DE1223247C2 - Verwendung von wasserloeslichen Copolymerisaten zur Papierleimung - Google Patents

Verwendung von wasserloeslichen Copolymerisaten zur Papierleimung

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DE1223247C2 DE1962B0069125 DEB0069125A DE1223247C2 DE 1223247 C2 DE1223247 C2 DE 1223247C2 DE 1962B0069125 DE1962B0069125 DE 1962B0069125 DE B0069125 A DEB0069125 A DE B0069125A DE 1223247 C2 DE1223247 C2 DE 1223247C2
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Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von wasserlöslichen Copolymerisaten aus Verbindungen vom Typ des Imidazols, die am Stickstoffatom eine äthylenisch ungesättigte polymerisierbare Gruppe tragen, und anderen äthylenisch ungesättigten Verbindungen zum Leimen von Papier.
Aus den belgischen Patentschriften 597628, 599540, 610467 ist es bekannt, Dispersionen von Copolymerisaten aus in Wasser schwerlöslichen äthylenisch ungesättigten Verbindungen und C-vinyl- oder N-vinylsubstituierten heterocyclischen aromatischen Verbindungen, die im Kern oder in der Seitenkette mindestens ein quartäres Stickstoffatom tragen, zur Leimung von Papier zu verwenden.
Außerdem wurde vorgeschlagen, Poly-N-vinylimidazol für die Masse- und Oberflächenleimung von Papier zu verwenden.
In der deutschen Auslegeschrift 1182 826 wurde weiterhin vorgeschlagen, wasserlösliche oder wasserunlösliche Polymerisate mit stickstoffhaltigen cyclischen Verbindungen wie N-Vinylimidazolin als charakteristischen Monomeren herzustellen, die unter anderem zur Herstellung von Filmen, Folien, Formkörpern und Lacken empfohlen werden.
Es wurde nun gefunden, daß sich wasserlösliche Copolymerisate aus 5 bis 95, vorzugsweise 5 bis 80 Gewichtsprozent Verbindungen vom Typ des Imidazols, die am sekundären Ringstickstoffatom eine äthylenisch ungesättigte polymerisierbare Gruppe tragen, und 95 bis 5, vorzugsweise 95 bis 20 Gewichtsprozent anderen polymerisierbaren äthylenisch ungesättigten Verbindungen hervorragend zur Leimung von Papier eignen.
Es wurde weiterhin gefunden, daß sich in vielen Fällen Copolymerisate aus 5 bis 95, vorzugsweise 5 bis 80 Gewichtsprozent der genannten Monomeren vom Typ des Imidazols und 95 bis 5, vorzugsweise 95 bis 20 Gewichtsprozent solcher Monomeren, die im Molekül eine am Stickstoffatom mono- oder disubstituierte Carbonamidgruppe enthalten, besonders gut zur Leimung von Papier eignen.
Im folgenden werden die erfindungsgemäß zu verwendenden Copolymerisate kurz als Copolymerisate bezeichnet, die Monomeren vom Typ des Imidazols als Comonomere I, die Monomeren mit der Carbonamidgruppierung als Comonomere II, weitere Monomere, soweit sie wasserlöslich sind, als Comonomere III und, soweit sie wasserunlöslich sind, als Comonomere IV.
Die Comonomeren I sind dadurch charakterisiert, daß sie im Molekül die Struktur des Imidazols oder des Imidazoline enthalten, und daß die polymerisierbare Gruppe an das sekundäre Ringstickstoffatom gebunden ist. Solche Verbindungen sind z. B. N-Vinylimidazolin, N-Vinylmethylimidazolin, N-Acryloylimidazolin, 4-Methyl-N-vinylimidazol, N-Vinylbenzimidazol, N-Acryloylimidazol sowie deren Salze und Quaternierungsprodukte, z. B. das N-Vinyl-N'-methylimidazolium-methylsulfat oder das N-Vinyl-2-methylimidazoliniumhydrochlorid, -sulfat oder -nitrat. Besondere Bedeutung kommt dem N-Vinylimidazol und dessen Salzen und Quaternierungsprodukten zu.
Gemeinsames Merkmal für die vorzugsweise als Comonomeren verwendeten Comonomeren II ist eine mono- oder disubstituierte Carbonamidgruppe. Als wichtigste Vertreter seien beispielsweise N-Vinyllactame wie N-Vinylpyrrolidon, N-Vinylpiperidon und N-Vinylcaprolactam genannt. Weiterhin kommen als Monomere II mono- und disubstituierte Amide der Acrylsäure oder der Methacrylsäure wie das Methylamid, Äthylamid, Isopropylamid, tert.-Butylamid, Cyclohexylamid, Dimethylamid, Diäthylamid, Pyrrolidid, Piperidid und das Morpholid in Betracht; diese Reste können auch substituiert sein, z.B. durch Chlor, Hydroxylgruppen, Aminogruppen und quartäre Ammoniumgruppen; eine solche Verbindung ist z.B. das N', N'-Diäthylaminomethylen-methacrylsäurearnid sowie dessen Quaternisierungsprodukt.
Als Comonomere III seien in erster Linie wasserlösliche Monomere genannt, die im Molekül ein Stickstoffatom enthalten, z.B. Acrylnitril, Methacrylnitril, Acrylsäureamid, Methacrylsäureamid und Maleinsäureimid; daneben eignen sich aber auch α,/3-ungesättigte Carbonsäuren wie Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Fumarsäure und Itaconsäure und Vinylsulfonsäure sowie die Salze dieser Säuren. Der Anteil der Comonomeren III soll jedoch 50 Gewichtsprozent, bezogen auf die Gesamtmenge der Comonomeren, nicht übersteigen.
Zur Modifizierung der Eigenschaften der Copolymerisate kommen schließlich noch bis höchstens 30 Gewichtsprozent der Gesamtmenge der Comonomeren die wasserunlöslichen Comonomeren IV in Betracht, z.B. Styrol, Vinylchlorid, Vinylidenchlorid, Vinylester, Acrylsäureester und Vinyläther.
Es ist auch möglich, mehrere Verbindungen eines und desselben Monomerentyps (I bis IV) in ein Mischpolymerisat einzubauen.
Das Monomerenverhältnis in den Copolymerisaten ist so zu wählen, daß die Copolymerisate mit Wasser bei Raumtemperatur klare oder nur schwach getrübte Lösungen bilden.
Die erfindungsgemäß zu verwendenden Copolymerisate können in an sich bekannter Weise hergestellt werden, z.B. entsprechend den Vorschriften der deutschen Auslegeschrift 1182 826.
Die Zusammensetzung der für die einzelne Papiersorte und für den jeweils gewünschten Zweck innerhalb der offenbarten Lehre am besten wirkenden Copolymerisate läßt sich durch einfache Vorversuche ermitteln.
Man kann die Copolymerisate wie herkömmliche Leimungsmittel bei der Papierherstellung verwenden,
entweder allein oder zusammen mit anderen Leimungsmitteln, insbesondere Harzleim und chemisch modifiziertem Harzleim. Als weitere Leimungsmittel seien z.B. Paraffindispersionen, Kondensationsprodukte aus Polyalkylenpolyaniinen und höheren Fettsäuren und Dispersionen kationischer Polymerisate genannt.
Die Copolymerisate werden dem Papierbrei bei der Masseleimung vorzugsweise in Form verdünnter wäßriger Lösungen zugesetzt, und zwar in solchen Mengen, daß die Konzentration der Copolymerisate im Faserbrei etwa 0,1 bis 2 Gewichtsprozent, bezogen auf den Faserstoffgehalt des Faserbreis, beträgt.
Die Copolymerisate eignen sich sowohl zur Masseleimung als auch zur Oberflächenleimung des Papiers; im letztgenannten Fall wird das ungeleimte oder verbesserungsbedürftige Papier mit einer vorzugsweise 0,1- bis l%igen wäßrigen Lösung des Copolymerisate behandelt.
Mit den Copolymerisaten lassen sich alle Papierfasersorten leimen, besonders gut jedoch ungebleichte ligninhaltige Faserstoffe.
Es hat sich in vielen Fällen überraschenderweise gezeigt, daß die Copolymerisate nicht nur hervorragende Leimungsmittel sind, sondern daß die Eigenschaften des Papiers durch die Behandlung mit den Copolymerisaten auch noch in anderer Hinsicht verbessert werden. So wird z. B. die Naß- und Trockenfestigkeit des Papiers erhöht, die Rupffestigkeit nimmt zu, und die Füllstoffretention wird verbessert. Weiterhin neigen solche unter Verwendung der Copolymerisate als Leimungsmittel hergestellten Papiere weniger zum Stäuben, sie lassen sich besser anfärben, und zwar vor allem auch mit Pigmenten. Bei der Herstellung der Papiere wird der Mahlgrad durch den Zusatz der Copolymerisate herabgesetzt, und ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, daß sich das Abwasser der Papiermaschinen infolge der Anwesenheit der Copolymerisate leichter von den Papierfasern klären läßt.
Obgleich die mit den Copolymerisaten behandelten Papiere eine sehr gute Leimung aufweisen, sind sie doch gut benetzbar, so daß man sie z. B. gut färben, bedrucken und beschreiben sowie mit wäßrigen Lösungen und Dispersionen nachbehandeln kann.
In ihrer Wirksamkeit zeichnen sich die Copolymerisate durch eine Reihe hervorragender Merkmale aus, die bisher in keinem der herkömmlichen Leimungsmittel — vereinigt waren.
So fallen beispielsweise die bei der Harzleimung bekannten Nachteile, etwa die durch das Zweikomponentensystem bedingte intermittierende Arbeitsweise, Dosierungsschwierigkeiten, Temperaturempfindlichkeit, saure Reaktion des Papiermaschinenwassers und des fertigen Papiers, welches dadurch weniger fest, weniger alterungsbeständig und weniger alkaliresistent ist, bei der Verwendung der Copolymerisate weg. Gegenüber bekannten wasserunlöslichen Leimungsmitteln bieten die Copolymerisate wesentliche Vorteile.
Abgesehen davon, daß die Copolymerisate sich gut und mühelos im Faserbrei verteilen lassen und man somit eine sehr gleichmäßige Leimung erzielt, erübrigt sich bei der Verwendung der Copolymerisate, da diese wasserlöslich sind, die bei wasserunlöslichen Leimungsmitteln erforderliche Mitverwendung von Dispergiermitteln und ähnlichen Stoffen. Die Copolymerisate zeigen in manchen Fällen ihrerseits eine ausgezeichnete Dispergierwirkung auf gebräuchliche Papierfüllstoffe.
Die bisher empfohlenen wasserlöslichen Leimungsmittel haben sich nicht bewährt; hier wurden beispielsweise Kondensationsprodukte aus Polyalkylenpolyaminen und höheren Fettsäuren vorgeschlagen (unter anderem deutsche Auslegeschrift 1 012 165), jedoch neigen solche Lösungen. stark zum Schäumen, das Papier muß zur Entwicklung der Leimung länger und höher als sonst üblich erhitzt werden, und häufig läßt die Festigkeit so geleimter Papiere sehr zu wünschen übrig.
Die Copolymerisate lassen sich leicht dosieren, so daß eine kontinuierliche Arbeitsweise bei stets gleichbleibender Leimungsstoff konzentration möglich ist. Der Leimungseffekt wird von den bei der Papierherstellung praktisch vorkommenden pH-Werten nicht beeinflußt; dies ist überaus wichtig für die Herstellung neutral reagierender hochwertiger Papiere. Weiterhin ist die Leimung nicht an eine bestimmte Temperaturbehandlung gebunden und wird nicht durch die Anwesenheit weiterer Papierhilfsmittel, Füllstoffe, Pigmente u. dgl. beeinträchtigt.
Überraschend ist es auch, daß die Copolymerisate — obwohl sie wasserlöslich sind — durchschnittlich zu über 80% auf den Papierfasern fixiert werden.
Die Copolymerisate verursachen kein Schäumen im Betriebswasser der Papiermaschine, und das fertige Papier ist geruchlos.
Wie bereits erwähnt, können die Copolymerisate zusammen mit anderen Leimungsmitteln verwendet werden. Es wurde gefunden, daß man besonders gute Ergebnisse hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit der Papiere gegen Wasser erzielt, wenn man die erfindungsgemäße Leimung mit der Harzleimung kombiniert. .
Die Prozente in den Beispielen sind Gewichtsprozente.
Beispiel!
Ein Faserbrei aus 4,2 1 Wasser und 16,8 g gebleicht tem Sulfitzellstoff (Mahlgrad 35° SR) wird mit jeweils 84 ml einer 0,l%igen Lösung (= 84 mg = 0,5%, bezogen auf den Faserstoffgehalt)
a) eines Lösungspolymerisats aus 75% N-Vinylimidazol, 20 % N-Vinylpyrrolidon und 5 % Acrylnitril,
b) eines Lösungspolymerisats aus 70% N-Vinylcaprolactams, 30 % N-Vinylimidazol,
c) eines Lösungspolymerisats aus 50% N-Vinylimidazol und 50% N-Vinylcaprolactam
d) und im Vergleich dazu mit Harzleim (mit Alaunzusatz)
versetzt und wie üblich zu Papieren des Quadratmetergewichtes 80 g/m2 verarbeitet.
Die Tintenresistenz dieser Papiere wurde mit Hilfe der Schwimmprobe bestimmt, bei der diejenige Zeit gemessen wird, in der die Tinte durch die Hälfte der Fläche eines schwimmenden Stücks Papier durchgetreten ist. Diese Zeiten betrugen bei a) rund 6 Minuten, bei b) 23 Minuten, bei c) 36 Minuten und bei d) V2 Minute. .
Beispiel 2
Ein Faserbrei aus 3 1 Wasser und 12 g eines ungebleichten Natronzellstoffs (Mahlgrad 34° SR) wird
mit jeweils 60 ml einer 0,1% igen Lösung (= 60 g = 0,5%, bezogen auf den Faserstoffgehalt)
a) eines Lösungspolymerisats aus 70% N-Vinylimidazol und 30 % N-Vinylcaprolactam,
b) eines Lösungspolymerisats aus 30% N-Vinylimidazol und 70% N-Vinylcaprolactam und
c) im Vergleich dazu mit 120 ml einer 0,l%igen Lösung (= 120 mg = 1%> bezogen auf den Faserstoffgehalt) von Harzleim (mit Alaunzusatz)
versetzt und in üblicher Weise bei pH 7 zu Papieren des Quadratmetergewichts 75 g/m2 verarbeitet.
Die Tintenschwimmdauer dieser Papiere beträgt bei a) 85 Minuten, bei b) über 120 Minuten und bei c) trotz doppelter Leimungsstoffkonzentration nur 32 Minuten.
Beispiel 3
Ein Faserbrei aus 3 1 Wasser und 12 g eines ungebleichten Natronzellstoffes (Mahlgrad 35° SR) wird mit jeweils 120 ml einer 0,l%igen Lösung (= 120 mg = 1%» bezogen auf den Faserstoffgehalt)
a) eines Lösungspolymerisats aus 70% N-Vinyl- a5 imidazol und 30% Acrylnitril,
b) eines Lösungspolymerisats aus 57% N-Vinylimidazol und 43% Acrylsäure,
c) eines Lösungspolymerisats aus 80% N-Vinylimidazol und 20% Acrylnitril,
d) mit 60 ml einer 0,l%igen Lösung (= 60 mg == 0,5%, bezogen auf den Faserstoffgehalt) eines Lösungspolymerisats aus 60% N-Vinylimidazol, 35% N-Vinylpyrrolidon und 5% Acrylnitril,
e) mit 30 ml einer 0,1% igen Lösung (= 30 mg = 0,25%, bezogen auf den Faserstoffgehalt) eines Lösungspolymerisats aus 30% N-Vinylimidazol und 70% N-Vinylpyrrolidon und
f) im Vergleich dazu mit 120 ml einer 0,1% igen Lösung" (= 120 mg = 1%> bezogen auf den Faserstoffgehalt) von Harzleim (mit Alaunsalz)
versetzt und in üblicher Weise bei pH 7 zu Papieren des Quadratmetergewichtes 75 g/m2 verarbeitet.
Die Trockenreißlänge der Papiere (das ist die Länge, bei der ein frei aufgehängtes Papierband unter seinem eigenen Gewicht reißen würde) betrug bei a) 8050 m, bei b) 8310 m, bei c) 10400 m, bei d) 9610 m, bei e) 8920 g und bei f) nur 565Om. 1
Beispiel 4
Ein Faserbrei aus 3 1 Wasser und 12 g eines ungebleichten Natronzellstoffs (Mahlgrad 34° SR) wird mit jeweils 60 ml einer 0,l%igen Lösung (= 60 mg = 0,5%, bezogen auf Faserstoffgehalt)
a) eines Lösungspolymerisats aus 20% N-Vinylimidazol, 40 % N-Vinylcaprolactam und 40 % N-Vinylpyrrolidon,
b) eines Lösungspolymerisats aus 30% N-Vinylimidazol und 70% N-Vinylcaprolactam,
c) zum Vergleich dazu mit 60 ml einer 0,1% ige Lösung (= 60 mg = 0,5%, bezogen auf Faserstoffgehalt) von Harzleim (mit Alaunsalz)
versetzt und in üblicher Weise bei pH 7 zu Papieren mit einem Quadratmetergewicht von 75 g/m2 verarbeitet.
Die Wasserschwimmdauer (analog der Tintenschwimmprobe) dieser Papiere betrug in allen Fällen über 120 Minuten.
Beispiel 5
Aus einem Faserbrei analog Beispiel 4 mit einem Zusatz von 0,5%, bezogen auf den Faserstoffgehalt, eines Lösungspolymerisats aus 67 % N-Vinylimidazol, 20% Acrylnitril und 13% Dimethyla'crylamid wurde Papier vom Quadratmetergewicht 75 g/m2 hergestellt. Die Naßreißlänge des Papiers betrug nach 2 Stunden . Wässerung in destilliertem Wasser 1050 m. Die Naßreißlänge eines Papiers, das aus dem gleichen Faserbrei, aber ohne Zusatz eines Leimmittels hergestellt war, betrug 160 m.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verwendung von wasserlöslichen Copolymerisaten aus 5 bis 95, vorzugsweise 5 bis 80 Gewichtsprozent Verbindungen vom Typ des Imidazols, die am sekundären Ringstickstoffatom eine äthylenisch ungesättigte polymerisierbare Gruppe tragen, und 95 bis 5, vorzugsweise 95 bis 20 Gewichtsprozent anderen polymerisierbaren äthylenisch ungesättigten Verbindungen zur Leimung von Papier.
2. Verwendung von wasserlöslichen Copolymerisaten aus Monomeren vom Typ des Imidazols und solcher Monomeren gemäß Anspruch 1, die im Molekül eine am Stickstoffatom mono- oder disubstituierte Carbonamidgruppe enthalten, und gegebenenfalls weiteren Monomeren, zur Leimung von Papier.
3. Verwendung von wasserlöslichen Copolymerisaten gemäß den Ansprüchen 1 und 2 zusammen mit der üblichen Harzleimung.
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