СПОСОБ ВАРКИ КРАХМАЛОСОДЕРЖАЩЕГО ВЕЩЕСТВА С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ СУХИХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АДГЕЗИВНОЙ КОМПОЗИЦИИ
METHOD OF COOKING STARCH-CONTAINING SUBSTANCE WITH HIGH CONTENT OF DRY SUBSTANCES TO OBTAIN ADHESIVE COMPOSITION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу непрерывной или периодической варки крахмалосодержащего вещества с высоким содержанием сухих веществ, к полученным при помощи способа крахмалосодержащим композициям и к их использованию, в частности, в качестве адгезивных материалов.
Настоящее изобретение призвано предложить относительно простой и недорогой способ варки, позволяющий получать жидкие крахмалосодержащие водные композиции с высоким содержанием сухих веществ. Этот способ должен обеспечить получение водных растворов крахмалов, в основном без гранулированного крахмала, отличающихся одновременно повышенным содержанием сухих веществ, превышающим 35 мас.% и предпочтительно меньшим 75 мас.%, достаточно низкой вязкостью, позволяющей легко их использовать в установках картонно-бумажной промышленности и установках для клеевых работ, и хорошей стойкостью при хранении, иначе говоря, получение крахмалосодержащих композиций, которые после охлаждения не проявляют обратной трансформации (застудневания путем воссоединения макромолекул амилозы).
Уровень техники
В предшествующих публикациях уже были рассмотрены различные устройства и способы непрерывного производства крахмалосодержащих клеев, выполненных в виде коллоидных растворов, в частности, с высоким содержанием сухих веществ.
Можно указать европейскую патентную заявку EP 0096935, в которой раскрыт способ получения, в частности непрерывного получения адгезивной композиции, который состоит в механической обработке, повторяемой путем рециркуляции, смеси воды и гранулированного крахмала. Сдвиг и нагрев от трения, как правило, ограниченный температурой, меньшей 90°С, позволяют получить коллоидный раствор крахмала в рамках способа, который однако не предназначен для производства клеев с высокой концентрацией крахмалосодержащих веществ. Действительно, в заявке упоминаются только значения концентрации, находящиеся в пределах от 5 до 30%, и примеры иллюстрируют композиции с содержанием сухого вещества порядка всего 11-12%.
В различных патентах, зарегистрированных в США, предлагаются простые средства смешивания порошков и жидкостей, не обеспечивающие ни нагрева, ни рециркуляции. Например, можно упомянуть патенты US 4201485, US 4323314 и US 4444508, в которых описаны различные варианты непрерывного смешивания жидкостей и порошков с созданием больших и даже очень больших усилий сдвига.
В этих документах крахмалы не рассматриваются. В них не предусмотрены средства нагрева.
В европейской патентной заявке ЕР 1809834 предложено получать водную адгезивную композицию при помощи горячего или холодного процесса из полимеров, выбираемых в широкой гамме, отличающихся высокими значениями содержания сухих веществ в широком диапазоне от 0,5 до 80%, в скоростной смесительной установке с использованием усилия сдвига. В этой заявке, описывающей способ получения коллоидного раствора, содержащего, в случае необходимости, большое количество сухого вещества, подчеркивается обязательное выполнение нескольких проходов через механическую скоростную смесительную систему, которая, как известно, является очень дорогой. Заявитель считает, что такую систему, являющуюся дорогой и сложной, трудно применять на практике в промышленном масштабе.
В области склеивания гофрированного картона известна европейская патентная заявка ЕР 0051883, описывающая гетерогенные составы, содержащие первичную часть из желатинированного крахмалосодержащего вещества в виде коллоидного раствора и вторичную часть из гранулированного крахмала. Только первичную часть подвергают умеренному нагреву перед смешиванием двух частей. Часть крахмала, называемая вторичной, остается в гранулированном состоянии. Таким образом, этот документ не рассматривает техническую проблему получения коллоидных растворов, в основном не содержащих гранулированного крахмала, с высоким содержанием сухих веществ, превышающим 35 мас.%.
В японской патентной заявке JP 05320597 предлагается использовать хорошо известную специалистам установку типа "Jet Cooker" для высокотемпературной (150°С) варки водной суспензии крахмала. После этого в желатинированный раствор крахмала добавляют гранулированный крахмал таким образом, чтобы довести общее содержание крахмала в крахмалосодержащей адгезивной композиции до значения, превышающего или равного 30 мас.%. Следовательно, эти адгезивы содержат большую долю нерастворимого гранулированного крахмала.
Это же относится и к европейским патентным заявкам EP 0229741 и EP 0376301, в которых рассматривается получение адгезивных композиций, предназначенных для склеивания гофрированного картона, содержащих первичную часть из растворимого крахмала и вторичную часть из гранулированного крахмала, при этом только первичную часть подвергают высокотемпературной обработке.
Заявитель заинтересовался такими адгезивными композициями и их получением в непрерывном режиме. Французская патентная заявка FR 2283937 и патент US 4917870 свидетельствуют о его интересе к этому типу получения.
Французский патент FR 2149640, зарегистрированный на имя заявителя, дает первый ответ на техническую проблему получения композиций с высоким содержанием растворимого крахмала, даже если этот ответ является лишь частичным. В этом документе раскрыт способ получения клейстера из крахмала с содержанием сухих веществ, которое может достигать 70%, путем ферментативного расщепления натурального или химически модифицированного крахмала.
Качество коллоидных растворов, полученных при помощи этого способа, все же является недостаточным, чтобы он мог привлечь внимание специалистов. В частности, реологические и адгезивные свойства, полученные при использовании крахмалов зерновых и овощных культур, являются недостаточными. Реальный интерес может представлять только обработка эстерифицированных и этерифицированных крахмалов клубневых культур.
Таким образом, сохраняется потребность в разработке способа, позволяющего удовлетворить следующие требования:
- механически простое и недорогое оборудование;
- надежная работа, не требующая больших энергетических затрат,
- возможность обработки любых типов крахмалов, а именно крахмалов клубневых культур, зерновых культур или овощных культур,
- получение композиций, характеризующихся высоким содержанием сухих веществ, превышающим 35 мас.%, что позволяет существенно сэкономить энергию во время сушки этих композиций,
- получение композиций, отличающихся удовлетворительными адгезивными и реологическими свойствами, в частности вязкостью по Брукфилду, предпочтительно не превышающей 6000 сП (при 25°С), и способностью к образованию пленки.
Раскрытие изобретения
Таким образом, заслугой заявителя является то, что после долгой работы он определил, что имеется возможность добиться поставленных целей путем применения способа в два этапа:
- первый этап смешивания/гелеобразования, во время которого при атмосферном давлении и при перемешивании, достаточном, чтобы избежать образования комков, смешивают порошок крахмала и водную текучую среду, уже содержащую некоторое количество крахмала, производя при этом нагрев до температуры и в течение времени, достаточных для инициирования гелеобразования крахмала, находящегося в состоянии суспензии, и второй этап нагрева полученного коллоидного раствора до температуры, превышающей 120°С, который невозможно получить при атмосферном давлении. На молекулярном уровне этот второй этап нагрева выражается полным желатинированием крахмала, разрывом межмолекулярных водородных связей и расщеплением макромолекул. Полученные таким образом растворы крахмала отличаются относительно низкой вязкостью при высоком содержании сухих веществ и отличной стабильностью. Действительно, не наблюдается обратного явления застудневания за счет восстановления межмолекулярных связей между цепями крахмала, и с течением времени вязкость охлажденных растворов повышается очень мало.
Каждый их двух этапов способа выполняет специфическую роль: первый этап, благодаря простым и в то же время эффективным средствам перемешивания, которые можно применять при атмосферном давлении, позволяет получить частично желатинированный коллоидный раствор с высоким содержанием сухих веществ, не содержащий комков; второй этап, осуществляемый под давлением и при помощи средств перемешивания, которые могут быть менее эффективными, чем средства, применяемые на первом этапе, позволяет завершить желатинирование, то есть добиться разрыва всех водородных связей и полного расщепления молекул крахмала.
Таким образом, объектом настоящего изобретения является способ варки крахмалосодержащей композиции, включающий:
(а) первый этап, содержащий смешивание, по меньшей мере, одного порошка крахмала с водной крахмальной текучей средой, содержащей гранулированный крахмал и/или желатинированный крахмал, при этом содержание крахмала в водной крахмальной текучей среде и отношение порошка крахмала к водной крахмальной текучей среде в смеси являются такими, чтобы общее содержание крахмала в полученной смеси превышало 45 мас.%, предпочтительно составляло от 50 мас.% до 82 мас.% и, в частности, составляло от 52 мас.% до 75 мас.%, при этом указанный первый этап осуществляют при атмосферном давлении с перемешиванием в варочной камере, поддерживаемой при температуре, по меньшей мере, равной самой высокой температуре гелеобразования (TG) всех крахмалов, присутствующих в смеси, предпочтительно при температуре, превышающей или равной 85°С, в течение времени, достаточного для получения коллоидного раствора крахмала, и
(б) второй этап, содержащий нагрев коллоидного раствора крахмала, полученного на этапе (а), при давлении, превышающем атмосферное давление, и при температуре, находящейся в пределах от 120°С до 180°С, предпочтительно от 140°С до 180°С, в течение времени, достаточного, чтобы разрушить межмолекулярные водородные связи и избежать обратного процесса трансформации полученного раствора крахмала после охлаждения.
Осуществление изобретения
В настоящей заявке под «температурой гелеобразования» следует понимать температуру, при которой вискозиметр BRABENDER, отрегулированный на повышение температуры со скоростью 1,5°С в минуту, регистрирует для водной суспензии гранулированного крахмала разность вязкости в 20 единиц по отношению к базовой линии.
Под «порошком крахмала» следует понимать крахмалосодержащее вещество в гранулированном состоянии, то есть нерастворимое в воде. Этот порошок обладает свободной текучестью и не подвержен комкованию, которое может отрицательно повлиять на равномерность его распределения в водной текучей среде.
Порошок крахмала, вводимый в варочную камеру на этапе (а), предпочтительно имеет степень влажности менее 50%, предпочтительно от 3 до 30%, в частности, от 7 до 32%.
Водной средой может быть «крахмальное молоко», то есть суспензия гранулированного крахмала, не растворимого в воде. Если речь идет о крахмальном молоке, то оно предпочтительно имеет содержание сухого вещества менее 52%, предпочтительно находящееся в пределах от 20 до 50%, в частности, от 30 до 45%.
Водной крахмальной текучей средой может быть также коллоидный раствор, то есть раствор, содержащий крахмал в растворенном виде. Этот раствор предпочтительно имеет содержание крахмала менее 75 мас.%, предпочтительно находящееся в пределах от 35 до 70%, в частности, от 38 до 65 мас.%.
В предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением водная крахмальная текучая среда представляет собой коллоидный раствор крахмала, который получают на выходе этапа (б) и часть которого рециркулируют на этап (а).
Порошок крахмала и крахмал в водной крахмальной текучей среде, будь-то в гранулированном или желатинированном виде, выбирают независимо из крахмалов клубневых культур, крахмалов зерновых культур и крахмалов овощных культур.
Эти крахмалы могут быть натуральными крахмалами или модифицированными крахмалами.
В частности, речь может идти о химически модифицированных крахмалах, таких как крахмалы, окисленные, сложноэфирные производные, простые эфирные производные, структурированные и/или гидролизованные любым химическим или ферментативным средством, или крахмалы, модифицированные термомеханическими средствами, такими как экструзия, или термическими средствами, такими как операции, называемые отжигом (annealing) или обработкой горячим паром (Hot Moisture Treatment (HMT)).
Предпочтительно порошок крахмала и крахмал в водной крахмальной текучей среде имеют одинаковое происхождение.
Температура, при которой осуществляют этап (а) в варочной камере, предпочтительно превышает, по меньшей мере, на 5°С температуру гелеобразования крахмала, имеющего наиболее высокую температуру гелеобразования всех крахмалов, присутствующих в смеси. Предпочтительно она превышает, по меньшей мере, на 10°С температуру гелеобразования крахмала, имеющего наиболее высокую температуру гелеобразования всех крахмалов, присутствующих в смеси. Как будет указано выше, первый этап в варочной камере предназначен для получения коллоидного раствора, содержащего крахмал, который почти полностью желатинирован, то есть набух в присутствии воды. Этот коллоидный раствор, полученный на выходе этапа (а), может, вместе с тем, содержать относительно небольшую часть гранулированного крахмала и недостаточно желатинированного крахмала. Продолжительность этапа (а), необходимая для достижения удовлетворительного гелеобразования, разумеется, тем меньше, чем выше температура нагрева.
Как правило, она составляет от 3 минут до 2 часов, предпочтительно от 5 минут до 1 часа и, в частности, от 10 до 30 минут.
Водную крахмальную текучую среду можно в принципе вводить в варочную камеру при комнатной температуре, однако предпочтительно ее предварительно нагревают. Если водной крахмальной текучей средой является коллоидный раствор крахмала, его предпочтительно нагревают до температуры в пределах от 100°С до 180°С, прежде чем ввести в варочную камеру на этапе (а).
Согласно варианту способа в соответствии с настоящим изобретением, используют две водные крахмальные текучие среды: одну в виде крахмального молока, а другую в виде коллоидного раствора, по меньшей мере, одного крахмала, как было указано выше.
Второй этап способа в соответствии с настоящим изобретением предназначен для завершения гелеобразования, разрыва водородных связей желатинированного крахмала и растворения крахмала в водной текучей среде, то есть для достижения дисперсии макромолекулярных цепей на молекулярном уровне, чтобы получить крахмалосодержащие композиции с высоким содержанием сухого вещества и с умеренной вязкостью, а именно с вязкостью по Брукфилду, измеренной при 25°С и при 100 об/мин, менее 6000 сантипуаз, предпочтительно менее 5000 сантипуаз и, в частности, менее 4000 сантипуаз.
Время нагрева на этапе (б), достаточное для получения таких растворов крахмала, в основном не содержащих гранулированного крахмала и имеющих вышеуказанную вязкость, как правило, составляет от 15 секунд до 30 минут, предпочтительно от 20 секунд до 15 минут и, в частности, от 30 секунд до 10 минут.
Согласно предпочтительному варианту осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, нагрев на этапе (б) производят путем нагнетания водяного пара под давлением в коллоидный раствор крахмала, полученный на выходе этапа (а). Такое нагнетание пара более подробно будет описано ниже со ссылками на чертежи.
Варку крахмалосодержащего вещества можно осуществлять в присутствии добавки, выбранной из добавок, обычно используемых в соответствующих областях промышленности.
Так, в зависимости от обрабатываемых веществ и от поставленных задач, в варочную камеру на этапе (а) можно добавлять один или несколько следующих ингредиентов:
- пластификаторы, выбираемые, в частности, из группы, в которую входят мочевина, сорбитол, глицерин, в случае необходимости, гидрированные сиропы глюкозы, нитрат натрия,
- стабилизаторы, такие как стеараты, в частности стеарат магния,
- вещества для регулирования и фиксации pH, такие как карбонат натрия,
- замедлители набухания, выбираемые, в частности, из группы, в которую входят фосфаты, сульфат, цитрат и хлорид натрия,
- минеральные или органические наполнители или пигменты, выбираемые, в частности, из группы, в которую входят каолины, осажденные или натуральные карбонаты кальция, сульфаты кальция, тальк или оксиды титана,
- разжижители порошков крахмала, такие как коллоидные кремнеземы,
- ферменты, выбираемые, в частности, из группы, в которую входят α-амилазы, CGTазы или так называемые Q-ферменты,
- вещества, повышающие вязкость коллоидных растворов крахмала, такие как бура или сульфат алюминия,
- добавки, придающие бумаге специальные свойства, в частности, предназначенные для улучшения оптических и механических свойств бумаги.
Объектом настоящего изобретения являются также крахмалосодержащие композиции, полученные при помощи способа в соответствии с настоящим изобретением. Эти композиции отличаются от известных своим высоким содержанием сухих веществ, превышающим или равным 35 мас.%, отсутствием гранулированного крахмала, умеренной вязкостью текучей среды и хорошим сопротивлением явлениям обратной трансформации.
Предпочтительно крахмалосодержащие композиции в соответствии с настоящим изобретением имеют общее содержание крахмала, меньшее 75%, предпочтительно находящееся в пределах от 35 до 70%, в частности, от 38 до 65 мас.%.
Благодаря высокому и даже очень высокому содержанию сухих экстрактов сушка пленки, полученной из таких композиций, является легкой и отличается низкой энергоемкостью. Получают существенную экономию.
Кроме того, композиции с содержанием сухого экстракта, превышающим или равным 50%, позволяют специалисту предусмотреть замену растворов или эмульсий синтетических полимеров.
Способ в соответствии с настоящим изобретением можно осуществлять при помощи варочного устройства, содержащего:
(а) варочную камеру, оборудованную
- средствами, позволяющими вводить порошок крахмала,
- средством перемешивания,
- средствами подачи водной крахмальной текучей среды, содержащей воду, гранулированный крахмал и/или желатинированный крахмал, предпочтительно в месте, наиболее близком к указанному средству питания порошком, и
- средством, позволяющим поддерживать в варочной камере температуру варки, по меньшей мере, равную 85°С,
(б) средство непрерывного отбора коллоидного раствора на выходе варочной камеры, и
(в) средства, позволяющие подвергать коллоидный раствор, отбираемый на выходе варочной камеры, действию водяного пара, имеющего температуру в пределах от 120°С до 180°С.
Устройство может дополнительно содержать средства, позволяющие регулировать скорость введения порошка крахмала и водной текучей среды гранулированного крахмала.
Отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания вариантов его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг.1 соответствует общей схеме устройства для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2-5 показаны варианты этого устройства. На этих чертежах Р обозначает насос, М - смеситель и Н - гидроциклон.
Такое устройство содержит:
- с одной стороны, варочную камеру 1, оборудованную средствами введения порошка 2 крахмала, водной текучей среды 7 гранулированного крахмала, подаваемой, в частности, путем непрерывного объемного дозирования, которое является предпочтительным в силу небольшой стоимости, и/или водной текучей среды, которой является коллоидный раствор 4 крахмала, и
- с другой стороны, средства, позволяющие производить необходимый нагрев, в частности, при помощи водяного пара под давлением при температуре, как правило, находящейся в пределах от 120°С до 180°С.
Для нагревания камеры 1, в которой осуществляют первый этап варки, можно установить чан 5 с двойной стенкой (6-1) и пространством, в которое подают водяной пар предпочтительно при температуре, находящейся в пределах от 120°С до 180°С, предпочтительно, по меньшей мере, равной 140°С, в частности, по меньшей мере, равной 150°С, или, в случае необходимости, горячее масло.
Другое предпочтительное средство состоит во введении предварительно нагретой воды в теплообменник вода/пар или в непосредственном нагнетании пара в варочную камеру, в частности, при атмосферном давлении (6-2), причем этот выбор может представлять дополнительный и существенный интерес с учетом участия горячей воды в виде жидкости или пара в дисперсии порошкообразного крахмала.
Этот вариант позволяет также избежать подачи пара в основание камеры (6-4) и за счет этого избежать появления наведенных вибраций или загрязнения парораспределительной насадки.
Пар, предназначенный для нагрева путем непосредственного нагнетания, можно тоже подавать и смешивать с текучей средой в виде молока 7 гранулированного крахмала, при этом указанный пар в данном случае доводит эту среду до состояния коллоидного раствора в (6-3).
Эти различные средства соответствуют всем функциональным возможностям, обеспечиваемым устройством. Они могут также применяться в комбинации.
Приток тепла при помощи двойной стенки и/или путем нагнетания пара позволяет поддерживать в камере температуру, которая необходима для варки всего крахмала и которая, таким образом, по меньшей мере, равна температуре гелеобразования крахмала, имеющего наиболее высокую температуру гелеобразования.
Молоко гранулированного крахмала получают в чане 3, в который подают порошок гранулированного крахмала из емкости (3-1) и питают водой через трубопровод (3-2).
Гранулированный крахмал в виде порошка подают в варочную камеру 1 из емкости (2-1) через дозировочное устройство 2. Время пребывания гранулированного крахмала в указанной камере 1 соответствует времени, необходимому для получения требуемого раствора. Оно зависит от объема камеры, от различных значений расхода подачи, в частности подачи крахмала и текучих сред и, разумеется, от скорости откачки на выходе.
Коллоидный раствор крахмала непрерывно отбирают на выходе, как правило, в основании камеры в 8. После этого его направляют в секцию термической обработки, достаточно изолированную и позволяющую подвергнуть коллоидный раствор в (9-1) действию нагнетаемого горячего пара 9.
Предпочтительно секция термической обработки представляет собой трубопровод в виде змеевика 10, внутри которого коллоидный раствор подвергается действию водяного пара, температура которого находится в пределах от 120°С до 180°С.
С нагнетанием пара и сразу после него можно использовать насос с высокой скоростью сдвига. Он обеспечивает двойное преимущество большого сдвига и более легкого получения достаточного давления в змеевике.
Змеевик 10 и устройство нагнетания (9-1) могут иметь любую другую геометрическую форму, лишь был бы обеспечен тепловой и механический эффект пара.
Приток тепла происходит на уровне этого устройства при помощи любого соответствующего средства, например при помощи масляной бани.
Между основанием камеры 8 и точкой 9 нагнетания горячего пара можно установить дополнительные механические средства, например, такие как оборудование типа "GYROFLOX", выпускаемое компанией "VMI/Rayneri", которым является насос с высокой степенью сдвига и/или насос типа «ротационного и с обратным вращением».
Это оборудование предназначено для завершения варки за счет интенсивного механического действия состояний и/или для обеспечения реологических свойств, в частности для снижения вязкости коллоидного раствора без существенного изменения в целом молекулярной массы.
На выходе змеевика устройство типа трехходового вентиля позволяет разделить два потока, при этом первый поток направляется для использования на машине 12, а другой предназначен для рециркуляции и образования текучей среды-носителя в виде коллоидного раствора 4.
Этот рециркулируемый поток может быть подвергнут действию насоса с высокой степенью сдвига системы типа "GYROFLOX" и/или оборудования типа «ротационного и с обратным вращением».
Согласно первому варианту, показанному на фиг.1, подача пара 6, предназначенного для варочной камеры 1, может происходить частично или полностью снизу чана 5 в (6-4), в частности, через распределительную насадку.
На фиг.2 показан вариант устройства, в котором в качестве крахмальной водной текучей среды используют только молоко гранулированного крахмала. Весь коллоидный раствор, получаемый на выходе этапа (б), направляется непосредственно для использования.
В противоположность этому варианту, устройство, показанное на фиг.3, работает без подачи молока гранулированного крахмала и использует только коллоидный раствор, рециркулируемый после этапа (б). В этом случае контур достаточно удовлетворительно работает по принципу соответствующего разделения между непосредственным использованием и частичной рециркуляцией в варочную камеру. Баланс может быть достигнут, в частности, за счет добавления, пусть даже ограниченного, пара через трубопровод 6, будь-то в (6-1), (6-2), (6-3) и/или (6-4), причем даже в случае остановки рабочего использования.
Вместе с тем, в большинстве случаев, соответствующих таким схемам, возникает необходимость добавления в контур воды. Требуемого разбавления можно достичь путем введения воды в частичную рециркуляцию клея (13-1 - фиг.3), путем смешивания коллоидного раствора и воды (13-4 - фиг.3) на уровне гидроциклона (13-2 - фиг.3) и/или путем добавления воды в саму варочную камеру (13-3 - фиг.3).
Устройство, показанное на фиг.4, предусматривает добавление одного или нескольких ингредиентов в виде жидкости (позиция 14 - фиг.4) или в виде порошка (позиция 15 - фиг.4).
На любом этапе способа в соответствии с настоящим изобретением можно вводить различные добавки, то есть в любом месте, соответствующим образом оборудованном для добавления, устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Например, введение добавок в одну или другую из текучих сред-носителей можно производить в саму варочную камеру, в трубопровод подачи клея в емкость накопления и/или в саму емкость накопления.
Объектом настоящего изобретения является также использование крахмалосодержащих композиций с высоким содержанием сухих веществ.
Действительно, особые реологические свойства композиций в соответствии с настоящим изобретением позволяют использовать их для производства грунтовочных эмульсий или для производства адгезивных композиций, предназначенных для самых разных клеевых работ, таких как склеивание мешков, спиралевидных трубок или для наклеивания этикеток на бутылки.
Разбавление таких композиций не всегда желательно или обязательно. Однако, учитывая их особые характеристики, оно может представлять интерес, в частности, для операций отделки бумаги, целлюлозосодержащих панелей, текстиля, в том числе волокон, или минеральных панелей, кожи.
Указанные композиции могут также находить свое применение в специальных составах для промышленности стройматериалов и нефтяной промышленности.
Их особые характеристики позволяют использовать эти композиции для операций в фармацевтической промышленности, косметической промышленности или агропищевой промышленности, например, для изготовления капсул или покрытий.
Их можно использовать для получения композиций, предназначенных для клеевых работ, в частности для склеивания контейнеров и мешков или для соединения любой сложной структуры, в частности целлюлозосодержащей.
Их можно использовать, в частности, для склеивания гофрированного картона, например, в рамках склеивания, производимого с небольшим добавлением тепла на машине (так называемое «холодное» склеивание).
Еще чаще их используют в качестве первичной части для получения так называемых двухкомпонентных композиций, используемых, в частности, в рамках процессов, известных под названиями "Stein-Hall" или "Minocar" для склеивания гофрированного картона любого типа, то есть так называемого одинарного картона (SF), двухслойного картона (DF), двойного двухслойного картона (DD), трехслойного картона или мультигофрированного картона, содержащего или не содержащего микрогофры.
Различные аспекты настоящего изобретения, связанные со способом и устройством, а также характеристики различных адгезивных композиций будут более очевидны из более подробного нижеследующего описания неограничительных примеров.
Пример 1
Устройству придают конфигурацию, показанную на фиг.3. Запуск установки предусматривает подачу порошкообразного крахмала в точке 2 в виде кукурузного декстрина из расчета 100 кг/час, при этом расход воды (точки 11, 12 и/или 13) составляет 100 л/час.
Количество пара, подаваемого при 150°С (6), нагнетается через дно варочной камеры (6-4). Оно позволяет достичь температуру 90°С и обеспечивать указанную температуру во время фазы запуска.
Такой же пар при 150°С нагнетают через точку 8 в коллоидную суспензию (клей), полученную путем регулирования среднего времени пребывания в течение 15 минут в варочной камере.
Полученный раствор проходит через змеевик за 4 минуты, используя контрдавление, отрегулированное примерно на 5 бар и соответствующее внутренней температуре приблизительно 150°С.
После этого обеспечивают различные условия рециркуляции в точке 10 таким образом, чтобы можно было рециркулировать соответственно 10, 20 и 40 литров раствора, которые через точку 4 выполняют роль текучей среды-носителя для порошка декстрина.
Следует отметить, что в рамках соответствующего регулирования добавление пара в точке 6 снижается в зависимости от степени рециркуляции и становится слабым и очень слабым.
Пример 2
Случай, показанный на фиг.2, соответствует устройству, в котором не предусмотрена рециркуляция клея. Осуществляют непрерывное приготовление молока кукурузного декстрина из примера 1, получаемого при значениях расхода крахмала 473,8 кг/час и воды 710,6 кг/час. В молоко при 20°С и 40%, имеющее плотность 1,184, нагнетают поток пара с расходом 110,5 кг/час (конфигурация 6-3) при 150,4°С под давлением 5,4 бар. Клей получают из расчета 1294,9 кг/час с содержанием сухих веществ 36,59% (821,1 кг/час воды + 473,8 кг/час крахмала).
С другой стороны, подают крахмал в виде порошка, имеющего влажность 10%, с расходом 920,1 кг/час (828 кг/час крахмала + 92 кг/час воды).
Исходя из этих условий определяют соотношения порошок/клей 71,05% и порошок/(клей + порошок) 41,54%.
Таким образом, в варочную камеру поступают, в виде клея или порошка, 913,1 кг/час воды и 1301,8 кг/час крахмала, то есть 2215 кг/час клея с 58,77% сухих веществ при температуре примерно 57,5°С.
Температуру в варочной камере поддерживают в значении 90°С.
Полученный клей поступает в змеевик с добавлением 241,25 кг/час пара при 150,4°С и 5,4 бар.
Конечный клей получают с расходом примерно 2456 кг/час (1154,4 кг/час воды + 1301,8 кг/час крахмала), то есть с 53% сухих веществ.
Пример 3
Случай, изложенный в этом примере, показан на фиг.1. Он соответствует устройству, в котором на этот раз предусмотрена рециркуляция клея, который добавляют в текучую среду-носитель в виде клея, полученного от приготовления крахмального молока.
Расходы крахмального молока и получаемого клея (конфигурация 6-З) соответствуют примеру 2.
Однако клей, получаемый на выходе змеевика, не направляется полностью в машину. Большую часть (1500 кг/час) отбирают и рециркулируют, чтобы она образовала текучую среду-носитель для предусматриваемой варки. Эта операция позволяет существенно увеличить расход крахмала в виде порошка. Действительно, он достигает 1559,2 кг/час (1403,3 кг/час сухого крахмала + 155,9 кг/час воды).
За счет этого существенно меняются установленные режимы. Действительно, в варочную камеру поступает смесь с 63,09% сухого вещества с общим расходом 4354,15 кг/час (1607,1 кг/час воды + 2747,05 кг/час крахмала) при температуре 73°С. Температура внутри камеры составляет 90°С.
Соотношения порошок/клей и порошок/(клей + порошок) соответственно равны 55,79% и 35,81%.
После этого клей направляют в змеевик с добавлением, в точке 9, 382,1 кг/час пара (150,4°С - 5,4 бар).
На выходе змеевика расход составляет 4736,3 кг/час клея (1989,25 кг/час воды при 2747,05 кг/час крахмала), имеющего концентрацию 58%, то есть по существу больше, чем в примере 2. Как было указано, 1500 кг/час направляют для рециркуляции и 3236,3 кг/час - в машину. Таким образом, соотношения рециркуляция/использование и рециркуляция/общее значение составляют соответственно примерно 46,35% и 31,67%.
Пример 4
Рабочие условия соответствуют примеру 3 за исключением того, что сначала стремятся получить самую высокую концентрацию. Таким образом, было установлено, что подача порошка крахмала без изменения добавления молока, пара и рециркулируемого клея может быть доведена примерно до 1950 кг/час.
С другой стороны, были приблизительно определены рабочие условия, приближающиеся к пороговым.
С учетом этих различных профилей можно вывести следующую сравнительную таблицу:
Низкие условия
Средние условия
Оптимальные условия
Суспензия 40% (кг/час)
1184,4
1184,4
1184,4
Вода (кг/час)
710,6
710,6
710,6
Крахмал (кг/час)
473,8
473,8
473,8
Плотность
1,184
1,184
1,184
Клей (кг/час) (конфигурация 6-3)
1295
1295
1295
Вода (кг/час)
821,2
821,2
821,2
Крахмал (кг/час)
473,8
473,8
473,8
Концентрация
36,59%
36,59%
36,59%
Крахмал порошок (кг/час)
1351,6
1559,2
1950,4
Вода (кг/час)
135,2
155,9
195
Крахмал (кг/час)
1216,4
1403,3
1755,4
Питание камеры (кг/час)
4146,5
4354,1
4745,4
Вода (кг/час)
1661,3
1607,1
1605,7
Крахмал сухой (кг/час)
2485,2
2747
3139,7
Концентрация
59,94%
63,09%
66,16%
Температура
37,9°С
73°С
69,3°С
Соотношение порошок/клей
48,36%
55,79%
69,79%
Соотношение порошок/общая
32,60%
35,81%
41,10%
Значение на входе змеевика (кг/час)
542,5
382,1
427
Выход змеевика (кг/час)
4689
4736,3
5172,5
Вода (кг/час)
2203,8
1989,25
2032,8
Крахмал сухой (кг/час)
2485,2
2747,05
3139,7
Концентрация
53%
58%
60,70%
Рециркуляция
1500
1500
1500
Выход машины
3189
3236,3
3672,5
Соотношение рециркуляция/машина
47,04%
46,35%
40,84%
Соотношение рециркуляция/общая
31,99%
31,67%
29,00%
При полезном расходе, предназначенном для машины и меняющемся только в очень небольших пределах (примерно от 3200 до 3700 кг/час), концентрация клея меняется в диапазоне, представляющем особый интерес, от 53 до 60,7%.
Значения концентрации в этом интервале представляют особый интерес в области отделки бумаги, в частности, когда речь идет об изменении соотношений латекс/крахмал и даже об исключении латекса. При склеивании гофрированного картона удаление воды не требует больших энергетических затрат.
Пример 5
Этот пример касается возможности существенного уменьшения количества молока. Во-первых, в данном случае проверяют техническую возможность операции с целью превышения 50% сухого вещества.
Во-вторых, проверяют условия, позволяющие достичь средних показателей.
В третьих, стараются добиться оптимальных условий, приводящих к наиболее высокому содержанию сухих веществ.
Крахмал порошок (кг/час)
161,9
324,2
985,8
Вода (кг/час)
16,2
32,4
98,6
Крахмал (кг/час)
145,7
291,8
887,2
Питание камеры (кг/час)
1661,9
1824,2
2485,8
Вода (кг/час)
721,2
557,4
473,6
Крахмал сухой (кг/час)
940,7
1266
2012,2
Концентрация
56,6%
69,45%
80,85%
Температура
93°С
87,2°С
70°С
Соотношение порошок/клей
10,79%
21,61%
65,72%
Соотношение порошок/общая
9,74%
17,77%
39,66%
Значение на входе змеевика (кг/час)
113
124,7
197,2
Выход змеевика (кг/час)
1774,9
1948,9
2683
Вода (кг/час)
834,2
682,1
670,75
Крахмал сухой (кг/час)
940,7
1266,8
2012,25
Концентрация
53%
65%
75%
Рециркуляция
1500
1500
1500
Выход машины
274,9
448,9
1183
Соотношение рециркуляция/машина
545,7%
334%
126,8%
Соотношение рециркуляция/общая
84,5%
77%
55,9%
В трех рассмотренных случаях можно быстро достичь ситуации баланса.
Диапазон возможных значений концентрации является еще более широким. Можно достичь 75% сухих веществ.
Пример 6
Этот пример позволяет рассмотреть частный случай работы в периодическом режиме, применяемый, в частности, во время испытаний или на машинах небольшой мощности. Ставится задача производства ограниченного количества клея из кукурузного декстрина с содержанием сухих веществ 50%.
Для этого исследования используют ограниченное оборудование в виде вертикального чана, оборудованного мощной мешалкой, например, турбиной Rayneri и насосом, который питает под давлением трубчатый варочный аппарат ("Jet Cooker"). Периодический цикл состоит в следующем:
- в вертикальный чан достаточной емкости вводят 50 л воды,
- добавляют 2 мешка по 25 кг кукурузного декстрина для получения молока с 41,4% сухого вещества,
- производят варку при 90°С в течение 10 минут при активном перемешивании.
Этот первый состав в виде коллоидного раствора образует текучую среду-носитель.
На втором этапе добавляют 3 мешка по 25 кг этого же кукурузного декстрина.
Смесь содержит 56% сухого вещества. Ее доводят до 90°С в течение 10 минут. Затем ее подвергают дополнительной варке в Jet-Cooker при 150°С в течение 3 минут.
Полученный клей с 50,6% сухого вещества направляют в термически изолированный чан с минимальной емкостью 300 литров.
Пример 7
Варочное испытание производили с использованием кукурузного декстрина в устройстве, основанном на принципе, показанном на фиг.2, с конфигурацией (6-2) и предусматривающем совместное введение в варочную камеру порошка декстрина, с одной стороны, и, с другой стороны, молока с 40% сухих веществ (СВ), полученного из такого же декстрина.
Температура в камере составляет 90°С.
Температуру в змеевике устанавливают в значении 150°С.
Задачей этого испытания является исследование условий умеренной концентрации и оценка результата с точки зрения реологии. Для этого сначала определяют соотношение молоко/порошок, чтобы получить клей с 38% СВ. Затем его постепенно меняют, чтобы повысить концентрацию, пока она не достигнет значения более 50%.
В первой фазе на оборудовании средней емкости достигают содержания 50% сухого вещества.
Во второй фазе на промышленной установке достигают значения 53,5%.
Производят реологическую оценку обоих клеев во время этапа охлаждения, основанную на известных и распространенных в настоящее время принципах определения вязкоупругих модулей G' и G'', позволяющих определить трансформацию золь/гель.
Эти измерения производят при помощи динамического реометра AR2000 с коаксиальными цилиндрами 14/15 мм. Линейный график охлаждения следует наклону от 80 до 5°С со скоростью 1°С/мин. Напряжение синусоидального воздействия меняется в зависимости от реакции испытуемого образца. Частоту устанавливают в значении 1 Гц.
Основным результатом наблюдения как для клея, полученного в качестве опытного образца, так и для клея, полученного в промышленных условиях, является отсутствие фазы трансформации золь/гель, что выражается в исключительной стабильности клеев во время охлаждения.
Как неожиданно выяснилось, эта характеристика клеев сохраняется, когда их разбавляют до значения 35% и даже до 25% СВ.
Что же касается клеев, полученных при упомянутых значениях 35 и 25% СВ и при помощи известных средств варки как в непрерывном режиме, так и в периодическом режиме, под давлением или в открытом чане, то для них наблюдают фазу трансформации золь/гель, свидетельствующую о наличии явления обратного процесса.
Кроме того, согласно изобретению, уровень вязкоупругих модулей значительно ниже уровня модулей в известных технических решениях при значительно более высокой вязкости, измеренной, например, на вискозиметре Брукфилда.
Таким образом, переводя это в конкретные цифры, можно сказать, что декстриновый клей, полученный согласно изобретению на промышленной установке и имеющий содержание 53,5% СВ, во время охлаждения имеет вязкость, измеренную вискозиметром Брукфилда с 100 об/мин (в мПа·с), следующих значений:
На свежем клее
После 24 часов при 70°С
80°С
1150
70°С
1724
2690
60°С
2780
3080
50°С
4480
4170
40°С
6860
6490
30°С
15000
16200
Можно отметить, что эти клеи сохраняют удовлетворительную текучесть при температурах использования, в частности, в области отделки бумаги, например для грунтования и глянцевания, то есть при температурах, как правило, находящихся в пределах от 50 до 70°С.
Отсутствие проявления обратного процесса сопровождается также исключительной стабильностью во времени, в частности, при низких температурах.
Таким образом, было установлено, что композиции в соответствии с настоящим изобретением имеют уникальные характеристики при рассматриваемых значениях концентрации.
Понятно, что любой специалист не сможет добиться этих результатов при помощи известных средств, хотя бы принимая во внимание невозможность, в связи, в частности, с явлением дилатансии, получить крахмальное молоко с достаточно высоким содержанием сухих веществ с целью дальнейшего достижения рассматриваемых в данном изобретении значений концентрации.
Кроме того, реологические данные клеев, полученных при помощи известных средств с 35% СВ, например, являются такими, что при высокой концентрации прогнозируемая вязкость будет настолько высокой, что ее в тех же условиях измерения даже невозможно будет измерить, что говорит об абсолютной невозможности использования этих клеев.
Пример 8
Рабочие условия аналогичны примеру 7, при этом используют устройство, показанное на фиг.2, и конфигурацию 6-2, но главным отличием является то, что процедура применяется не только для варки кукурузного декстрина, но и для операции растворения и ферментативного гидролиза натурального кукурузного крахмала. В этом случае камеру для растворения и ферментативного гидролиза поддерживают при температуре 85°С.
Температуру в змеевике, который в этом случае предназначен для блокировки ферментативной активности, устанавливают в значении 150°С.
Как и в примере 7, соотношение молоко/порошок определяют таким образом, чтобы сухое вещество в разжиженном клее составляло 38% в первой фазе. После этого соотношение меняют, чтобы содержание сухого вещества постепенно увеличилось до значения, превышающего 50%.
Если область использования клея является другой, то в настоящем случае наблюдения на клее с 52% СВ являются абсолютно параллельными. Как в примере 7, при использовании динамического реометра AR2000 с коаксиальными цилиндрами в ранее определенных условиях наклонной прямой графика охлаждения отмечают отсутствие трансформации золь/гель и, следовательно, отсутствие какого-либо явления обратного процесса в диапазоне рассматриваемых температур.
В условиях, сравнимых с примером 7, тоже осуществляют измерения вязкости при охлаждении (в мПа·с при 100 об/мин):
На свежем клее
После 24 часов при 70°С
80°С
840
70°С
952
1244
60°С
1228
1340
50°С
1504
1624
40°С
2160
2304
30°С
3020
2868
По всем этим показателям можно повторить заключение, вынесенное по результатам примера 6, об отсутствии трансформации золь/гель на реометре AR2000, а также при концентрации, близкой или превышающей 50% или с разбавлением до 35%, даже до 25%, о способности к текучести при температурах использования, в частности, для глянцевания или грунтования бумаги, об отсутствии проявления обратного процесса и о стабильности во времени, в частности, при низких температурах.
Реологические характеристики при рассматриваемых значениях концентрации являются исключительными и не поддаются сравнению, учитывая, в частности, что клеи с таким содержанием сухих экстрактов не могут быть получены при помощи известных средств. Их вязкость была бы слишком высокой и, следовательно, не поддавалась бы измерению и стала бы препятствием для использования.