СВЯЗУЮЩАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ УГЛЕВОДА И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК C08L79/02 

Настоящее изобретение относится к водной связующей композиции на основе углевода, содержащей углеводный компонент и аминный компонент, в которой углеводный компонент содержит один или более сахаров на основе пентозы, а также к способу ее получения.

Связующие в основном пригодны в производстве изделий, которые основаны на нескомпонованном или только слабо скомпонованном материале. Например, связующие широко применяют в получении продуктов, содержащих уплотненные волокна, например, в форме термореактивных связующих композиций, которые отверждаются под воздействием термообработки. Примеры подобных термореактивных связующих композиций включают ряд, состоящий из фенолальдегида, мочевиноальдегида, меламиноальдегида, и другие материалы, полученные поликонденсацией, такие как смолы на основе фурана и полиуретана. Связующие композиции на основе фенолальдегида, резорциноальдегида, фенолальдегидомочевины, фенолмеламиномочевины и т.д. часто применяют для соединения волокон, текстильных материалов, пластиков, каучуков и возможных других материалов.

Индустрии минеральной ваты и древесно-волокнистых плит исторически применяли в своих продуктах связующие вещества на основе фенолформальдегида. Связующие на основе фенолформальдегида предоставляют конечным продуктам подходящие свойства, легко доступны и легко перерабатываются. Однако экологические требования привели к разработке альтернативных связующих систем, таких как связующие на основе углеводов, которые получают, например, посредством взаимодействия углевода с содержащей много протонов кислотой (ср. WO 2009/019235), или как продукты этерификации, полученные посредством взаимодействия поликарбоновой кислоты с полиолом (смотрите US 2005/0202224). Так как эти альтернативные связующие не основаны на формальдегиде как реагенте, их коллективно можно упоминать как "связующие, не содержащие формальдегид".

В последнее время связующие вещества, которые получены как продукты взаимодействия аминного компонента и компонента восстановительного сахара (или не углеводного карбонила), идентифицированы как многообещающий класс подобных не содержащих формальдегиды связующих веществ (WO 2007/014236). Подобные связующие вещества можно получить реакцией Майларда, образующей полимерные меланоидины, которые обеспечивают достаточную прочность связи.

Кроме того однако, чтобы избежать связующих систем, которые содержат менее желательные реагенты или продукты реакций, таких как формальдегид, постоянно желательно увеличение скорости отверждения связующего вещества, понижая таким образом время изготовления и делая связующее вещество потенциально пригодным в интервалах более низких температур.

С точки зрения приведенного выше, существует необходимость в приемлемой с точки зрения окружающей среды связующей композиции, которая дополнительно предлагает улучшенные скорости отверждения по сравнению с традиционными связующими веществами и ее можно предпочтительно получать с применением природных возобновляемых материалов.

Соответственно, техническая проблема, лежащая в основе настоящего изобретения, следовательно, заключается в предоставлении связующей композиции, которая главным образом основана на возобновляемых источниках и обеспечивает улучшенные скорости отверждения, а также способа получения таковой.

Согласно настоящему изобретению описанная выше техническая проблема решается предоставлением водной связующей композиции, содержащей углеводный компонент (a) и аминный компонент (b), в которой углеводный компонент (a) содержит одну или более пентоз в общем количестве от 3 до 70 мас. % на основе массы всего углеводного компонента (a).

Согласно настоящему изобретению выражение "водная связующая композиция" конкретно не ограничивается и включает любую смесь по меньшей мере всех упомянутых выше связующих компонентов (a) и (b) в воде или содержащем воду растворителе. Подобная смесь может быть (частичным) раствором одного или более указанных связующих компонентов или может присутствовать в форме дисперсии, такой как эмульсия или суспензия. Согласно настоящему изобретению термин "водный" не ограничивается только водой в качестве растворителя, а также включает растворители, которые являются смесями, содержащими воду в качестве одного компонента. Согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения водная связующая композиция представляет собой раствор или суспензию.

Сухой остаток приведенной выше водной связующей композиции, может, например, находиться в интервале от 5 до 95 мас. %, от 8 до 90 мас. % или от 10 до 85 мас. % на основе массы всей водной связующей композиции. В частности, сухой остаток водной связующей композиции можно регулировать, чтобы он подходил каждому индивидуальному применению. Особенно в случае применения в качестве связующего для изоляции из минеральной ваты, сухой остаток водной связующей композиции может находиться в интервале от 5 до 25 мас. %, предпочтительно в интервале от 10 до 20 мас. % или более предпочтительно в интервале от 12 до 18 мас. % на основе массы всей водной связующей композиции. Особенно в случае применения в качестве связующего для древесных плит сухой остаток водной связующей композиции может находиться в интервале от 50 до 90 мас. %, предпочтительно в интервале от 55 до 85 мас. % или более предпочтительно в интервале от 60 до 80 мас. % на основе массы всей водной связующей композиции. В данном документе выражение "углеводный компонент" конкретно не ограничивается и в основном включает один или более полигидроксиальдегидов и/или полигидроксикетонов и конкретно включает сахариды, такие как моносахариды, дисахариды, олигосахариды и полисахариды или дополнительно восстанавливающие сахара. Углеводный компонент настоящего изобретения может содержать одно или более соединений общей формулы C_m(H₂O)_n, в которой m и n могут быть одинаковыми или отличаться друг от друга, а также включает их производные, в которые, например, добавлены аминогруппы (например, с выходом гликозаминов) или удалены атомы кислорода (например, с выходом деоксиуглеводов). В данном документе упомянутый выше термин "углеводный компонент" дополнительно включает встречающиеся в природе производные углеводов и подобные производные, которые можно образовать в ходе получения углеводного компонента (например, в ходе процесса гидролиза целлюлозы).

Кроме того, в данном документе выражение "аминный компонент" конкретно не ограничивается и, как правило, включает любые соединения, действующие в качестве источника азота, который можно подвергнуть реакции полимеризации с углеводным компонентом настоящего изобретения.

Согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения аминный компонент выбирают из группы, состоящей из белков, пептидов, аминокислот, органических аминов, полиаминов, аммиака, аммониевых солей мономерных поликарбоновых кислот, аммониевых солей полимерных карбоновых кислот и аммониевых солей неорганических кислот или любой их комбинации.

Аминный компонент может содержать один или более из цитрата триаммония, сульфата аммония, фосфата аммония, включая фосфат моно- и диаммония, диэтилентриамина, алифатических аминов, включая 1,4-бутандиамин, 1,5-пентандиамин, гексаметилендиамин, 1,7-гептадиамин, 1,8-октандиамин, 1,9-нонандиамин, 1,10-декандиамин, 1,11-ундекандиамин, 1,12-додекандиамин, 1,5-диамино-2-метилпентан, джеффамин, полиамин, причем полиамин содержит две или более первичные аминогруппы, разделенные алкильной группой, особенно алкильной группой, содержащей по меньшей мере 4 атома углерода, гетероалкильной группой, циклоалкильной группой, гетероциклоалкильной группой, а также их производные и комбинации.

В данном документе выражение "аммоний" конкретно не ограничивается и, например, включает соединения общих формул [⁺NH₄]_x, [⁺NH₃R¹]_x и [⁺NH₂R¹R²]_x, в которых x представляет собой целое число, равное по меньшей мере 1, и R¹ и R² каждый независимо выбирают из алкила, циклоалкила, алкенила, циклоалкенила, гетероциклила, арила и гетероарила.

Кроме того, согласно настоящему изобретению термин "пентоза" конкретно не ограничивается и включает любые природные и синтетические углеводы, содержащие пять атомов углерода. Согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения термин "пентоза" включает моносахариды ксилозу, арабинозу, рибозу, ликсозу, рибулозу и ксилулозу, включая их D- и L-стереоизомеры, а также любую их комбинацию. Кроме того, пентозы настоящего изобретения также включают такие производные, которые образованы, например, благодаря присоединению аминогруппы (пентозамины), удалению атома кислорода (деоксипентозы), реакциям перегруппировки, протонированию или депротонированию.

Согласно настоящему изобретению одна или более пентоз присутствуют в углеводном компоненте в общем количестве от 3 до 70 мас. % на основе массы всего углеводного компонента (a). Однако количество указанной одной или больше пентозы можно регулировать, например, для достижения улучшенных скоростей отверждения связующей композиции и может, например, находиться в интервале от 3 до 65 мас. %, от 3 до 60 мас. % или от 3 до 55 мас. % на основе массы всего углеводного компонента (a). Согласно дополнительному примеру настоящего изобретения количество указанной одной или более пентозы может находиться в интервале от 5 до 70 мас. %, или в интервале от 10 до 70 мас. %, или в интервале от 15 до 70 мас. % на основе массы всего углеводного компонента (a). Однако согласно дополнительному варианту выполнения настоящего изобретения общее количество одной или более пентозы, присутствующей в углеводном компоненте, может также быть более чем 70 мас. %, таким как более чем 80 мас. % или более чем 90 мас. %. Конкретные примеры включают содержания пентозы, равные 50 мас. % или менее, 45 мас. % или менее, а также 40 мас. % или менее.

Согласно дополнительному варианту выполнения настоящее изобретение относится к связующей композиции, как определено выше, в которой углеводный компонент (a) дополнительно содержит одну или более гексозу в общем количестве от 97 до 30 мас. % на основе массы всего углеводного компонента (a).

Согласно настоящему изобретению количество указанной одной или более гексозы можно регулировать, например, для достижения улучшенных скоростей отверждения связующей композиции и может находиться, например, в интервале от 97 до 35 мас. %, от 97 до 40 мас. % или 97 до 45 мас. % на основе массы всего углеводного компонента (a). Согласно дополнительному примеру настоящего изобретения количество указанной одной или более гексозы может находиться в интервале от 95 до 30 мас. %, в интервале от 90 до 30 мас. % или в интервале от 85 до 30 мас. % на основе массы всего углеводного компонента (a).

Согласно настоящему изобретению термин "гексоза" конкретно не ограничивается и включает любые природные и синтетические углеводы, содержащие шесть атомов углерода. Согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения термин "гексоза" включает моносахариды аллозу, альтрозу, глюкозу, маннозу, гулозу, идозу, галактозу, талозу, фруктозу, псикозу, сорбозу, тагатозу, включая их D- и L-стереоизомеры, а также любую их комбинацию. Кроме того, гексозы настоящего изобретения также включают такие производные, которые образованы, например, благодаря присоединению аминогруппы (гексозамины), удалению атома кислорода (деоксигексозы), реакциям перегруппировки, протонированию и депротонированию. Согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения гексоза представляет собой декстрозу или включает ее.

Согласно настоящему изобретению соотношение одной или более пентозы к одной или более декстрозе можно регулировать, например, внутри упомянутых выше интервалов для достижения улучшенных свойств отверждения или увеличенных характеристик связующего в конечном продукте. Однако указанное желательное соотношение пентозы к декстрозе зависит от типа и количества фракций указанных гексозы и пентозы внутри углеводного компонента определенного выше связующего.

Кроме того, с точки зрения экологических требований источники углеводов, составляющие углеводный компонент (a) связующей композиции, как определено выше, представляют собой предпочтительно возобновляемые источники, такие как источники на основе целлюлозы, присутствующие в (энергетических) растениях, растительных продуктах, дереве (стружках), использованной бумаге, отходах бумажных фабрик, отходах пивоваренных заводов, коре лесоматериала, и т.д.

В дополнительном варианте выполнения настоящее изобретение относится к связующей композиции, как определено выше, в которой указанная связующая композиция дополнительно содержит компонент (c) аминокислоты.

В данном документе выражение "компонент аминокислоты" конкретно не ограничивается и включает все природные и синтетические аминокислоты, а также их олигомеры, такие как пептиды, и их полимеры, такие как белки. Согласно настоящему изобретению компонент (с) аминокислоты содержит одну или более аминокислот в количестве от 1 до 25 мас. %, от 2 до 20 мас. % или от 3 до 15 мас. % на основе общей массы сухого остатка связующей композиции, как определено выше.

Указанный компонент (c) аминокислоты является подходящим для дополнительного улучшения свойств связующей композиции, например, в отношении легкости применимости к продукту, и/или усиления жесткости, и/или стабильности окрашивания.

Предпочтительно с точки зрения экологических требований также аминокислоты, составляющие компонент (c) аминокислоты связующей композиции, определенные выше, получают из возобновляемых источников, таких как источники на основе целлюлозы, присутствующие в (энергетических) растениях, растительных продуктах, дереве, использованной бумаге, отходах бумажных фабрик и т.д.

Определенную выше связующую композицию можно отверждать разнообразными технологиями, известными в технике, такими как применение нагревания, излучения, добавление инициаторов отверждения и т.д. Согласно дополнительному варианту выполнения настоящее изобретение относится к связующему, получаемому нагреванием связующей композиции, как определено выше.

Согласно дополнительному аспекту настоящее изобретение относится к способу получения водной связующей композиции, содержащей углеводный компонент (a) и аминный компонент (b), где углеводный компонент (a) содержит одну или более пентоз в общем количестве от 3 до 70 мас. % на основе массы всего углеводного компонента (а), где способ включает в себя стадии: (i) гидролиза одного или более источников углеводов на основе целлюлозы, (ii) выделения углеводов из одного или более гидролизованных источников углеводов на основе целлюлозы, (iii) применение выделенных углеводов из одного или более источников углеводов на основе целлюлозы с образованием углеводного компонента (a), содержащего одну или более пентоз в общем количестве от 3 до 70 мас. % на основе массы всего углеводного компонента (а), и (iv) добавления аминного компонента (b).

Согласно способу настоящего изобретения выражения "углеводный компонент", "аминный компонент", "компонент аминокислоты", "пентоза (пентозы)" и "гексоза (гексозы)" являются такими, как определено выше.

Кроме того, выражение "гидролизуемый", применяемое в данном документе, конкретно не ограничивается и в основном относится ко всем химическим и физико-химическим взаимодействиям, которые дают выход углеводных соединений из источника углеводов на основе целлюлозы. Например, выражение "гидролизуемый" включает обработку нагреванием или давлением, обработку кислотой и/или основанием, обработку ферментами или обработку с помощью синтетических катализаторов, а также гидролиз хлоридами металлов, например, применяя хлорид цинка или хлорид кальция, а также любую их комбинацию. Процесс "гидролиза" источника углеводов на основе целлюлозы можно осуществлять в одиночном процессе или он может включать в себя последовательность процессов. Например, источник углеводов на основе целлюлозы можно подвергать гидролизу посредством обработки кислотой или можно подвергать гидролизу комбинацией обработки ферментами и последующей обработки кислотой.

Согласно одному варианту выполнения настоящее изобретение относится к способу, определенному выше, в котором стадия (i) гидролиза одного или более источников углеводов на основе целлюлозы независимо включает в себя обработку нагреванием/давлением, обработку ферментами и/или кислотой и/или гидролиз хлоридами металлов каждого из указанных одного или более источников углеводов на основе целлюлозы.

В данном документе выражение "источник углеводов на основе целлюлозы" конкретно не ограничивается и включает любой природный или синтетический материал или смесь материалов, который содержит целлюлозу или производные целлюлозы. В этом контексте термин "целлюлоза" конкретно не ограничивается и не только относится к целлюлозе, как к таковой, но также включает любые другие углеводные олигомеры и полимеры, которые встречаются в растительной биомассе, такие как гемицеллюлоза или ее производные. Термин "целлюлоза" дополнительно включает любые продукты распада, получаемые при природном и синтетическом гидролизе целлюлозы, такие как целлодекстрины, а также поли- и олигосахариды с более низкой молекулярной массой. Как правило, источник углеводов на основе целлюлозы будет содержать разнообразие различных углеводных полимеров. Например, большая часть растительной биомассы содержит лигноцеллюлозу, содержащую смесь целлюлозы и гемицеллюлозы.

Согласно настоящему изобретению стадия выделения углеводов из одного или более гидролизованных источников углеводов на основе целлюлозы конкретно не ограничивается и включает любую химическую или физическую обработку с получением композиции, содержащей один или более углеводов. Например, термин "выделение" может включать простую стадию разделения твердых веществ, таких как растительные волокна, из гидролизуемой реакционной смеси с получением углеводного раствора, содержащего один или более углеводов. С другой стороны, стадия "выделения" может включать комбинацию разнообразных технологий, таких как фильтрация, центрифугирование, кристаллизация, осаждение, удаление растворения выпариванием и т.д., для получения содержащей углеводы композиции, обладающей желательной чистотой или составом.

Согласно настоящему изобретению стадии гидролиза и выделения способа, как определено выше, можно предпочтительно регулировать - принимая во внимание тип и количество углевода на основе целлюлозы, который гидролизуется, с получением углеводной фракции, содержащей одну или более пентоз в требуемом количестве для легкого получения связующей композиции настоящего изобретения. Например, в зависимости от источников углеводов на основе целлюлозы стадии гидролиза указанных источников и выделения полученных таким образом углеводов можно регулировать с легким получением водного раствора указанного углеводного компонента (a), содержащего от 3 до 70 мас. % одной или более пентоз на основе массы всего углеводного компонента, присутствующего в указанном водном растворе. Согласно дополнительному примеру настоящего изобретения водный раствор углеводного компонента (a), содержащий от 3 до 65 мас. %, от 3 до 60 мас. % или от 3 до 55 мас. % одной или более пентоз на основе массы всего углеводного компонента (a), можно получить после стадий гидролиза и выделения описанного выше способа. Согласно дополнительному примеру настоящего изобретения количество указанной одной или более пентоз указанного углеводного компонента (a), присутствующего в водном растворе, полученного после упомянутых стадий гидролиза и выделения, может находиться в интервале от 5 до 70 мас. %, в интервале от 10 до 70 мас. % или в интервале от 15 до 70 мас. % на основе массы всего углеводного компонента (a), присутствующего в указанном водном растворе. Дополнительные примеры содержания пентозы в указанном водном растворе указанного углеводного компонента (a), полученного в результате упомянутых выше стадий гидролиза и выделения, включают 50 мас. % или менее, 45 мас. % или менее и 40 мас. % или менее.

В способе настоящего изобретения стадия применения выделенных углеводов из одного или более источников углеводов на основе целлюлозы с образованием углеводного компонента конкретно не ограничена и включает любые технологии, подходящие для достижения желательной углеводной композиции, составляющей углеводный компонент (a), как определено выше. Например, углеводный компонент можно образовать посредством применения смесей углеводов, например, в качестве смеси твердых веществ или в форме раствора или дисперсии, полученных после стадии выделения как таковой, или можно образовать посредством соединения двух или более углеводных смесей, полученных при гидролизации целлюлозы. Согласно настоящему изобретению стадия применения выделенных углеводов из одного или более источников углеводов на основе целлюлозы с образованием углеводного компонента также включает случай, когда один или более углеводов добавляют к смеси углеводов, полученной после гидролизации целлюлозы и выделения углеводов. Например, смесь углеводов, полученная при гидролизе конкретного источника углеводов на основе целлюлозы, содержащего главным образом ксилозу в качестве пентозы, можно осуществить с другими пентозами или одной или более гексозами, такими как декстроза.

В дополнительном варианте выполнения настоящее изобретение относится к способу, как определено выше, в котором углеводный компонент (a) дополнительно содержит одну или более гексоз в общем количестве от 97 до 30 мас. % на основе массы всего углеводного компонента (a). Согласно дополнительному примеру настоящего изобретения водный раствор углеводного компонента (a), содержащий от 97 до 35 мас. %, от 97 до 40 мас. % или от 97 до 45 мас. % одной или более гексоз на основе массы всего углеводного компонента (a), можно получить после стадий гидролиза и выделения определенного выше способа. Согласно дополнительному примеру настоящего изобретения количество указанных одной или более гексоз указанного углеводного компонента (a), присутствующего в водном растворе, полученного после упомянутых выше стадий гидролиза и выделения, может находиться в интервале от 95 до 30 мас. %, в интервале от 90 до 30 мас. % или в интервале от 85 до 30 мас. % на основе массы всего углеводного компонента (a), присутствующего в указанном водном растворе.

В подобном случае стадии гидролиза одного или более источников углеводов на основе целлюлозы и выделения готовых углеводов можно предпочтительно регулировать с быстрым выходом водного раствора углеводного компонента, содержащего от 3 до 70 мас. %, от 3 до 65 мас. %, от 3 до 60 мас. %, от 3 до 55 мас. %, от 5 до 70 мас. %, от 10 до 70 мас. %, или от 15 до 70 мас. % одной или более пентоз, и от 97 до 30 мас. %, от 97 до 35 мас. %, от 97 до 40 мас. %, от 97 до 45 мас. %, от 95 до 30 мас. %, от 90 до 30 мас. %, или от 85 до 30 мас. % одной или более гексоз на основе массы всего углеводного компонента, присутствующего в указанном растворе.

Согласно дополнительному варианту выполнения способа, как определено выше, по меньшей мере одну пентозу выбирают из группы, состоящей из ксилозы, арабинозы, рибозы, ликсозы, рибулозы и ксилулозы или любой их комбинации.

Согласно настоящему изобретению предпочтительно применять источник углеводов на основе целлюлозы, который дает выход при гидролизе значительному количеству одной или более пентоз, легко применяемых в получении связующей композиции, как определено выше. Согласно дополнительному варианту выполнения настоящего изобретения подобные источники углеводов на основе целлюлозы выбирают из группы, состоящей из сельскохозяйственных отходов, таких как кукурузная солома и жмых сахарной свеклы; целевых теплолюбивых сельскохозяйственных культур, таких как сахарная свекла, просо прутьевидное, Miscanthus, конопля, ива и кукуруза; древесных отходов, таких как древесные стружки, пиломатериал, отходы лесопилок и отходы бумажных фабрик, отходы ценных бумаг, такие как отходы использованной бумаги и бумаги низкого сорта, а также промышленных источников целлюлозы, такие как отходы пивоварения и молочные продукты.

Например, с точки зрения аспектов окружающей среды приведенные выше источники целлюлозы включают все сорта содержащих целлюлозу отходов, таких как бумажные отходы, например, возникающие в промышленных процессах получения бумаги (например, отходы бумажной массы), не поддающиеся утилизации бумажные отходы низкого сорта, загрязненные отходы, содержащие целлюлозу, или составные материалы, содержащие целлюлозу и т.д.

Далее другой вариант выполнения относится к определенному выше способу настоящего изобретения, в котором стадия (iii) образования углеводного компонента (a) включает соединение углеводов и/или смесей углеводов, полученных по меньшей мере из двух различных источников углеводов на основе целлюлозы.

Согласно настоящему изобретению для получения желательного углеводного компонента, обладающего углеводным составом, который является эффективным в связующей композиции, можно комбинировать один или более углеводов или смесей углеводов, полученных из различных источников углеводов на основе целлюлозы. В подобном случае химический состав подобных смесей углеводов, получающихся в результате гидролиза каждого из различных источников углеводов на основе целлюлозы, можно идентифицировать подходящими аналитическими свойствами, известными в технике, и далее при желании комбинировать.

Дополнительный вариант выполнения настоящего изобретения относится к способу, как определено выше, в котором указанная связующая композиция дополнительно содержит компонент (c) аминокислоты.

Как упомянуто выше, присутствие компонента аминокислоты может быть полезным для получения улучшенной связующей композиции, например, по отношению к увеличенным скоростям отверждения.

В другом варианте выполнения настоящее изобретение относится к определенному выше способу, в котором указанный компонент (c) аминокислоты образуют с применением аминокислот, полученных на стадии (i) гидролиза одного или более источников углеводов на основе целлюлозы.

Согласно настоящему изобретению единичный источник углеводов на основе целлюлозы также можно подвергать гидролизу более чем один раз, например, посредством применения различных способов или условий гидролизации для получения различных композиций углеводов (и/или аминокислот) и свести к максимуму выход углевода (и/или аминокислоты) из единичного источника. Например, источник углеводов на основе целлюлозы, такой как растительная биомасса, можно подвергать гидролизу на первой стадии, например, для разрушения главным образом ее гемицеллюлозной части, получая таким образом смесь пентоз и гексоз, таких как ксилоза и глюкоза. Тот же самый источник углеводов на основе целлюлозы можно затем далее подвергнуть другой стадии гидролизации, например, для эффективного разрушения целлюлозной части, содержащейся там, получая таким образом главным образом гексозы, такие как глюкоза. Далее возможно использовать одну или более стадий гидролиза, которые предоставляют конкретный выход аминокислот, пригодных в водной связующей композиции настоящего изобретения.

С точки зрения приведенного выше, общее количество стадий гидролизации, используемых для единичного источника углеводов на основе целлюлозы, не ограничивается в данном документе и включает, например, три, четыре, пять или шесть последовательных стадий гидролиза. Согласно настоящему изобретению соответствующие фракции углеводов и/или аминокислот, полученных на каждой из указанных стадий гидролиза, можно комбинировать до некоторой степени для регулирования желательной композиции относительно содержания пентозы (пентоз), гексозы (гексоз) и аминокислоты (аминокислот).

Однако согласно настоящему изобретению для образования компонента (c) аминокислоты, пригодного в связующей композиции, определенной выше, можно применять аминокислоты, полученные при таких же стадиях гидролиза и выделения, использующихся для получения углеводного компонента или его частей. Например, гидролиз источника углеводов на основе целлюлозы может наряду с упомянутыми выше углеводами одновременно давать выход одной или более аминокислот, которые затем можно легко применять в связующей композиции настоящего изобретения. Подобный процесс был бы высоко выгодным в терминах эффективности продукта и применения источников.

Связующие композиции в соответствии с настоящим изобретением и/или полученные способом в соответствии с настоящим изобретением можно применять, например, для соединения рыхлого материала и отвержденного или сшитого, например, нагреванием; связующее вещество может удерживать соединение вместе рыхлого материала. Альтернативно или дополнительно связующее вещество можно применять для пропитывания поверхности и/или обеспечения покрытия на поверхности.

Связующие вещества и связующие композиции, описанные в данном документе, можно применять по отношению к продуктам, содержащим продукт, выбираемый из группы, состоящей из изоляции из минеральной ваты, изоляции из стекловаты, изоляции из каменной ваты, набора волокон, набора частиц, набора содержащих целлюлозу частиц или волокон, древесной плиты, ориентированно-стружечной плиты, древесностружечной плиты, многослойной фанеры, абразива, продукта из нетканого волокна, продукта из тканого волокна, литейной формы, огнеупорного изделия, брикета, фрикционного материала, фильтра и пропитанного ламината.

Особенно при применении в качестве связующего вещества для изоляции из минеральной ваты количество отвержденного связующего вещества может составлять ≥2%, или ≥3%, или ≥4%, и/или ≤15%, или ≤12%, или ≤10%, или ≤8 мас. % по отношению к общей массе связующего вещества и минеральной ваты. Это можно измерить потерями при прокаливании.

Особенно при применении в качестве связующего для древесных плит или целлюлозных материалов количество отвержденного связующего вещества (масса сухого связующего вещества к массе сухого дерева или к массе сухого содержащего целлюлозу материала) может составлять ≥7%, или ≥10%, или ≥12%, и/или ≤25%, или ≤20%, или ≤18%, или ≤15%.

Краткое описание чертежей

Фигура 1 показывает диаграмму, на которой скорость отверждения различных связующих композиций относится к их углеводной композиции по отношению к ее содержанию пентозы/гексозы.

Фигура 2 показывает диаграмму различных скоростей отверждения, полученных для различных содержащих ксилозу связующих композиций.

Фигура 3 показывает скорости лабораторных отверждений, полученных в случае связующих веществ с применением различных пропорций глюкозы и ксилозы в качестве углеводного компонента связующего вещества и сульфата аммония в качестве аминного компонента.

Связующая система настоящего изобретения не содержит проблематичных для окружающей среды реагентов/продуктов и, в частности, не содержит формальдегид и в то же время показывает превосходные скорости отверждения, которые дают возможность снизить время отверждения или температуру отверждения, предоставляя таким образом более эффективное получение, например, продуктов на основе волокон, таких как стекловата или каменная вата.

Кроме того, в качестве дополнительного экологически значимого ценного свойства связующую систему настоящего изобретения можно получать способом, согласно которому применяют таким образом возобновляемые источники углеводов на основе целлюлозы для получения углеводного компонента указанной связующей композиции. Указанные источники углеводов на основе целлюлозы могут представлять собой теплолюбивые растения, которые, как известно, содержат высокие количества целлюлозы, или содержащие целлюлозу отходы всех сортов, такие как бумажные отходы (низких сортов) или отходы, извлеченные в ходе промышленного получения бумаги.

Следующие примеры предназначены для дополнительной иллюстрации без намеренного ограничения существа настоящего изобретения.

Примеры

Пример 1: Скорости отверждения содержащих ксилозу связующих композиций с применением гексаметилендиамина ("HMDА")

Водные связующие композиции получали согласно составам, представленным ниже в Таблице 1. Все композиции основаны на 80 мас % сахаров +20 мас. % гексаметилендиамина, вычисленные сухие вещества 70 мас. %.

Соотношения пентозы относительно гексозы вычисляли на основе молярности (с содержанием в мас. % пентозы (пентоз), предоставленных в скобках) и вычисленный сухой остаток поддерживали одинаковым, чтобы дать возможность для подобного сравнения составов.

Два последних состава, содержащие смеси сахаров, отражают типичные смеси углеводов, полученных при гидролизе мягкой древесины и сахарной свеклы. Как можно ясно видеть на Фигуре 1, присутствие пентозы (здесь ксилозы или смеси ксилозы и арабинозы) значительно улучшает скорость отверждения, достигнутую в случае готовой связующей композиции. Однако к удивлению не существует линейного отношения между содержанием пентозы и улучшением скоростей отверждения, и эффект затухает при добавлении большого избытка ксилозы. Соответственно, для оптимизации скорости отверждения следует регулировать количество пентозы в углеводном компоненте.

При замене половины гексозы DMH (моногидрат декстрозы) в композиции из 2/3 DMH и 1/3 ксилозы гексозой маннозой, которая обладает похожей структурой по сравнению декстрозой, указанная смесь приводит к подобной кинетике отверждения по сравнению с упомянутой выше композицией, содержащей 2/3 DMH и 1/3 ксилозы.

Также замена части ксилозы другой пентозой (арабинозой) приводит к похожей кинетике отверждения по сравнению с композицией, содержащей только ксилозу.

Пример 2: Скорости отверждения содержащих ксилозу связующих композиций с применением (NH₄)₂SO₄

Согласно составам, предоставленным ниже в Таблице 2, получали три водные связующие композиции (вплоть до 100 мл).

Эти составы капали на фильтровальные прокладки и нагревали при 140°C. На этих фильтровальных прокладках образовались полимеры коричневого цвета, затем растворяли в воде и измеряли оптическую плотность растворов, чтобы построить скорости отверждения каждого раствора во времени.

Полученные скорости отверждения можно взять из Таблицы 2, из которой очевидно, что небольшие (каталитические) количества пентозы не эффективны для значительного ускорения скорости отверждения.

Пример 3: Скорости отверждения содержащих глюкозу и ксилозу связующих композиций с применением (NH₄)₂SO₄

Скорости отверждения следующих составов тестировали в лаборатории:

Результаты показаны на Фигуре 3, которая представляет графически светопоглощение при 470 нм или каждый образец отверждают (ось y) по отношению к времени Τ в минутах (ось x). Интересно отметить, что Образец D (около 45 мас. % ксилозы и 55 мас. % глюкозы, около 50 мол. % ксилозы и 50 мол. % глюкозы) дают скорость отвержения, похожую на 100% ксилозы; это указывает на синергию между ксилозой и глюкозой и более в общем между пентозой (пентозами) и гексозой (гексозами) в связующих, раскрытых в данном документе.

Изобретение относится к водной связующей композиции на основе углеводов, содержащей углеводный компонент (а) и аминный компонент (b), в которой углеводный компонент (а) содержит одну или более пентоз в общем количестве от 3 до 70 мас. % на основе массы всего углеводного компонента (а), а также к способу ее получения. Изобретение заключается в получении связующей композиции, которая основана на возобновляемых источниках и обеспечивает улучшение скорости отверждения. 8 н. и 29 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Водная связующая композиция, содержащая углеводный компонент (а) и аминный компонент (b), в которой углеводный компонент (а) содержит одну или более пентоз в общем количестве от 3 до 70 мас. % на основе массы всего углеводного компонента (а).

2. Связующая композиция по п. 1, в которой количество одной или более пентоз составляет менее 45 мас. % на основе массы всего углеводного компонента (а).

3. Связующая композиция по п. 1 или 2, в которой содержание твердого вещества в водной связующей композиции составляет от 5 до 25 мас. % на основе общей массы водной связующей композиции.

4. Связующая композиция по п. 1 или 2, в которой содержание твердого вещества в водной связующей композиции составляет от 50 до 90 мас. % на основе общей массы водной связующей композиции.

5. Связующая композиция по п. 1 или 2, в которой углеводный компонент (а) дополнительно содержит одну или более гексоз в общем количестве от 97 до 30 мас. % на основе массы всего углеводного компонента (а).

6. Связующая композиция по п. 5, в которой одна или более гексоз выбираются из группы, состоящей из декстрозы, фруктозы и их комбинации.

7. Связующая композиция по п. 5, в которой источниками одной или более гексоз являются источники на основе целлюлозы, выбранные из группы, состоящей из растений, растительных продуктов, дерева, деревянных стружек, использованной бумаги, отходов бумажных фабрик, отходов пивоваренных заводов, коры лесоматериала и их комбинации.

8. Связующая композиция по п. 1 или 2, в которой одну или более пентоз выбирают из группы, состоящей из ксилозы, арабинозы, рибозы, ликсозы, рибулозы и ксилулозы или любой их комбинации.

9. Связующая композиция по п. 8, в которой источниками одной или более пентоз являются источники на основе целлюлозы, выбранные из группы, состоящей из растений, растительных продуктов, дерева, деревянных стружек, использованной бумаги, отходов бумажных фабрик, отходов пивоваренных заводов, коры лесоматериала и их комбинации.

10. Связующая композиция по п. 1 или 2, в которой аминный компонент (b) выбирают из группы, состоящей из белков, пептидов, аминокислот, органических аминов, полиаминов, аммиака, аммониевых солей мономерных поликарбоновых кислот, аммониевых солей полимерных поликарбоновых кислот, аммониевых солей неорганических кислот или любой их комбинации.

11. Связующая композиция по п. 1 или 2, в которой аминный компонент (b) выбирают из группы, состоящей из аммиака, аммониевых солей мономерных поликарбоновых кислот, аммониевых солей полимерных поликарбоновых кислот, аммониевых солей неорганических кислот или любой их комбинации.

12. Связующая композиция по п. 1 или 2, в которой аминный компонент (b) содержит полиамин, содержащий две или более первичные аминогруппы, в частности гексаметилендиамин.

13. Связующая композиция по п. 1 или 2, где указанная связующая композиция дополнительно содержит компонент (с) аминокислоты.

14. Связующая композиция по п. 13, где количество одного или более компонентов аминокислоты находится в интервале от 1 до 25 мас. % на основе общей массы содержания твердых веществ связующей композиции.

15. Связующая композиция по п. 13, в которой источниками одного или более компонентов аминокислот являются источники на основе целлюлозы, выбранные из группы, состоящей из растений, растительных продуктов, дерева, деревянных стружек, использованной бумаги, отходов бумажных фабрик, отходов пивоваренных заводов, коры лесоматериала и их комбинации.

16. Связующее вещество, получаемое нагреванием связующей композиции по любому одному из пп. 1-15.

17. Применение связующего вещества по п. 16 для получения продукта, выбранного из группы, состоящей из изоляции из минеральной ваты, изоляции из стекловаты, изоляции из каменной ваты, набора волокон, набора частиц, набора содержащих целлюлозу частиц или волокон, древесной плиты, ориентированно-стружечной плиты, древесностружечной плиты, многослойной фанеры, абразива, продукта из нетканого волокна, продукта из тканого волокна, литейной формы, огнеупорного изделия, брикета, фрикционного материала, фильтра и пропитанного ламината.

18. Изоляционный продукт, содержащий связующее вещество по п. 16, где изоляционный продукт выбирается из группы, состоящей из изоляции из минеральной ваты, изоляции из стекловаты и изоляции из каменной ваты.

19. Древесная плита, содержащая связующее вещество по п. 16, где древесная плита выбирается из группы, состоящей из ориентированно-стружечной плиты, древесностружечной плиты, многослойной фанеры и пропитанного ламината.

20. Способ получения водной связующей композиции, включающий:

(i) гидролиз одного или более источников углеводов на основе целлюлозы,

(ii) выделение углеводов из одного или более гидролизованных источников на основе целлюлозы,

(iii) применение выделенных углеводов из одного или более источников углеводов на основе целлюлозы для образования углеводного компонента (а), содержащего одну или более пентоз в общем количестве от 3 до 70 мас. % на основе массы всего углеводного компонента (а), и

(iv) добавление аминного компонента (b).

21. Способ по п. 20, в котором количество одной или более пентоз составляет менее 45 мас. % на основе массы всего углеводного компонента (а).

22. Способ по п. 20 или 21, в котором стадия (i) гидролиза одного или более источников углеводов на основе целлюлозы независимо включает в себя обработку нагреванием/давлением, обработку ферментами и/или кислотами и/или гидролиз хлоридами металлов каждого из указанных одного или более источников углеводов на основе целлюлозы.

23. Способ по п. 20 или 21, в котором углеводный компонент (а) дополнительно содержит одну или более гексоз в общем количестве от 97 до 30 мас. % на основе массы всего углеводного компонента (а).

24. Способ по п. 23, в котором одна или более гексоз выбираются из группы, состоящей из декстрозы, фруктозы и их комбинации.

25. Способ по п. 20 или 21, в котором одну или более пентоз выбирают из группы, состоящей из ксилозы, арабинозы, рибозы, ликсозы, рибулозы и ксилулозы или любой их комбинации.

26. Способ по п. 20 или 21, в котором один или более источников углеводов на основе целлюлозы выбирают из группы, состоящей из сельскохозяйственных остатков, таких как кукурузная солома и жмых сахарной свеклы; целевых теплолюбивых сельскохозяйственных культур, таких как сахарная свекла, просо прутьевидное, Miscanthus, конопля, ива и кукуруза; древесных отходов, таких как древесные стружки, пиломатериал, отходы лесопилок и отходы бумажных фабрик, отходы ценных бумаг, такие как отходы использованной бумаги и бумаги низкого сорта, а также промышленных источников целлюлозы, такие как отходы пивоварения и молочные продукты.

27. Способ по п. 20, где стадии гидролиза одного или более источников углеводов на основе целлюлозы и выделения полученных углеводов обеспечивают водный раствор углеводного компонента, содержащего от 3 до 70 мас. % одной или более пентоз и от 97 до 30 мас. % одной или более гексоз на основе массы всего углеводного компонента, присутствующего в указанном растворе.

28. Способ по п. 20 или 21, в котором аминный компонент (b) выбирают из группы, состоящей из белков, пептидов, аминокислот, органических аминов, полиаминов, аммиака, аммониевых солей мономерных поликарбоновых кислот, солей аммония поликарбоновых кислот и аммониевых солей неорганических кислот или любой их комбинации.

29. Способ по п. 20 или 21, в котором стадия (iii) образования углеводного компонента (а) включает соединение углеводов и/или смесей углеводов, полученных по меньшей мере из двух различных источников углеводов на основе целлюлозы.

30. Способ по п. 29, в котором один или более источников углеводов на основе целлюлозы выбирают из группы, состоящей из сельскохозяйственных остатков, таких как кукурузная солома и жмых сахарной свеклы; целевых теплолюбивых сельскохозяйственных культур, таких как сахарная свекла, просо прутьевидное, Miscanthus, конопля, ива и кукуруза; древесных отходов, таких как древесные стружки, пиломатериал, отходы лесопилок и отходы бумажных фабрик, отходы ценных бумаг, такие как отходы использованной бумаги и бумаги низкого сорта, а также промышленных источников целлюлозы, такие как отходы пивоварения и молочные продукты.

31. Способ по п. 20 или 21, в котором указанная связующая композиция дополнительно содержит компонент (с) аминокислоты.

32. Способ по п. 31, в котором указанный компонент (с) аминокислоты образуется посредством применения аминокислот, полученных на стадии (i) гидролиза одного или более источников углеводов на основе целлюлозы.

33. Способ по п. 32, в котором один или более источников углеводов на основе целлюлозы выбирают из группы, состоящей из сельскохозяйственных остатков, таких как кукурузная солома и жмых сахарной свеклы; целевых теплолюбивых сельскохозяйственных культур, таких как сахарная свекла, просо прутьевидное, Miscanthus, конопля, ива и кукуруза; древесных отходов, таких как древесные стружки, пиломатериал, отходы лесопилок и отходы бумажных фабрик, отходы ценных бумаг, такие как отходы использованной бумаги и бумаги низкого сорта, а также промышленных источников целлюлозы, такие как отходы пивоварения и молочные продукты.

34. Способ получения изоляционного продукта по п. 18, включающий стадии:

- нанесения на нескомпонованный или только слабо скомпонованный материал связующей композиции по любому одному из пп. 1-15 или связующей композиции, полученной способом по любому одному из пп. 20-33; и

- отверждение связующей композиции.

35. Способ получения древесной плиты по п. 19, включающий стадии:

- нанесения на нескомпонованный или только слабо скомпонованный материал связующей композиции по любому одному из пп. 1-15 или связующей композиции, полученной способом по любому одному из пп. 20-33; и

- отверждение связующей композиции.

36. Способ по п. 34, где продуктом является изоляция из минеральной ваты и количество отвержденного связующего вещества в изоляции из минеральной ваты составляет менее 15 мас. % и более 2 мас. % на основе общей массы связующего вещества и минеральной ваты.

37. Способ по п. 35, где количество отвержденного связующего вещества в древесной плите составляет менее 25 мас. % и более 7 мас. % на основе общей массы связующего вещества и сухого дерева.