deshumidificador hasta obtener un porcentaje de humedad del 10%. Posteriormente se molió la celulosa residual hasta un tamaño de partícula de 0,60 mm que se obtuvo tamizando en maya Tyler #30. La celulosa residual tamizada se mezcló en una relación 1 :4 con PVC cristal.

La mezcla obtenida se extruye en una máquina extrusora a una velocidad de 120 rpm programando 5 rampas de temperaturas; 135°C, 130°C, 125°C, 115°C y 110°C. El material compuesto obtenido se peletiza y posteriormente se inyectó en una inyectora operada a 120 rpm con 4 rampas de calentamiento de 140°C, 135°C, 130°C y 125°C.

En la FIG.4 se observa la superficie del material y en la Tabla 5 algunas de sus propiedades mecánicas. La FIG. 7 y FIG. 10 ilustran las propiedades de fricción y flexión del material compuesto. El material compuesto obtenido puede ser utilizado en la fabricación de suelas.

Tabla 5