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Verfahren zur Herstellung von wässerigen Dispersionen, insbesondere Leimungsmitteln für Papier,
Gewebe und ähnliche Faserstoffe.
Die Erfindung betrifft wässerige Kolloide, insbesondere Papierleimungsmittel, und Verfahren zu deren Herstellung sowie Verwendung.
Bekanntlich beruht das Prinzip der Leimung auf der Aufhebung der kapillaren Saugfähigkeit der Faser und des Fasergefüges durch Einlagerung wasserunlöslicher, wasserabstossender Stoffe, besonders des Kolophoniums.
Praktisch wird die Leimung in der Weise durchgeführt, dass man dem im sogenannten Holländer aufgeschlossenen Faserbrei eine Seifenlösung, die durch Kochen von Kolophonium mit Alkalien erhalten wird, beimischt, und durch Zugabe von Tonerdersulfat die Ausscheidung von Harz bzw. Harzresinat bewirkt. Wird die so behandelte Fasermasse dann auf Papier oder Pappe verarbeitet, so ist das Fabrikat mit Tinte beschreibbar, während ungeleimte Stoffe, wie z. B. Filtrierpapier, begierig Feuchtigkeit aufsaugen, also nicht beschreibbar sind. Die beschriebene Arbeitsweise nennt man "Leimung im Stoff", während man die Behandlung des fertigen Blattes mit tierischen und pflanzlichen Leimen als Oberflächenleimung bezeichnet.
Die seit über 100 Jahren in der Papierindustrie gebräuchliche Stoffleimung hat sich im Laufe der Jahre wenig geändert. Der Hauptfortschritt der Harzleimung wurde durch Wurster erzielt, welcher entdeckte, dass ein Harzleim um so intensiver leimende Wirkung ausÜbt, je weniger Alkali zur Verseifung des Harzes verwendet wurde, d. h. je mehr unverseiftes Harz im Leim vorhanden ist. Die von Wurster aufgestellte sogenannte Freiharztheorie ist noch heute in Fachkreisen in voller Anerkennung.
Bei einer mittleren Verseifungszahl des Kolophoniums von rund 165 werden zur vollen Verseifung rund 16% Soda, gerechnet als NazCOs, verbraucht. Man erhält aber bereits mit 10% Soda wasserlösliche saure Seifen, die demnach einen Freiharzgehalt von etwa 40% haben. Versucht man, mit dem Alkali unter 10% Soda herunter zu gehen, so erhält man schwer-bis unlösliche Seifen. Man hat aber versucht, den Freiharzgehalt auf anderem Wege zu erhöhen und sind diesbezüglich die mittels der Kolloidmühle erhaltenen Harzkolloide als die letzten Konsequenzen der Freiharztheorie anzusprechen.
Tatsächlich zeigten solche Kolloide ganz ausserordentlich günstige Leimungen, jedoch hat sich die Kolloidmühle in der Praxis nicht eingeführt, da sie bei zu kleinen Leistungen zu viel Kraft verbraucht und zu schnell verschleiss.
Neben dem Kolophonium sind auch verschiedene andere Stoffe zur Leimung herangezogen worden, die aber alle nur spezielle Bedeutung gewonnen haben. Es sind in erster Linie die verschiedenen Wachsarten, die sich ebenso wie Kolophonium durch Verseifung in lösliche Form bringen lassen. Hieher gehören auch die Fettstoffe, die sich durch Seifen emulgieren lassen.
Es ist auch bekannt, den verschiedenen Papierleimen gewisse Kolloide, wie Wasserglas, Stärke, tierische oder Pflanzenleime zur Stabilisierung der Seifenkolloide zuzusetzen.
Nach dem neuen Verfahren gemäss der Erfindung zur Herstellung wässeriger Kolloide erhält man unter anderm auch feindisperse Systeme des Kolophoniums, welcher Stoff ja wegen seiner Billigkeit stets das hauptsächlich verwendete Leimungsmittel bleiben wird. Diese Harzdispersionen kommen einem Harzleim mit 100% Freiharz weitgehend nahe. Das Verfahren beruht auf einer Mahlung des Rohstoffes innerhalb des Temperaturintervalles zwischen Tropfpunkt und Erstarrungspunkt in Gegenwart alkalischer Lösungen von bekannten Schutzkolloiden, wie z. B. Eiweiss, Kasein u. dgl. Die kurze und intensive mechanische Mahlung erfolgt in einer geeigneten Vorrichtung, beispielsweise in einem Rührwerkskessel, dessen Rührer etwa 100-300 Umdrehungen pro Minute ausführt.
Typisch für das Verfahren ist seine allgemeine Anwendbarkeit, so dass man bei der Papierleimung nicht nur auf das Kolophonium angewiesen ist, sondern alle Stoffe verwenden kann, die nach ihren physikalischen Eigenschaften zur Leimung geeignet erscheinen, wie andere Harze, Wachse, Kohlenwasserstoffe vom Typus der Paraffine, Bitumina und Destillationsrückstände, sowie auch Kunstharze und ähnliches. Voraussetzung für die Brauchbarkeit der Stoffe ist jedoch, dass sie in praktisch erreichbaren Temperaturintervallen eine Phase hoher Viskosität aufweisen, also keinen scharfen Schmelzpunkt, sondern eine mehr oder weniger bedeutende Differenz zwischen Tropfpunkt und Erstarrungspunkt aufweisen.
Vorteilhaft lässt man während des Mahlvorganges die Temperatur mit fortschreitendem Effekt sinken und gibt weitere Mengen Wasser zu, in welchem gegebenenfalls weitere geringe Mengen von Schutzkolloiden enthalten sind. Ferner kann man der Grundmasse Schmelzpunkt erniedrigende oder erhöhende Stoffe zufügen, welche die erforderliche Konsistenz in günstigere Temperaturgrenzen verlegen.
Die praktische Durchführung des Verfahrens ist etwa folgende : In die geschmolzene zu kolloidalisierende Masse wird unter starker mechanischer Bearbeitung die alkalische Lösung des Schutzkolloides eingegossen. Die Temperaturen beider Komponenten sind
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so zu wählen, dass das Mischprodukt eine Temperatur innerhalb des im Vorabsatz gekennzeichneten Intervalles einnimmt. Nach kurzer Bearbeitung erfolgt die Zugabe von Wasser, welche willig aufgenommen wird.
Die benötigten Mengen an Schutzkolloid sind sehr gering, z. B. 1-3. Der Wassergehalt der Dispersion kann in beliebigen Grenzen gehalten werden.
Die beschriebenen Kolloide eignen sich vorzÜglich zu Imprägnierungen und Oberflächenbehandlungen. Man stellt sich eine verdünnte Lösung des Kolloides her und taucht den Gegenstand, der imprägniert werden soll, hinein und lässt ihn trocknen. Nach dem völligen Eintrocknen, besser noch nach kurzem Erwärmen wird das Kolloid völlig unlöslich in Wasser. Eine Nachbehandlung in einem Fällungsbad ist nicht erforderlich. Um z. B. eine kontinuierliche Stoff-oder Papierbahn zu imprägnieren, lässt man sie durch die Lösung des Kolloides laufen, darauf durch Auspresswalze und dann über die Trockenzylinder. Auch Aufspritzen des Kolloides auf die Bahn hat sich bewährt.
In weiterer Ausbildung des Verfahrens und unter Berücksichtigung der Verwendung zur Leimung im Stoff verfährt man bei Kolophonium zweckmässig in der Weise, dass man das geschmolzene Harz auf 80-900 C abkühlt und in einem stark schlagenden Rühr-oder Knetwerk von z. B. 100-300 Umdrehungen mit 1-3% alkalischer Kaseinlosung mahlt. Nach kurzer Mahldauer erhält man ein schwach gelblich bis weisses Produkt, das sich selbst in konzentriertem Zustand leicht in Wasser auflöst zu einer Leimmilch, welche direkt zur Papierleimung verwendet wird. Da sie nur minimale Mengen Alkali enthält, sind zur Koagulation nur ganz geringe Mengen Alaun nötig. Die Koagulation ist derart feinflockig, dass man sie mit blossem Auge kaum gewahrt, und scheint hierauf ihre Ergiebigkeit beim Leimen mitbegründet zu sein.
Gegen Wasserhärte und Säure sind diese Dispersionen äusserst widerstandsfähig.
Damit fällt einer der unangenehmsten störenden Faktoren beim Leimen fort. Da die nach dem neuen Verfahren erhaltenen Dispersionen auch konzentriert kalt löslich sind, fällt die Notwendigkeit der vorangehenden Auflösung zu einer dünnen Leimmilch fort, sie sind stets holländerfertig.
Die ganzen Leimungsvorgänge werden somit einfacher und wirtschaftlicher, alle Leimungsschwankungen sind behoben, Leimungsschwierigkeiten, die meistens durch ungünstige Wasserverhältnisse bedingt sind, sind ausgeschaltet.
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dispergierenden Stoffe mit sogenannten Fettfarben färben kann, welche dann mit dispergiert werden.
Ein mit derartig gefärbten Stoffen geleimtes Papier enthält den Farbstoff in wasserunlöslicher Form, so dass die Färbung unauswaschbar ist.
Beispiel l : Kolloidale Lösung von reinem Kolophonium und Leimung mittels dieser Lösung :
In einem Intensivrrthrwerk von 300 Umdrehungen mit stark schlagenden Flügeln werden 98 kg Fiehtenharz geschmolzen bzw. geschmolzen eingefüllt. Unter Rühren werden nun kleine Portionen Wasser zugegeben, um die Masse unter 1000 abzukühlen. Diesem Wasser kann man geringe Mengen Alkali zusetzen, wodurch die Masse konsistenter wird, was für die spätere Mahlung vorteilhaft, jedoch nicht unbedingt nötig ist. Weitere Abkühlung der Masse auf 80--90'erreicht man durch Zugabe von
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vorbereitet, so wird das Rührwerk auf Volltour gestellt und erfolgt nun die Zugabe von 2 kg Kasein, gelöst in 25 l heissem Wasser und etwa 200 g Ätznatron.
In wenigen Minuten ist die Schmelze fertig zur Verdünnung und zeigt ein gelbliches bis weisses, untransparentes Aussehen. Nach einer Rührzeit von 5 bis 15 Minuten wird nun allmählich kaltes Wasser zugegeben. Bei einem Wassergehalt von etwa 50% bleibt die Masse auch in der Kälte flüssig und wird nun direkt in den Holländer gegeben und mit Alaun
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Leimung erzielt.
Durch die beim Leimungsvorgang in das Papier gelangenden Mengen Leimstoff erzielt man ausser der Leimung selbst aber noch besondere Eigenschaften des Papiers. Leimstoffe beeinflussen die Festigkeit, Klang, Aussehen, Falzzahl, Oberflächenausbildung, Griff usw. Alle diese Eigenschaften verändern sich, sobald man das Harz durch andere Stoffe ersetzt. Man hat nun nach vorliegender Erfindung die Wahl des Leimmittels durchaus in der Hand und kann bestimmte Eigenschaften des Papiers hiedurch in
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und ähnliche Hartharze dem Papier hohe Härte und hellen Klang. Dagegen geben Wachse und Paraffine weichen Griff und dumpfen Klang usw.
Beispiel 2 : Kolloidale Lösung von Kolophonium und Kopal und Leimung mittels dieser Lösung :
Der Kopal, dessen Zusatzmenge weitgehend variierbar ist, wird für sich geschmolzen, bis sieh das Fiehtenharz darin auflösen lässt. Zweckmässig nehme man nicht mehr Kopal, als eine durch ein Metalltuch filtrierbare Schmelze ergibt. 30% Kopal und 70% Kolophonium erfüllen diese Bedingung.
Die so bereitete Schmelze wird nach Beispiel 1 dispergiert. Entsprechend dem durch den Kopalzusatz erhöhten Schmelzpunkt der Mischung wird die Temperatur höher gehalten. Bereits ein Zusatz von 10% Kopal zum Fichtenharz gibt dem Papier eine deutliche Zunahme an Klang und lassen einseitige Glätte besser ausfallen.
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Beispiel 3 : Kolloidale Lösung von Kolophonium und Paraffin und Leimung mittels dieser Lösung :
85 kg Kolophonium und 15 kg Paraffin werden geschmolzen und nach Beispiel 1 dispergiert.
Entsprechend dem durch den Paraffinzusatz bedingten niedrigeren Schmelzpunkt wird die Reaktiontemperatur niedriger gehalten. Ein mit diesem Ansatz geleimtes Papier fällt besonders weich und ge-
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Beispiel 4 : Kolloidale Lösung von Kopal, Schellack und Firnis und Leimung mittels dieser Lösung :
60 kg Kopal werden für sich geschmolzen und dann mit 20 leg Schellack und 20 kg Leinölfirnis verflüssigt und filtriert. Diese Schmelze wird nach Beispiel 1 dispergiert. Ein mit diesem Ansatz geleimtes Papier zeigt höchste Härte und Elastizität und Steife, erhöhte Falzzahl.
Beispiel 5 : Kolloidale Lösung von gefärbtem Harz und Leimung mittels dieser Lösung :
In 60 kg geschmolzenes Kolophonium werden 10 kg Stearin und 30 kg basische Anilinfarbstoffe eingerührt. Durch den Farbstoff zusatz tritt beträchtliche Erhöhung der Konsistenz ein, die gegebenenfalls durch Zugabe von Paraffin etwas auszugleichen ist. Die farbige Schmelze wird nach Beispiel 1 dispergiert.
Da die Mischung mehr leimende Substanz als Farbstoffe enthält, werden die Stoffe bei intensiverer Ausfärbung meistens stark übergeleimt ausfallen. Die Ausfärbungen sind aber völlig wasserecht und selbst in heissem Wasser nicht abfärbend.
Beispiel 6 : Kolloidale Lösung von Kolophonium, Kopal, Schellack und Paraffin und Ober- flächenleimung mittels dieser :
Eine Mischung von 6 Teilen Kolophonium, 2 Teilen Kopal, 1 Teil Schellack und 1 Teil Paraffin wird nach vorstehenden Beispielen dispergiert und auf eine 3-5%ige Leimmilch verdÜnnt. Diese stellt direkt ein Oberflächenbad dar, kann aber auch mit tierischen und pflanzlichen Leimen gemischt zur Oberflächenleimung in bekannter Weise angewandt werden. Je nach der Menge, die auf die Oberfläche gebracht wird, erhält man schreibfeste bis wasserdichte Erzeugnisse.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von wässerigen Dispersionen, insbesondere Leimungsmitteln für Papier, Gewebe und ähnliche Faserstoffe, unter Anwendung von Schutzkolloiden als Dispergierungmittel, dadurch gekennzeichnet, dass man Stoffe wie natürliche oder künstliche Harze, Wachse, Paraffine, Bitumina, Destillationsrückstände, beispielsweise Erdöl-Montan-Stearinpeche usw., Fette od. dgl., welche innerhalb der anwendbaren Temperaturgrenzen verhältnismässig lange in dickflüssigem Zustande erhalten werden können, für sich oder in Mischung, vorzugsweise mit Kolophonium, einer Mahlung in Gegenwart von wässerigen Lösungen eines Schutzkolloides, z. B. Kasein, Eiweiss od. dgl., in einem Temperaturintervall zwischen Tropfpunkt und Erstarrungspunkt unterwirft.