OBJETO DE LA INVENCIÓN.

La presente invención tiene por objeto, un proceso de conformación de agentes dispersantes en suspensión acuosa coloidal arcillosa para la industria manufacturera cerámica.

Particularmente, se relaciona con la sinergia entre agentes dispersantes en suspensiones acuosas coloidales arcillosas utilizadas en la industria manufacturera cerámica.

También es un objeto de la presente invención preparar agentes dispersantes conformados a partir de una mezcla sinérgica de compuestos orgánicos e inorgánicos en el proceso de molienda de arcillas en sistemas acuosos tal como la barbotina.

Un objeto no menos importante de la presente invención es conformar agentes dispersantes en suspensión acuosa coloidal arcillosa adecuados para la manipulación, transporte y procesabilidad de arcillas en método húmedo en la fabricación de tabletas cerámicas.

A partir de la presente invención, la mezcla sinérgica entre silicato de sodio y/o potasio sintetizado por método hidrotérmico, un ácido poliacrílico con baja polidispersidad y el empleo de agentes codispersantes, genera una mejora significativa en el comportamiento reológico de las suspensiones arcillosas y además disminuye el efecto negativo de espesamiento en función del tiempo de las barbotinas (tixotropía), lo cual da como resultado una disminución de costo del producto con un excelente rendimiento en planta.

Otros objetos resultarán evidentes para los expertos en la técnica a partir de la presente descripción.

CAMPO DE LA INVENCIÓN.

La presente invención se relaciona con fabricación de baldosas cerámicas a partir de suspensiones coloidales arcillosas estabilizadas con agentes dispersantes.

Más precisamente, prevé inicialmente un primer subproceso de obtención del silicato de sodio o potasio a partir de la mezcla de la mezcla de arena, soda caustica y agua, calentamiento y presión regulada con el finde favorecer la formación del silicato con la presencia de una estructura cristalina p en el producto en cualquier proporción; un segundo subproceso de fabricación de ácido poliacrílico de bajo peso molecular y baja polidispersidad; un tercer subproceso que incluye la neutralización del ácido poliacrílico; y, finalmente un cuarto subproceso que incluye obtener el defloculante mediante la mezcla del silicato alcalino y el poliacrilato neutralizado obtenidos con los agentes co-dispersantes/neutralizantes en un tanque con agitación.

La invención es aplicable a dispersiones de arcilla obtenidas que deben tener una baja viscosidad y alta densidad para ser usadas en la fabricación de baldosas cerámicas para obtener un bajo costo de fabricación y fácil manipulación de la barbotina en el proceso.

La diferencia específica es el uso de agentes co-dispersantes como neutralizantes del ácido poliacrílico de baja polidispersidad. Estos permiten disminuir la cantidad de polímero/co-dispersante dentro de la formulación del defloculante lo cual reduce el costo significativamente del defloculante ya que es el componente de mayor precio en la mezcla. Además esta modificación otorga un excelente rendimiento como defloculante en molienda de arcillas en húmedo para el sector cerámico tal y como se muestra en la figura 1.

Adicionalmente queremos extender este concepto a mezclas con silicatos alcalinos que contengan L¡+, K+ y/o Na+ como contra iones.

De igual manera poliachlatos que contengan L¡+, K+ y/o Na+ como contra iones. En un rango de 1 -99% de la cantidad de estos componentes.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN.

Los defloculantes comerciales generalmente son una mezcla de silicato de sodio y poliachlato de sodio en diferentes proporciones. El silicato de sodio es obtenido por reacción a altas temperaturas de aproximadamente 1000 °C de carbonato de sodio y arena, comúnmente conocido como síntesis en horno. Este método presenta los inconvenientes de generación de impurezas carbonosas y relaciones altas de óxido de silicio/ óxido de sodio (SÍO2/ Na2Ü) entre 2.0 -3.0. Los poliacrilatos de sodio empleados en estas formulaciones son regularmente de bajo peso molecular, los productos que se encuentran en el mercado presentan una alta polidispersidad entre macromoléculas con un Mw/Mn> 2.6, esta irregularidad entre cadenas poliméricas disminuye el poder dispersante del poliacrilato de sodio. Estos inconvenientes hacen necesario una alta demanda de la mezcla silicato/poliacrilato de sodio para obtener buenas propiedades en la barbotina tales como: baja viscosidad y alta densidad.

El uso de agentes co-dispersantes disminuye el requerimiento de polímero en la mezcla defloculante. Además, disminuye la demanda de defloculante en el proceso de molienda de arcillas, ya que en estas el codispersante tiene la capacidad de adsorberse entre la estructura laminar de las arcillas promoviendo el distanciamiento entre estas laminas eliminando procesos de hinchamiento producido al interaccionar con el agua. También el uso de agentes co-dispersantes contribuye a romper las interacciones débiles entre partículas coloidales en la dispersión de la barbotina, como consecuencia se observa una disminución en el afecto tixotrópico de la barbotina. La técnica del arte anterior, también revela la preparación de ácidos poliacrílicos mediante polimerización por radicales libres del ácido correspondiente se conoce desde hace mucho tiempo y se lleva a cabo de acuerdo con varios procesos (véase Kirk-Othmer, "Encyclopedia of Chemical Technology", 2- edición, Interscience Public Publishers 1963 , Volumen I, pág.306). Un método convencional del estado de la técnica consiste en polimerizar ácido acrílico en solución acuosa o en un medio disolvente orgánico, como por ejemplo benceno. En general, la polimerización del ácido acrílico se realiza en fase acuosa en presencia deiniciadores, tales como peróxido de hidrógeno, persulfato de sodio o persulfato de potasio o peróxidos orgánicos, o bien se inicia lapolimerización con un sistema redox compuesto, por ejemplo, de persulfatode potasio y tiosulfato de sodio. Según la técnica tradicional, es convenienterealizar la polimerización, en solución acuosa, utilizando soluciones que tengan una concentración de monómero menor al 25%, ya que, en el caso de soluciones más concentradas, la polimerización es difícil de controlar debido al gran calor de polimerización, evolucionado.

Un método tradicional para controlar los pesos moleculares es introducir un agente para limitar la longitud de las cadenas de polímero, y la patente de EE.UU. N°2.789.099 de Gagne, describe el uso para el cumplimiento de este propósito, de un sistema compuesto por hipofosfito de sodio y acetato de cobre. También es posible emplear alcoholes como agentes de transferencia de cadena, pero la desventaja de un proceso de este tipo es que tiene lugar una estehficación parcial del ácido poliacrílico, y esto no proporciona el objetivo deseado. De acuerdo con lo anterior, la técnica requiere mejorar las propiedades del defloculante. Más precisamente, se requiere conformar un defloculante que disminuya la interacción entre las partículas coloidales en suspensión acuosa, lo cual se logra con un polímero que tenga un tamaño de cadena regular y aditivos que generen una alta densidad de carga superficial sobre la partícula coloidal produciendo con baja viscosidad y alta densidad en las barbotinas usadas en la fabricación de baldosas cerámicaspara obtener un bajo costo de fabricación y fácil manipulación de labarbotina en el proceso.

La presente invención cumple estas necesidades y proporcionaotras ventajas relacionadas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS.

Para aclarar más la invención y sus ventajas comparadas con el arte conocido, se describen a continuación con la ayuda de los dibujos anexos, las posibles formas de realizaciones ilustrativas y no limitativas de la aplicación de dichos principios.

FIG. 1. Muestra un gráfico comparativo de cantidad de defloculante ahorrado en una empresa del sector manufacturero cerámico en Latinoamérica comparativo entre el floculante convencional vrs el obtenido por el proceso según la presente invención.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN.

La presente invención se relaciona con fabricación de baldosas cerámicas a partir de suspensiones acuosas coloidales que utilizan agentes dispersantes como agentes estabilizantes del sistema coloidal en este caso arcilla/agua.

Según la invención, se prevé inicialmente un subproceso de obtención del silicato de sodio o potasio a partir de la mezcla de la mezcla de arena, soda caustica y agua, calentamiento y presión regulada con el fin de favorecer la formación de la estructura cristalina p en el producto; un segundo subproceso de fabricación de ácido poliacrílico de bajo peso molecular y baja polidispersidad; un tercer subproceso que incluye la neutralización del ácido poliacrílico; y, finalmente un cuarto subproceso que incluye obtener el defloculante mediante la mezcla del silicato alcalino y el poliacrilato neutralizado obtenidos con los agentes co- dispersantes/neutralizantes en un tanque con agitación.

El producto que se describe en esta patente es una mezcla sinérgica de compuestos orgánicos e inorgánicos de gran eficiencia que actúa como defloculante en el proceso de molienda de arcillas en sistemas acuosos (barbotina). Las dispersiones de arcilla obtenidas deben tener una baja viscosidad y alta densidad para ser usadas en la fabricación de baldosas cerámicas para obtener un bajo costo de fabricación y fácil manipulación de la barbotina en el proceso.

La mezcla sinérgica descrita según la presente invención, mejora las propiedades del defloculante, donde la formulación aquí descrita difiere respecto a los productos comerciales en el método de fabricación de algunos de sus componentes, así como de la composición química del defloculante tal como se describe a continuación.

La síntesis de silicato de sodio y/o potasio por método hidro-térmico según la presente invención presenta diferentes ventajas tales como:

- Fácil incorporación de diferentes iones metálicos alcalinos tales como Na+, K+ o L¡+; mayor pureza del silicato de sodio, potasio o litio, debido a que como fuente de óxido de sodio de se emplea hidróxido de sodio NaOH (Soda caustica), hidróxido de potasio KOH (Potasa) o hidróxido de litio, eliminando el problema de la formación de subproductos carbonosos;

- Bajas emisiones de gases de efecto invernadero durante el proceso de síntesis; baja relación SÍO2/ Na2Ü, SÍÜ2/K2O o S¡0 ₂ /L¡ ₂ 0 entre 1 - 2.4, donde los silicatos con estas relaciones presentan una mayor alcalinidad lo cual le otorga una mayor propiedad buffer ajustando el pH de las barbotinas a un pH mayor a 9 necesario para la formación de la doble capa eléctrica característica en dispersiones coloidales generando una efectiva repulsión electrostática entre partículas;

- Se favorece la formación de la estructura cristalina p debido al estricto control durante el proceso síntesis de parámetros tales como presión, temperatura y velocidad enfriamiento del reactor después de terminada la reacción. La estructura p presenta un mayor poder quelante en comparación de las demás estructuras polimórficas del silicato de sodio. Este hecho es un aspecto positivo debido a que cationes polivalentes como aluminio, hierro, cobre, magnesio o calcio pueden ser removidos del agua de molienda lo cual elimina el proceso de floculación que generan estos cationes metálicos en la barbotina.

Por su parte, el ácido pol iacrílico sintetizado con base en la presente invención, presenta un rango de peso molecular entre 1000-5000g/mol, conuna poli-dispersidad de Mw/Mn < 2.5, lo cual lo hace altamente eficiente como dispersante de partículas coloidales arcillosas en sistemas acuosos, brindando una gran estabilidad por efecto de impedimento esférico.

El uso de agentes co-dispersantes de naturaleza básica, gracias a pruebas de laboratorio, los inventores han encontrado que el ion sodio no presenta una fuerte actividad dispersante en las barbotinas y debido a ello para potenciar la mezcla defloculante, se emplean compuestos básicos para neutralizar el ácido poliacrílico con poder dispersante, conocidos en literatura como agentes co-dispersantes.

Los agentes co-dispersantes han sido empleados en diferentes industrias, tales como la industria manufacturera de pintura y en fluidos para lodos de perforación en el sector de petróleos, sin embargo, este concepto no ha sido aplicado en la industria cerámica hasta la fecha, lo cualhace la presente invención pionera en esta área. Los agentes codispersantes puede reemplazar parcial o totalmente el uso de soda causticay/o potasa en un rango de 0-100% durante la neutralización del ácido poliacrílico. Además, se pueden emplear mezclas de agentes codispersantes en diferentes proporciones.

Las ventajas del usar agentes co-dispersantes disminuye el requerimiento de polímero en la mezcla defloculante. Además disminuye la demanda de defloculante en el proceso de molienda de arcillas, ya que enestas el co-dispersante tiene la capacidad de adsorberse entre la estructura laminar de las arcillas promoviendo el distanciamiento entre estas laminas eliminando procesos de hinchamiento producido al interaccionar con el agua. También el uso de agentes co-dispersantes contribuye a romper las interacciones débiles entre partículas coloidales en la dispersión de la barbotina, como consecuencia se observa una disminución en el afecto tixotrópico de la barbotina.

Los agentes co-dispersantes pueden ser productos químicos tales como: 2-Amino-2-metil-1 -propanol, 2-Amino-2-etil-1 ,3-propanodiol, 2- Dimetilamino-2-metilpropanol, 4-(2-hidroxiet¡lam¡no) ciclohexan-1 -ol tris (hidroximetil) aminometano, 2-n-butilaminoetanol, metilamina, dimetilamina, trimetilamina, heptaminol, morfolina. Pueden emplearse aminas epoxidadas de cadena corta del tipo N(H) _X (CH2-CH2-OH)3- _X donde x puede ser de 0 a 3. También pueden emplearse aminas epoxidadas de cadena larga del tipo Metoxipolietilen glicol amina con fórmula molecular H2NCH2CH2(OCH2CH2) _n OCH3 donde el grado de polimerización (n) puede estar entre 1 y 100. Por último, puede emplearse aminas hidroxiladas sintetizadas por reducción de aminoácidos, tales como: Lisinol, Alaninol, Serinol, Glutaminol, Leucinol, Aspartol. Igualmente pueden incluirse aminas hidroxiladas obtenidas por reacción entre epóxidos orgánicos y nucleofilos tales como amoniaco, aminas primarias, secundarias o terciarias. El tripolifosfato pentasódico, también puede ser usado para neutralizar el ácido poliacrílico ya que la disolución de este tiende a un pH superior a 8. Además, sales obtenidas de ácidos inorgánicos hidroxilados de la familia de los bifosfonatos, como el ácido alendrónico, ácido hsedrónico, ácido etidrónico, ácido pamidrónico, ácido zoledrónico obtenidos por la neutralización total o parcial con cualquiera de los componentes básicos anteriormente mencionados. Además de sales obtenidas de ácidos orgánicos como ácido cítrico, sulfámico, maléico, itacónico, sorbico entre otros. La mezcla sinérgica entre silicato de sodio y/o potasio sintetizado por método hidrotérmico, un ácido poliacrílico con baja polidispersidad y el empleo de agentes co-dispersantes genera una mejora significativa en el comportamiento reológico de las suspensiones arcillosas. Además, disminuye el efecto negativo de espesamiento en función del tiempo de las barbotinas (tixotropía). Lo cual da como resultado una disminución de costodel producto con un excelente rendimiento en planta.

Para la obtención del silicato de sodio o potasio se utiliza un reactor que soporta presiones hasta de 20 bares, completamente cerrado tipo lotes (batch), que incluye una compuerta de acceso y una columna de refrigeración por el cual circula agua a temperatura ambiente. El reactor eshecho con lámina de acero al carbono de 2,54 cm, enchaquetado interiormente con lámina acero inoxidable para evitar la corrosión debida alos hidróxidos empleados durante la reacción. El vapor empleado durante la síntesis puede ser inyectado tanto por la parte superior como por la parte inferior del reactor. El vapor necesario para activar la reacción es generadoen un generador vapor de agua tubular marca Clayton® manufacturado en México.

Para la fabricación de ácido poliacrílico de bajo peso molecular y baja polidispersidad se requiere un reactor conformado a partir de acero inoxidable que posee un sistema de calentamiento de media caña alrededor del reactor. En adición el reactor comprende un sistema de enfriamiento interno en tubo de acero inoxidable y una compuerta de acceso. Además, posee un sistema do agitación regulable entre 1 y 100 rpm

Según la presente invención el proceso comprende: i. Un primer subproceso para la síntesis de silicato comprende: a) Generar la mezcla de arena, soda caustica y agua bajo continua agitación, al tenerla estabilizada es pasada herméticamente al reactor de altas presiones. b) Verificar que estén cerradas todas entradas y salidas del reactor. Con ayuda de presión de vapor, el cual ingresa en la parte inferior del reactor es aumentada la temperatura y la presión para dar inicio a la reacción entre la soda y la arena. Para esto se verifica que la presión interna generada dentro del reactor llegue a los 16 Bares de presión. c) Al llegar la reacción a 16 bares de presión se controla la temperatura alrededor de 200 °C por medio de una torre de enfriamiento durante 1 hora y 30 minutos, posteriormente se realiza un rápido enfriamiento del silicato sintetizado que dura alrededor de 30 minutos con el fin de favorecer la formación de la estructura cristalina p en el producto.

El procedimiento de síntesis de silicato de potasio o litio es el mismo con la diferencia que en vez de soda caustica se emplea potasa o hidróxido de litio, respectivamente.

¡i. Un segundo subproceso para la fabricación de ácido poliacrílico de bajo peso molecular y baja polidispersidad comprende: a) Calentamiento de agua de reacción a 70°C, esta no debe tener dureza por lo cual ha sido tratada previamente a la síntesis. b) Son adicionados rigurosamente durante 4 horas ácido acrílico, un agente de transferencia de cadena e un iniciador de polimerización. c) Transcurridas las 4h de polimerización es adicionado una mezcla oxidante para asegurar una completa conversión de los monómeros al producto deseado y oxidar algunos subproductos formados durante la reacción. iii. Un tercer subproceso para neutralización del ácido poliacrílico, donde el ácido poliacrílico es neutralizado total o parcialmente con hidróxidos de metales alcalinos tales como NaOH o KOH y para completar una total neutralización son empleados los agentes co-dispersantes/neutralizantes referenciados anteriormente y para su uso en la mezcla final el poliachlato comprende un pH entre 6.5 a 14. iv. Un cuarto subproceso que incluye la fabricación del defloculante como producto final que incluye la mezcla del silicato alcalino y el poliachlato neutralizado con los agentes co- dispersantes/neutralizantes en un tanque con agitación a una velocidad entre 30-70 rpm donde la cantidad de poliachlato empleado puede vahar entre 1 y 99% según los requerimientos de las arcillas en las cuales se usará este producto.

Posterior a la fabricación del producto se realiza el control de calidad tal como la medida de fluidez en copa Ford número 4 y densidad. Adicionalmente se realizan pruebas de defloculación en las arcillas en las cuales se usará el defloculante.

La diferencia específica es el uso de agentes co-dispersantes como neutralizantes del ácido poliacrílico de baja polidispersidad. Estos permiten disminuir la cantidad de polímero/co-dispersante dentro de la formulación del defloculante lo cual reduce el costo significativamente del defloculante ya que es el componente de mayor precio en la mezcla. Además esta modificación otorga un excelente rendimiento como defloculante en molienda de arcillas en el proceso de molienda húmedo para el sector cerámico.

Adicionalmente queremos extender este concepto a mezclas consilicatos alcalinos que contengan L¡+, K+ y/o Na+ como contra iones. De igual manera, los poliachlatos que contengan L¡+, K+ y/o Na+ como contraiones en un rango de 1 -99% de la cantidad de estos componentes. A partir de la presente invención se obtiene una sinergia entre agentes dispersantes en suspensiones acuosas coloidales arcillosas utilizadas en la industria manufacturera cerámica.

Para el desarrollo del proceso de la presente invención, se debe conformar una revisión bibliográfica de otros agentes co-dispersantes utilizados en suspensiones acuosas; un análisis cualitativo de diferentes formulaciones arcillosas utilizadas en las empresas manufactureras cerámicas, con el fin de determinar sobre estas:

Carácter plástico de la arcilla. - Dureza del agua recirculada usada en el proceso de molienda

Determinación de iones Al ⁺³ , Fe ⁺² , Ca ⁺² entre otros.

Una vez establecido, se procede a la experimentación a nivel laboratorio del comportamiento reológico de estas formulaciones al interactuar con la formulación obtenida a partir del proceso de la invención y seguido se debe escalar el proceso a una planta piloto (en lotes de 40Kg)en el cual se reproduce y refina el proceso estandarizado en la parte experimental. En este proceso de escalado se obtiene una muestra representativa a lo esperado en el proceso industrial, esta sirve para ser enviada al cliente con el fin de ser testeada en los procesos o productos de él. También esta muestra puede ser enviada a laboratorios que certifiquen las propiedades del producto.

El anterior paso permite pasar el proceso a una escala industrial de aproximadamente 6000Kg, en donde se espera que este proceso ya pueda ser comercializado. Como se ¡lustra en la figura 1 , la diferencia específica es el uso de agentes co-dispersantes como neutralizantes del ácido poliacrílico de baja polidispersidad. Estos permiten disminuir la cantidad de polímero/co- dispersante dentro de la formulación del defloculante lo cual reduce el costo significativamente del defloculante ya que es el componente de mayor precio en la mezcla. Además esta modificación otorga un excelente rendimiento como defloculante en molienda de arcillas en húmedo para el sector cerámico.

Sólo se han ¡lustrado a manera de ejemplo algunas modalidades preferidas de la invención. En este respecto, se apreciará que el proceso de conformación de agentes dispersantes para la estabilización de suspensiones acuosa coloidal arcillosa, así como los arreglos configurativos se puede escoger de una pluralidad de alternativas sin apartarse del espíritu de la invención según las siguientes reivindicaciones.