Связующие композиции, содержащие соевый белок и углевод

Связующие композиции, содержащие соевый белок и углевод

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Область изобретения

Описаны связующие композиции, содержащие соевый белок и углевод. Связующие композиции полезны для склеивания вместе волокон, таких как стекловолокна, при получении волоконных композитов, содержащих связующее, таких как стеклянные маты.

Уровень техники

В течение десятилетий связующие композиции на основе мочевинного формальдегида (МФ) применяли для получения матов из стекловолокна для строительных материалов, включая изоляционные, напольные, обшивочные, облицовочные и кровельные плитки. МФ связующие компоненты были предпочтительными для этих материалов из-за их низкой стоимости и приемлемой прочности. Для таких материалов, как кровельные плиты, МФ в связующих композициях часто смешивали с более гибкими латексными полимерами, такими как поливинилацетат, винилакриловые и/или стиролбутадиеновые полимеры. Латексы в составе связующих придавали повышенную прочность на растяжение и прочность на разрыв так же, как улучшенные свойства влагостойкости.

Совсем недавно строительная промышленность отошла от применения связующих композиций на основе формальдегида. Формальдегид считают вероятным канцерогеном для человека так же, как раздражителем и аллергеном, и его применение в связующих композициях для строительных материалов, текстиля, обивки и других материалов становится все более и более ограниченным. Таким образом, производители строительных материалов проводили разработки альтернативных связующих композиций, которые не содержат формальдегид.

Альтернативные системы связующего, которые привлекли значительное внимание, включают такие, в которых применяется возобновляемое исходное сырье. В дополнение к тому, что эти связующие композиции не содержат формальдегид, они основаны на возобновляемом исходном сырье и могут быть получены из возобновляемых выращиваемых материалов вместо невозобновляемых нефтяных источников исходного сырья.

Эти альтернативные связующие композиции, в которых применяется возобновимое исходное сырье для связующего, применяют в качестве связующего компонента изоляционных стекловолоконных плит для домов и построек. Этот тип изоляции, как правило, делают путем введения потоков расплавленного стекла в волокна случайной длины и отложения их на движущейся под камерой конвейерной ленте. Связующую композицию распыляют на волокна прежде, чем они опустятся на конвейерную ленту, и затем высушивают и отверждают в потоке воздуха над покрытыми связующим компонентом волокнами, которые все еще являются горячими сразу после образования.

Относительно низкая вязкость многих связующих композиций, получаемых с применением возобновляемого исходного сырья, не создает проблем при получении изоляционных стекловолоконных плит, получаемых дутьевым путем, композиции распыляются в относительно низких концентрациях и быстро высушиваются и отверждаются. Однако низкая вязкость этих связующих композиций создает большие затруднения при получении стекловолоконных матов, когда слишком много текучего связующего может мигрировать к основанию мата, оставляя слишком малое покрытие связующим волокон в верхней части.

Многие из этих связующих композиций разбавляют в значительных количествах воды при применении на маты из стекловолокна, таким образом, одним подходом к увеличению их вязкости было концентрирование материалов исходного сырья в меньшем количестве воды. Однако этот подход создает значительные проблемы для регулирования процесса получения матов. Как правило, применяют связующее с содержанием твердых частиц менее 20 вес.%, чтобы достигнуть потерь при прокаливании (ППП) 15-25 вес.% стекловолоконного мата. Значительные увеличения в весовом % содержании твердых частиц в связующем приводит к трудностям при регулировании массы мата и особенно ППП. Кроме того, более высокий весовой % твердых частиц в некоторых случаях может приводить к неоднородности покрытия мата. Таким образом, существует необходимость в новых связующих композициях, которые не имеют таких проблем с вязкостью. Эта и другие проблемы исследованы в настоящем применении.

Сущность изобретения

Описаны связующие композиции, содержащие соевый белок и углевод, которые позволяют решить существующую проблему вязкости для многих углеводсодержащих связующих композиций. Связующая композиция по настоящему изобретению также может включать один или более азотсодержащих поперечно-сшивающих агентов, которые полимеризуются при затвердевании в нерастворимое в воде связующее стекловолокна. Связующие композиции могут быть применены в качестве не содержащих формальдегид замещающих связующих для получения матов из стекловолокна, которые включены во множество продуктов, включая среди прочих материалов строительные материалы (например, армированные стекловолокном кровельные плиты; облицовочные изоляционные плиты, офисные разделительные стенки; подложки для полов и/или ковров и т.д.), разделители батарей и материалы для фильтрации воздуха, воды и масла.

Связующие, выполненные прежде всего или исключительно из соевого белка, часто имеют превосходящую общую прочность на растяжение, но прочность на растяжение в горячем/влажном виде меньше желаемой. Таким образом, стеклянные маты, выполненные из связующих композиций с соевым белком, хорошо функционируют в сухой окружающей среде, но функционируют хуже, чем другие маты в условиях высокой влажности/температуры. Наоборот, связующие композиции на основе углеводов, которые включают углеводы и азотсодержащий сшивающий агент, часто имеют превосходную сохранность в условиях высокой влажности/температуры (например, больше 90%). Соевый белок имеет много активных функциональных групп (например, -NH₂, -COOH), которые могут участвовать в сшивке углеводов с увеличением общей прочности на растяжение отвержденного связующего. Таким образом, комбинация соевого белка с основанными на углеводах связующими композициями может увеличивать общую прочность мата на растяжение без недопустимых уровней прочности на растяжение в условиях высокой влажности/температуры.

Количество соевого белка в связующем может колебаться от 0,5 вес.% до 75 вес.% связующей композиции (например, от 10 вес.% до 50 вес.%; от 15 вес.% до 35 вес.% и т.д. соевого белка в связующей композиции). Соевый белок, добавленный к связующей композиции на основе углеводов при этих уровнях концентрации, может увеличивать вязкость связующей композиции, особенно при низких скоростях сдвига. Например, углеводсодержащая связующая композиция без сои может иметь вязкость 1-2 сантипуаза (например, менее 3 сПз) по измерению на вискозиметре Брукфилда при скорости вращения шпинделя 60 оборотов в минуту и 20°C. Добавление соевого белка к связующей композиции может увеличивать ее вязкость, особенно при более низких скоростях сдвига (например, от 0,1 до 1 с^-1), в два, пять или даже десять раз. Соесодержащие связующие композиции также могут, по желанию, включать один или более сгущающих агентов (или загустителей) для того, чтобы дополнительно увеличить вязкость и/или получить повышенную вязкость при более высоких скоростях сдвига.

Когда вязкость связующей композиции является слишком низкой (например, менее 3 сантипуаза (сПз) по измерению на вискозиметре Брукфилда при скорости вращения шпинделя 60 оборотов в минуту и 20°C), жидкое связующее имеет тенденцию мигрировать слишком быстро к нижней стороне мата и оставляет верхнюю сторону без соответствующего связующего покрытия. Несоответствующее связующее покрытие на вершине может иметь многие вредные эффекты на конечный мат, включая сниженную силу слоистого пластика и общую прочность на растяжение.

Варианты осуществления настоящего изобретения включают соесодержащие связующие композиции, включающие углевод, азотсодержащее соединение и соевый белок.

Варианты осуществления настоящего изобретения могут дополнительно включать способ получения нетканого стекловолоконного мата. Способы могут включать стадию формирования водной дисперсии волокон. Дисперсию можно пропускать через матобразующее сито для получения влажного мата. Соесодержащая связующая композиция может быть применена к влажному мату, чтобы получить влажный мат, содержащий связующее, и влажный мат, содержащий связующее, может быть отвержден для получения нетканого стекловолоконного мата. Соесодержащая связующая композиция может включать углевод, азотсодержащее соединение и соевый белок.

Другие типовые способы получения нетканого стекловолоконного мата включают получение шлама стекловолокна путем добавления волокна к оборотной воде в измельчителе. Оборотная вода диспергирует волокно в шламе, который может иметь концентрацию волокон приблизительно 0,2-1,0 вес.%. Шлам может быть измерен в потоке оборотной воды, и измеренная смесь может осаждаться на двигающуюся проволочную сетку для удаления воды и получения влажного нетканого волокнистого мата. Влажный нетканый мат из стекловолокна затем может быть перенесен на вторую движущуюся сетку и подвержен стадии нанесения связующего до насыщения, в которой соесодержащая связующая композиция может быть применена к мату. За этим может следовать откачивание излишков связующего и высушивание несвязанного влажного мата и отверждение (полимеризация) связующего, которое связывает вместе волокна в мате.

Соесодержащая связующая композиция может быть применена многими способами, включая покрытие, наносимое наливом, погружение и отжим и распыление. Влажный мат может быть высушен и отвержден в сушильном шкафу при температуре вулканизации связующего (например, 250-500°F). Длительность сушки и длительность отверждения могут колебаться от секунд (например, 2-10 секунд) до минут (например, 1-5 минуты).

Альтернативные способы получения матов также могут быть применены, такие как цилиндрическое формирование и «сухое наслаивание» с прочесыванием или случайным распределением волокон. Аспекты этих способов описаны в патентах США номеров 4112174; 4681802 и 4810576, все содержание которых полностью включено в настоящее описание посредством ссылки в любых целях.

Варианты осуществления настоящего изобретения могут дополнительно включать маты из стекловолокна, содержащие стекловолокно и связующее. Связующее отверждает продукты соесодержащей связующей композиции, которая включает углевод, азотсодержащее соединение и соевый белок.

Дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения и особенности сформулированы частично в следующем далее описании и частично будут очевидны специалистам в области техники после изучения настоящего описания или могут быть изучены путем осуществления на практике настоящего изобретения. Особенности и преимущества настоящего изобретения могут быть поняты и достигнуты при помощи средств, комбинаций и способов, раскрытых в описании.

Краткое описание чертежей

Дополнительное понимание сущности и преимущества настоящего изобретения могут быть поняты из обращения к остальной части описания и чертежам, где для ссылок всюду применены одинаковые цифры на этих нескольких чертежах, чтобы ссылаться на схожие компоненты. В некоторых случаях с цифрой ссылки связана дополнительная ссылка, которая следует через дефис для обозначения одного из множества подобных компонентов. Когда ссылка дается на цифровую ссылку без указания на существующую дополнительную ссылку, предполагается, что она относится ко всему множеству таких подобных компонентов.

Фиг.1 показывает типовое поперечное сечение стекловолоконного мата согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

Фиг.2 показывает типовую систему для получения матов из стекловолокна согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

Фиг.3A показывает изображение растрового электронного микроскопа (РЭМ) верхнего слоя стекловолоконного мата, полученного со связующей композицией без сои или добавления сгущающего агента;

Фиг.3B показывает изображение растрового электронного микроскопа (РЭМ) нижнего слоя стекловолоконного мата, полученного со связующей композицией без сои или добавления сгущающего агента;

Фиг.4A показывает изображение растрового электронного микроскопа (РЭМ) верхнего слоя стекловолоконного мата, полученного со связующей композицией, содержащей 25 вес.% соевого белка;

Фиг.4B показывает изображение растрового электронного микроскопа (РЭМ) нижнего слоя стекловолоконного мата, полученного со связующей композицией, содержащей 25 вес.% соевого белка;

Фиг.5 показывает график зависимости вязкости от скорости сдвига для серии связующих, некоторые из которых содержат соевый белок; и

Фиг.6 показывает график зависимости прочности на растяжение для серии связующих, некоторые из которых содержат соевый белок.

Подробное описание настоящего изобретения

Описаны связующие композиции, содержащие соевый белок и углевод для применения в качестве адгезивных связующих композиций для продуктов стекловолоконного мата. Эти содержащие соевый белок и углевод связующие композиции могут обладать более медленным перемещением жидкой связующей композиции в нижнюю часть стекловолоконного мата при применении, например, способа нанесения связующего лаконаливочной машиной в виде стекающей пленки. Это позволяет создавать более контролируемое распределение связующей композиции по всей толщине мата. Показано, что более однородное распределение связующего в итоговом продукте из волоконного мата улучшает множество свойств мата, включая среди прочих свойств прочность на растяжение и прочность на разрыв как в направлении обработки, так и направлении, поперечном направлению обработки, и прочность на расслаивание.

Типовые связующие композиции и их реологические свойства

Соесодержащие связующие композиции по настоящему изобретению могут включать один или более типов углевода, азотсодержащих соединений и соевый белок среди прочих компонентов связующего. Они также могут, по желанию, включать один или более сгущающих агентов, как правило, в количестве до 1% по массе, таких как модифицированные целлюлозы и полисахариды. Когда связующие композиции отверждены, углеводы и азотсодержащие соединения образуют поперечносшитый полимер, который в некоторых случаях указан как продукт полимеризации реакции Майяра. Соевые белки также могут сшиваться с углеводами (так же, как сами с собой), дополнительно увеличивая общую прочность на растяжение отвержденного соединения (например, стекловолоконный мат).

Соевый белок может включать среди прочих форм соевого белка один или более соевых порошков, концентрат соевого белка, изолят соевого белка и/или соевый полимер. Соевый порошок может быть получен путем размола сои в порошок. Соевый порошок может сохранять естественные масла и другие соединения сои или может быть обезжиренным для получения порошка с более высоким содержанием белка (например, больше чем 50 вес.%). Концентрат соевого белка и изолят являются значительно более концентрированными формами соевого белка, при этом концентрат, как правило, содержит 70 вес.% соевого белка, и изолят, как правило, содержит 90 вес.% или более соевого белка. Соевые полимеры могут быть получены из химически модифицированных соевых белков, содержащих фрагменты, которые способствуют полимеризации белков.

Соевый белок может быть денатурирован или модифицирован для разворачивания молекулы белка в дисперсии. После разворачивания функциональность молекул белка (например, карбоксил, гидроксил, амин) открываются и могут активно реагировать с другими ингредиентами связующего с образованием поперечных связей. Примеры способов денатурации и модификации белка могут включать термическую обработку, обработку среди прочих материалов хаотропным агентом (например, мочевиной, хлоридом гуанидиния, перхлоратом лития и т.д.), кислотами, основаниями, солями металлов, спиртами, детергентами, тиолами и сульфитами.

Относительное количество соевого белка, добавляемого к связующей композиции, может изменяться в зависимости от целевой вязкости и других компонентов связующего. Типовые концентрации соевого белка могут колебаться от 0,5 вес.% до 75 вес.% связующей композиции. Дополнительные типовые диапазоны концентрации могут включать от 20 вес.% до 50 вес.%.

Дополнительные сгущающие агенты, как правило, такие сгущающие агенты присутствуют в количестве до 1% по массе, могут быть полимерными материалами и могут быть частично или полностью растворимыми в воде. Их выбирают так, чтобы дополнительно усилить реологические свойства связующей композиции (например, увеличить вязкость и поверхностное натяжение композиции), существенно не изменяя способность композиции затвердевать в адгезивное связующее для волокон субстрата. Типовые сгущающие агенты могут включать полисахариды, такие как ксантановая смола, гуаровая камедь, модифицированные крахмалы и т.п.; нейтрализованную полиакриловую кислоту, такую как полиакрилат натрия, модифицированные целлюлозы, такие как гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ), карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), так же как их растворимые соли, полиакриламиды и поливиниловые спирты. Типовые сгущающие агенты могут иметь среднюю молекулярную массу, как правило, от 100000 до 2000000 г/моль (например, 200000-1000000 г/моль). Сгущающий агент (или агенты), как правило, добавляют к связующей композиции до ее отложения на волоконном субстрате или альтернативно, он может быть добавлен к волоконному субстрату отдельно и приблизительно одновременно с другими компонентами связующей композиции.

Концентрация сгущающего агента в связующей композиции может зависеть, по меньшей мере, частично от концентрации соевого белка. Соесодержащие связующие композиции могут быть водными смесями или растворами, и их вязкости зависят частично от того, насколько их полимерные предшественники были разбавлены водой. Например, некоторые концентрированные связующие композиции (например, концентрации твердых частиц 45-70 вес.% или более) могут иметь вязкость в сотни сантипуаз при комнатной температуре. Концентрированные смолы, как правило, разбавляют водой до концентрации твердых частиц, например, 10-30 вес.% твердых частиц (например, 10-20 вес.% твердых частиц), снижая вязкость связующей композиции до менее 3 сПз при комнатной температуре. Другие связующие композиции могут иметь функциональные вязкости при высоких концентрациях (например, 20 сПз при концентрации твердых частиц 50 вес.%), но их следует разбавлять, чтобы удовлетворить таким параметрам, как ППП, масса и проблемы однородности для применяемой связующей композиции.

Связующие композиции могут также содержать поверхностно-активное вещество, которое обеспечивает более точное регулирование поверхностного натяжения композиции. Поверхностно-активное вещество может быть добавлено в таком количестве, чтобы достичь поверхностного натяжения связующей композиции в 35-50 мН/м (например, 38-48 мН/м, 40-47 мН/м и т.д.). Эти поверхностно-активные вещества могут включать катионные, анионные и/или неионогенные поверхностно-активные вещества.

Связующие составы соесодержащих связующих композиций могут включать один или более типов углеводов и азотсодержащих соединений. Азотсодержащие соединения могут действовать как сшивающие агенты для углеводов в отвержденном связующем. Углеводы, применяемые в связующих композициях, могут включать редуцирующие сахара, которые содержат по меньшей мере одну группу альдегида или способны к образованию группы альдегида путем изомеризации. Типовые редуцирующие сахара среди прочих могут включать глюкозу (декстрозу), фруктозу, глицеральдегид, галактозу, аллозу, ксилозу, рибозу, мальтозу, целлобиозу и лактозу.

Азотсодержащие соединения могут включать множество соединений, которые могут отличать класс связующих композиций. В одном классе композиций связующего применяют амино-амид в качестве азотсодержащего соединения, которое является продуктом реакции амина с насыщенным или ненасыщенным реагентом. Другой класс композиций связующего содержит в качестве азотсодержащего соединения продукт реакции соединения мочевины и альдегидсодержащего соединения. Каждый из этих классов азотсодержащих соединений описан боле подробно ниже.

1. Углеводные/амино-амидные связующие композиции

Азотсодержащие соединения могут включать амины, способные к сопряженному присоединению насыщенного или ненасыщенного реагента с образованием амино-амида. Затем амино-амид реагирует во время затвердевания с углеводом с образованием полиимида. Продукты присоединения амино-амида могут быть получены путем смешивания амина и насыщенного или ненасыщенного реагента в водной среде при комнатной температуре. Получаемые продукты присоединения являются как растворимыми в воде, так и диспергируемыми в воде, или присутствуют в виде эмульсии. В некоторых связующих композициях образование амино-амида в реакции предшественника амина с насыщенным или ненасыщенным реагентом может произойти до введения углевода, в то время как в других композициях смешивают все три предшественника (т.е. амин, насыщенный или ненасыщенный реагент, и углевод) до образования амино-амида.

Каждый амин может содержать две или более групп первичного и/или вторичного амина для реакции и поперечного сшивания с двумя или более молекулами углевода. Амины могут включать алифатические, циклоалифатические и ароматические амины. Они могут быть линейными или разветвленными и могут содержать дополнительную функциональную группу и связи, такие как, среди прочих, спирты, тиолы, сложные эфиры, амиды, кислоты и простые эфиры. Типовые амины могут включать 1,2-диэтиламин, 1,3-пропандиамин, 1,4-бутандиамин, 1,5-пентандиамин, 1,6-гександиамин, α,α'-диаминоксилен, диэтилентриамин, триэтилентетрамин, тетраэтиленпентамин, так же как комбинации двух или более из этих аминов. Натуральные и синтетические аминокислоты, такие как лизин, аргинин, гистидин и т.д., также могут быть применены.

Отвержденный амино-амид образуется из выбранного ненасыщенного или насыщенного реагента, который представляет собой ангидрид, карбоновую кислоту, сложный эфир и соли и смеси таких реагентов. Эти ненасыщенные реагенты могут включать малеиновую кислоту, фумаровую кислоту, малеиновый ангидрид, моно- и диэфиры малеиновой кислоты и фумаровой кислоты и их соли и смеси. Соли аммония ненасыщенных кислот их моноэфиров могут быть удобным образом применены. Насыщенные реагенты могут включать, без ограничения, янтарный ангидрид, янтарную кислоту, моно- и диэфиры янтарной кислоты, глутаровую кислоту и ангидрид, фталевую кислоту и ангидрид, тетрагидрофталевую кислоту и ангидрид, моно- и диэфиры ангидридов кислот и соли их кислот и их сложные моноэфиры.

В некоторых композициях продукт амино-амида может быть олигомеризован перед реакцией с углеводом. Этой олигомеризации может способствовать нагревание раствора амино-амида до димеризации, тримеризации, тетрамеризации и т.д. амино-амида в амино-амидный олигомер. Условия нагревания могут включать повышение температуры амино-амидного раствора, например, со 120°C до 150°C на время до 5 часов. В некоторых случаях олигомеризованный амино-амидный продукт образует более прочный, более жесткий отвержденный связывающий продукт, чем амино-амидный мономер.

Затем во время стадии затвердевания связующего большая часть углевода реагирует с промежуточным соединением амино-амида, которое содержит амидокислотную функциональную группу (т.е. амидную связь рядом с карбоновой кислотой). Функциональная группа амидокислоты, как правило, является более реактивной, чем просто карбоновая кислота. Количество добавленного углевода, в целом, таково, что мольное соотношение карбоновой кислоты в амино-амиде к карбонилу или кетону в углеводе составляет от 1:5 до 50:1, например соотношение от 1:20 до 20:1 или соотношение от 1:10 до 10:1. Дополнительные детали об углеводной/амино-амидной связующей композиции приведены в патентной заявке США № 12/539263, принадлежащей Shooshtari и др., зарегистрированной 11 августа 2009 г., с названием «Curable Fiberglass Binder», все содержание которой включено полностью в настоящее описание посредством ссылки.

2. Связующие композиции с углеводом/производным соединением мочевины

Азотсодержащие соединения могут включать производные соединения мочевины, являющиеся продуктами реакции мочевины (т.е. H₂N-CO-NH₂) и/или замещенных мочевин с диформальдегидными соединениями, такими как глиоксаль. Один определенный класс этих производных соединений мочевины включает имидазолидиновые соединения, такие как 4,5-дигидроксиимидазолидин-2-он, который имеет химическую структуру:

Более конкретно, соединение мочевины может быть замещенной или незамещенной мочевиной по формуле:

где R₁, R₂, R₃ и R₄ независимо выбраны из водородного фрагмента (H), алкильной группы, ароматического радикала, спиртовой группы, альдегидной группы, кетоновой группы, карбоксильной группы и алкоксильной группы. Типовые алкильные группы включают углеводороды с прямой, разветвленной или циклической цепью различной длины (например, C₁-C₁₂, C₁-C₈, C₁-C₄ и т.д.). Типовые ароматические (т.е. арильные) группы включают замещенные или незамещенные фенильные фрагменты среди прочих ароматических фрагментов. Типовые спиртовые группы включают -ROH, где R может быть замещенным или незамещенным, насыщенным или ненасыщенным, разветвленным или неразветвленным, циклическим или алифатическим, органическим фрагментом. Например, R может представлять собой -(CH₂)_n-, где n может составлять 1-12. Типовые спирты могут также включать полиолы, содержащие две или более гидроксильных групп (-OH) в спиртовой группе. Типовые альдегидные группы включают -RC(=O)H, где R может представлять собой одновалентную функциональную группу (например, одинарная связь) или замещенный или незамещенный, насыщенный или ненасыщенный, разветвленный или неразветвленный, циклический или алифатический, органический фрагмент, такой как-(CH₂)_n-, где n может составлять 1-12. Типовые кетоновые группы могут включать -RC(=O)R', где R и R' могут представлять собой множество разных углеродсодержащих фрагментов. Типовые карбоксильные группы могут включать -R-COOH, где R может представлять собой одновалентную функциональную группу, такую как группа с одинарной связью или множество различных углеродсодержащих фрагментов. Типовые алкоксильные группы включают -OR_x, где R_x является алкильной группой.

Альдегидсодержащее соединение может содержать одну или более функциональных альдегидных групп. Типовые альдегидсодержащие соединения включают, среди прочего, уксусный альдегид, пропанальдегид, масляный альдегид, акролеин, фурфурол, глиоксаль, глутеральдегид и полифурфурол. Типовые альдегидсодержащие соединения также могут включать замещенные соединения глиоксаля по формуле:

где R₅ и R₆ могут представлять собой независимо друг от друга, среди прочих групп, водородный атом (H), алкильную группу, ароматический радикал, спиртовую группу, альдегидную группу, кетоновую группу, карбоксильную группу и алкоксильную группу.

Продукты реакции соединения мочевины и альдегидсодержащего соединения могут включать имидазолидиновое соединение по формуле:

где R₇, R₈, R₉ и R₁₀ независимо друг от друга представляют собой -H, -OH, -NH₂, алкильную группу, ароматический радикал, спиртовую группу, альдегидную группу, кетоновую группу, карбоксильную группу и алкоксильную группу. В одном конкретном примере реакции между мочевиной и глиоксалем продукт реакции может представлять собой 4,5-дигидроксиимидазолидин-2-он.

Связующие композиции с углеводом/производным соединением мочевины могут также включать один или более катализаторов для увеличения скорости реакции поперечного сшивания между углеводами и сшивающими агентами при подвергании композиции воздействию условий отверждения. Типовые катализаторы могут включать щелочные катализаторы и кислотные катализаторы. Кислотные катализаторы могут включать среди прочих типов кислотных катализаторов кислоты Льюиса (включая апротонные кислоты и соли металлов), так же как протонсодержащие кислоты. Катализаторы Фриделя-Крафта могут включать соль депротонированного аниона, такую как комбинации сульфат, сульфит, нитрат, нитрит, фосфат, галид или оксигалид-аниона с одним или более металлических катионов, таких как алюминий, цинк, железо, медь, магний, олово, цирконий и титан. Типовые катализаторы Фриделя-Крафта среди прочих включают сульфат алюминия, сульфат железа, хлорид алюминия, хлорид железа, фосфат алюминия, фосфат железа и гипофосфит натрия (SHP). Типовые апротонные кислоты включают кислые соли, такие как сульфат аммония, гидросульфат аммония, одно- и двухосновный фосфат аммония, хлорид аммония и нитрат аммония, среди прочих апротонных кислотных катализаторов. Типовые соли металлов могут включать среди прочих типов солей металлов органо-титанаты и органо-цирконаты (такие, как коммерческие выпускаемые под товарным знаком Tyzor® DuPont), органо-оловянные и органо-алюминиевые соли. Типовые протонсодержащие кислоты включают среди прочих протонсодержащих кислот серную кислоту, фосфорную кислоту, соляную кислоту, азотную кислоту, соединения сульфокислоты (т.е. R-S(=O)₂-OH), такие как п-толуолсульфоновая кислота и метансульфоновая кислота и карбоновые кислоты. Композиции катализатора также могут включать комбинации двух или более катализаторов, например комбинацию сульфата аммония и фосфата диаммония.

pH связующих композиций по настоящему изобретению может изменяться в зависимости от типов и относительных концентраций применяемых компонентов. Как правило, pH связующих композиций по настоящему изобретению является немного кислым до щелочного с диапазоном pH приблизительно 6-8 (например, от 6,5 до 7,5). Связующие композиции имеют pH, который вызывает относительно небольшую или вообще не вызывает кислотную коррозию металлического промышленного оборудования.

Продукт реакции производного соединения мочевины азотсодержащее соединение действует как сшивающий агент для углевода. Во время стадии затвердевания производное соединение мочевины может связываться с двумя или более углеводами (как полимеризованными, так и неполимеризованными), образуя поперечносшитый, полимерный отвержденный связывающий агент.

Мольное соотношение (1) продукта реакции поперечного сшивания между соединением мочевины и альдегидсодержащим соединением к (2) углеводу, в целом, варьирует от 1:2 до 1:50. Типовые соотношения сшивающего агента к углеводу включают диапазон от 1:4 до 1:10. Дополнительные подробности о связующих композициях на основе углевода/производного соединения мочевины описаны в патентной заявке США № 13/490638, выданной Shooshtari и др., зарегистрированной 7 июня 2012 г., с названием «Formaldehyde-Free Binder Compositions with Urea-Formaldehyde Reaction Products», все содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки в любых целях.

3. Связующие композиции на основе углевода/азотсодержащей соли

i. Соли минеральных кислот с аминами

В дополнительных углеводных связующих композициях азотсодержащие соединения могут включать азотсодержащую соль. Например, азотсодержащее соединение может включать солевой продукт комбинации неорганической кислоты и амина (например, соль амин-кислота). Типовые неорганические кислоты могут включать среди прочих фосфорсодержащую кислоту, такую как фосфорная кислота, пирофосфорная кислота, фосфористая кислота и фосфин. Типовые минеральные кислоты могут также включать среди прочих обогащенные кислородом минеральные кислоты, такие как серная кислота, сернистая кислота, азотная кислота, борная кислота, хлорноватистая кислота, хлорноватая кислота. Они могут также включать среди прочих необогащенные кислородом минеральные кислоты, такие как соляная кислота и сероводородная.

Типовые амины могут включать полиамины (например, диамины, триамины и т.д.), содержащие по меньшей мере одну первичную аминогруппу. Например, амины могут включать этилендиамин, 1,3-пропандиамин, 1,4-бутандиамин, 1,5-пентандиамин, 1,6-гександиамин, α,α'-диаминоксилен, диэтилентриамин, триэтилентетрамин, тетраэтиленпентамин, так же как комбинации двух или более из этих аминов.

Когда соль амин-кислота реагирует с углеводом в условиях затвердевания связующего, образуется связка. Типовые связующие системы включают комбинацию соли амин-кислота 1,6-гександиамина и фосфорной кислоты с углеводом декстрозой (HPD), комбинация соли амин-кислота образуется из комбинации этилендиамина и фосфорной кислоты с декстрозой (EPD). Дополнительные подробности об этой соли амин-кислота и связующей углеводной композиции описаны в патентной заявке США № 12/539211, зарегистрированной 11 августа 2009 г., выданной Shooshtari, все содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки в любых целях.

ii. Соли минеральных кислот с аминами и органическими соединениями

Некоторые связующие композиции на основе углевода/соли амин-кислота дополнительно включают некоторую комбинацию органической кислоты, органического ангидрида и/или алканоламина, как правило, в количестве до 25 вес.%. Типовые органические кислоты могут включать многоосновную карбоновую кислоту, такую как лимонная кислота и/или малеиновая кислота. Типовые органические ангидриды могут включать малеиновый ангидрид, фталевый ангидрид, метилфталевый ангидрид, глутаровый ангидрид, тетрагидрофталевый ангидрид, пергидрофталевый ангидрид, итаконовый ангидрид, янтарный ангидрид и тримеллитовый ангидрид, среди прочих ангидридов.

Типовые алканоламины могут иметь формулу:

где R₁, R₂ и R₃ независимо выбраны из водорода, алкильной группы C_1-10, ароматического радикала и C_1-10 гидроксиалкильной группы, в которой по меньшей мере один из R₁, R₂, и R₃ представляет собой гидроксиалкильную группу.

Определенные примеры алканоламинов могут включать среди прочих метаноламины, такие как моно-, ди- и триметаноламин; этаноламины, такие как моноэтаноламин (MEA), диэтаноламин (DEA) и триэтаноламин (TEA); изопропаноламины, такие как моно-, ди- и триизопропаноламин; метилдиэтаноламин; этилдиэтаноламин; пропилдиэтаноламин; изопропилдиэтаноламин и N-бутилдиэтаноламин.

Типовые соесодержащие связующие композиции могут включать комбинацию углевода, соли амин-кислота и органической кислоты. Они включают связующие композиции декстрозы, этилендиаминфосфата и лимонной или малеиновой кислоты. Дополнительные подробности об этих связующих композициях на основе углевода/соли амин-кислота/органической кислоты описаны в патентной заявке США № 13/478765, зарегистрированной 23 мая 2012 г., выданной Shooshtari и др., все содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки в любых целях.

Типовые соесодержащие связующие композиции могут также включать комбинацию углевода, соли амин-кислота, органического ангидрида и алканоламина. Это включает связующие композиции продуктов реакции моноэтаноламина («E») и малеинового ангидрида («M»), объединенных с этилендиаминфосфатом («EP») и декстрозой («D») для получения связующих композиций, обозначаемых EMEPD. Во все еще других типовых связующих композициях соль амин-кислота может быть удалена. Это включает композиции продуктов реакции моноэтаноламина («E») и малеинового ангидрида («M») с углеводом декстрозой для получения связующих композиций, обозначаемых EMD. Дополнительные подробности об этих связующих композициях на основе углевода/соли амин-кислота/ангидрид-алканоламина описаны в патентной заявке США № 13/559769, зарегистрированной 27 июля 2012 г., выданной Shooshtari и др., все содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки в любых целях.

Типовые связующие композиции могут включать дополнительные соединения, объ