DE1495058A1 - Verfahren zur Herstellung eines wasserloeslichen,vernetzten,kationischen Polymeren - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines wasserloeslichen,vernetzten,kationischen PolymerenInfo
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Description
U95058
aaBBsnssnasssBssaBssssssssssasassassssBasasassasBsiMtasss
kationischen Polymeren.
Die Erfindung betrifft die Herstellung von wasserlöslichen, vernetzten
kationischen Polymeren.
Ee wurde gefunden, dass durch praktisoh vollständige Umsetzung
eines wasserlöslichen, im wesentlichen linearen Polyamidpolyamins mit einem Vernetzungsmittel ein vernetztee und trotzdem wasserlösliches
Polymeres mit einer Kombination von Eigenschaften erhalten wird, aufgrund welcher es ein wertvolles Mittel auf dem
Gebiet der Papierherstellung darstellt*
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren werden die Polyamidpolyamine
soweit vernetzt, dass die gebildeten Polymeren in 35 gew-#-iger
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Lösung bei 8o°C eine Viskosität von wenigstens 5o cP, vorzugsweise
von 75 - 3oo cP besitzen. Die neuen katloniachen Polymeren
Bind wasserlöslich und lagerbeständig.
Bas Polymere enthält praktisch keine reaktiven Subetituenten. Se
1st daher nicht wärmehärtbar und wirklioh stabil. In Vorn wässriger
Lösungen kann es während langer Zelträume gelagert und als wässrige Lösung mit hohem Feststoff gehalt bei Someertemperatüren
ohne BU gelieren über weite Entfernungen versandt werden.
Das Polymere besitzt ferner eine ungewöhnlich hohe Katlonendiohte.
Dadurch ist es, bezogen auf die jeweiligen Uewlcbtsverhältnisse,
bei der Papiererzeugung ale Entwässerungshilfsstoff sowie als
Retentlonsbilfe für Pigmente und Emulsionen aussergewöhnlich
wirksam.
Das Polymere besitzt einen hohen Anteil an sekundären Aminogruppen.
Bs 1st daher besonders wirksam als Animallsierungsmittel
für Cellulose und macht Cellulose für saure Farbstoffe Substantiv.
Die Polyamidpolyamine, die erfindungsgemäss zur Herstellung der
Polymeren verwendet werden, sind wasserlöslich, kationisch und
praktisob linear. Sie werden durch Erwärmen einer zweibasisoben
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Säure mit einem Folyalkylenpolyamin unter wasserfreien Bedingungen auf 15o - 2oo°C erhalten. Sie gebildeten Polyamidpolyamlne
haben, wenn sie in praktisch wasserfreier Schmelze erhalten werden, Viskositäten von etwa 500 - 5o 000 oP bei 15o°C.
Polyamidpolyamine mit Viskositäten in diesem Bereich sind gut
wasserlöslich und ihre wässrigen Lösungen sind nicht übermässig
viskos. Beispielsweise liegt die Viskosität einer 35 gew.-£-igen
wässrigen Lösung des Polymeren, dessen Viskosität als wasserfreie Schmelze 5o 000 cP bei 15o°C beträgt, bei weniger als 4o oP.
Polyamidpolyamine mit Viskositäten von I000 - 3ooo cP bei 15o°C
sind bevorzugt, nachdem die Erfahrung gezeigt hat, dass sie bei
der nachfolgenden Vernetzungestufe die geringste Neigung zum Gelleren zeigen«
Zu den Dicarbonsäuren, aus welchen die Polyamidpolyamine hergestellt
werden können, gehören unter anderen Adipinsäure, Bernsteinsäure, Isophthalsäure, Terephthalsäure, Glycolsäure und Gemische
daraus. Diese Säuren führen bei der Herstellung des Polymeren zur Ausbildung von -C-NH-R-NH-Ö-Einheiten, die die welter
unten erwähnten Amidgruppenpaare darstellen.
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Zu den Polyalkylenpolyaminen, aus denen die Polyamidpolyamine hergeetellt
werden, geboren unter anderen Diäthylentriamin, Tetraäthylenpentamin,
dia entsprechenden Polypropylenverbindungen, Iminobispropylamin und Gemische daraus. Diese Verbindungen liefern
die basischen Aminogruppen des Polymeren. In mehreren vergleichbaren
Fällen wurde gefunden, dass es bevorzugt ist, ein Polyalkylenpolyamin zu verwenden, das wenigsten vier basische
Aminogruppen enthält, beispielsweise Triäthylentβtramin oder
Tetraäthylenpentamin. Da zwei der Aminogruppen des Polyamine bei der Umsetzung mit der Dicarbonsäure verbrauobt werden, enthält
das Polyamidpolyamin bei Verwendung von Triätbylentetramin oder
Tetraäthylenpentamin wenigstens zwei basische Aminogruppen und ist deshalb stärker kationisch als dann, wenn beispielsweise Diäthylentriamin als Polyalkylenpolyamin verwendet wird.
Das Polyamidpolyamin selbst wird durch Erwärmen eines Gemisches aus einer Dicarbonsäure und einem Polyalkylenpolyamin auf Amidbildungstemperatür
hergestellt. Das Produkt 1st ein wasserlösliches praktisch lineares Polymeres.
Dae Polymere gemäss der Erfindung wird durch Vernetzen eines
Polyamidpolyamine, wie ls oben beschrieben wurde, in der Weise,
da β θ das Vernetzungsmittel praktisch vollständig umgesetzt wird
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[ HJ ÜUÜO
und trotzdem das schliesslich erhaltene Polymere wasserlöslich
ist, hergestellt. Die Reaktion erfolgt in einem wässrigen Medium
bei einer Temperatur im Bereich von 60 - 800C. Für die Stufe der
Vernetzung des Polyamidpolyamine ist eine sorgfältige Einstellung der Menge des zugesetzten und umgesetzten Vernetzungsmittel erforderlich.
Bisher hat die Stufe der Vernetzung eines Polymeren bei vollständiger Umsetzung des Vernetzungsmittel im allgemeinen
zur Bildung eines Gele geführt, weil der Gelpunkt schnell erreicht
wird, sobald die Verknüpfung der Polyamidpolyamin-Einbeiten unter Ausbildung eines hohen Molekulargewichts eingetreten ist.
Das Vernetzungsmittel wird praktisch vollständig umgesetzt, d.h. es wird in solchem Masse umgesetzt, dass die erhaltene Polymer-Lösung
nicht geliert, wenn sie als 4o gew.-$6-ige wässrige Lösung
5 Wochen bei 3o°C gelagert wird. Dies ist weit länger als die Zeit, die in der Regel erforderlich ist, um das Polymere dem Verbraucher zuzuführen. Das erfindungsgemäss erhaltene Polymere enthält
somit praktisch keine aminreaktiven Substltuenten.
Die eingesetzte Menge an Vernetzungsmittel hängt in der Hauptsache
von der Molekulargrösae oder von der Viskosität des Ausgangs-Poxyamidpolyamine
ab. Für ein Polyamidpolyamin mit groesen
Molekülen ist weniger Vernetzungsmittel erforderlich als für ein Polyamidpolyamin geringerer Molekülgrösee.
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Die im Einzelfall verwendete Menge an Vernetzungsmittel läset
sieb in einen Handversuch folgendermaseen ermitteln: eu einer
wässrigen Lösung des Polyamid polyamine gibt man bei der Reaktionetemperatur
und dem pH-Wert der Umsetzung das Vernetzungsmittel anteilBweise zu und lässt jeden zugesetzten Anteil mit dem Polyamid
poly am in reagieren, ehe man den nächsten Anteil zugibt. Die
optimale Menge Vernetzungsmittel ist diejenige mit der ein Polymeres
erhalten wird, das nahe bei, jedoob kurz vor seinem Gelpunkt liegt, so dass das Polymere wasserlöslich, aber so boob
viskos wie praktisch möglieb ist.
Als Faustregel wurde gefunden, dass im Pail von Polyamidpolyaminen
mit einer Viskosität im Bereich von 1ooo - 3ooo cP bei 15o°C die optimale Menge an Vernetzungsmittel ungefähr im Bereich von o,o1 o,1
Molekül Vernetzungsmittel/Aminogruppe im Molekül liegt, so
dass etwa 1 - 1o # der basischen Aminogruppen vernetzt werden.
Jedes beliebige der polyfunktionellen Mittel, die bisher schon zur Ausbildung von kationischen Polymeren aus Aminen verwendet
wurden, können zur Vernetzung verwendet werden. Verbindungen, die sich für das erfindungsgemässe Verfahren als geeignet erwiesen
haben, sind beispielsweise Glyoxal, 1,2-Dichlorätban, Divinylsülfon,
Diallylamin, Spichlorhydrin, Diallylmelamin, Diglycidyläther,
Methylenbisacrylamid und Acrolein.
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Ein wasserlösliches kationisches, praktisch lineares Polyamiden
jO
polyamin, das im wesentlichen aus -C-(CH2 Jj-C-HHCCILjCHgNH) * -Einheiten
besteht und in praktisch wasserfreiem Zustand bei 15o°C eine Viskosität von 12oo cP besitzt (hergestellt durch Erwärmen
von 237 g (1,25 Hol) Tetraäthylenpentamin mit 183 g (1,25 Mol) Adipinsäure während etwa 2 Stunden auf 15o°C) wird mit Wasser
unter Bildung einer 35 gew.-#·*igen Lusung vermischt und bis zur
Lösung bei 9o°C gerührt. Pie Viskosität der Lösung bei 8o°C beträgt
weniger als 1o oP. Das Polyamidpolyamln enthält drei sekundäre
Aminogruppen/Amidgruppenpaar·
Dann werden langsam unter Rühren 21 g (o,23 Mol) Epichlorhydrin
(etwa ö5 1* der zueusetzenden Gesamtmenge) zugegeben.
Nach Umsetzung dieses Anteils (etwa 9o Minuten) werden 4,75 g
Epichlorhydrin sehr langsam zugegeben. Nach der vollständigen Umsetzung dieses Anteils hat das Reaktionsgemiech bei einem Gehalt
von 35 £ Polymerfeststoffen bei 8o°C eine Viskosität von
1oo cP. Die insgesamt zugesetzte Eplchlorhydrinmenge beträgt o,275 Mol, was o,o9 Mol Epicblorhydrin/Aminostiokstoffatom des
Polyamidpolyamine äquivalent ist. Die Lösung wird mit konzentrierter
Salzsäure auf einen pH-Wert von 4,4 angesäuert und auf Zimmertemperatur abgekühlt.
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Papier wird mit einer 1 gew.-£-igen wässrigen Lösung des erhaltenen
Polymeren gesättigt und getrocknet. Man erhält ein anlmali·»
eierte β Papier, das eich gut färben läset, wenn man es in eine
kalte wässrige lösung von CaIcooid Alizarin Blue S.A.P.O., einem
sauren Farbstoff, eintaucht.
Die in Beispiel 1 beschriebene Arbeitsweise wird wiederholt mit der Ausnahme, dass 3o,7 g 1,2-Dicbloräthan anstelle von Spiohlorhydrin
als Vernetzungsmittel verwendet werden.
Die in Beispiel 1 beschriebene Arbeitsweise wird wiederholt mit der Ausnahme, dass 127,5 g Diglycidylather anstelle von Bplohlorhydrin
als Vernetzungsmittel verwendet werden.
Wiederum wird ein Polymeres mit praktisch den gleichen Eigenschaften
erhalten.
Die in Beispiel 1 beschriebene Arbeitsweise wird wiederholt mit der Ausnahme, dass 19o g Methylenbisaorylamld (OH2-CH-OHTO-GH2- ■·
anstelle von Spichlorhydrin als Vernetzungsmittel ver-
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wendet werden. Se wird praktisch das gleiche Polymere erhalten.
Sie in Beispiel 1 beschriebene Arbeitsweise wird unter Verwendung
von 72,5 g Glyoxal anstelle von Epicnlorhydrin als Vernetzungs·
mittel wiederholt. Sb wild praktisch das gleiche Polymere erhalten.
Die in Beispiel 1 beschriebene Arbeitsweise wird wiederholt mit der Ausnahme, dass das Polyamidpolyamln unter Verwendung von 183 g
Triäthylentetramin anstelle von Tetraäthylenpentamin hergestellt
wird. Man erhält ein ähnliches Polymeres, das zwei sekundäre Aminogruppen/Amldgruppenpaar enthält.
Sie in Beispiel 1 beschriebene Arbeitsweise wird wiederholt mit der Ausnahme, dass -C-C6H^-(MlH(CH2CH2NH)4-Einheiten zugegen
sind, da anstelle der in Beispiel 1 genannten Adipinsäure 2o7 g (1,25 Hol) Isophthalsäure zur Herstellung verwendet wurden.
der Ausnahme, dass das Polyamidpolyamln im wesentlichen aus
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- 1o -
-»C~NH(CH2CH2NH)^- Einbetten aufgebaut ist, da anstelle
der in Beispiel 1 angegebenen Adipinsäure 215 g 1,4-Hexandicarbonaäure
(1,25 Mol) für die Herstellung der Substanz verwendet
wurden.
Die verwendete Vorrichtung ist ein mit einem Dampfmantel versehenes
Reaktlonegefäes mit einem Rührer, Thermometer und Kühler
und einem Fassungsvermögen von etwa 75o 1 (2oo gal).
In den Kühler wird die Polyamidpolyaminlösung eingebracht, die
durob Umsetzung von 83 kg (1,25 Hol, 183 lbs) Adipinsäure Mit
1o7 kg (1,25 Mol, 237 lbe) Tetraäthylenpentarnin von 3o°C bei etwa
154*C, bis das Reaktionsgemlsob eine Viskosität von 12oo oP bei
-15o°C aufwies und Zugabe von soviel Wasser, dass eine Lösung mit
einem Feststoffgehalt von 35 # vorlag, erhalten wurde.
Der Oefässinhalt wird auf 8o°C erwärmt. Bann werden 11,1 kg
(24,75 IhB) Epichlorhydrln (diese Menge ist o,o85 Mol Epiohlor-
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bydrin/sekundärer Aminogruppe der Beechiokung äquivalent) sug·-
eetzt. Die Zugabe des Epichlorhydrlns erfolgt mit solcher Geschwindigkeit,
daae eine Vlskositätserhöfaung des Reaktionsgemische
von o,75 cP/Minute aufrecht erhalten wird. Sann werden 1,81 kg
(2,97 lbe) Epichlorhydrln in ständig kleiner werdenden Anteilen
zugesetzt, wobei man jeden Anteil auereagieren lässt, ehe der folgende Anteil zugegeben wird, ua dem Gelpunkt des Polymeren so
nahe wie möglich au kommen. Sie Zugabe wird beendet, wenn das Reaktionsgemisoh eine Viskosität von loo oP bei 8o°C erreicht hat·
Das Reaktlonsgemiech wird durch Zugabe von 63ι6 kg (18$ lbs)
HCl von 22° Be* auf einen pH-Wert von 4,4 eingestellt und durch Einleitung von Kühlwasser in den Mantel des Reaktionsgefässee auf
Zimmertemperatur abgekühlt.
Im folgenden wird die Verwendung des erfindungsgemäes hergestellten
Polymeren als Entwäeserungshilfe bei der Herstellung von
Papier veranschaulicht.
Eine wässrige Suspension von Cellulosefaser^ für die Papierherstellung mit einem kanadischen Standard Mahlgradwert (Canadian
Standard Freeness) von 4oo ml, einem neutralen pH-Wert und einer
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Konsistenz von ο,6 jt wird mit o,o1 i» des nach Beispiel 1 erhaltenen
Polymeren versetzt. Diese Menge ist 85 g (3 ob) des Polymeren/907
kg (1 ton) Fasern äquivalent. Das Polymere wird als o,5-%-ige wässrige Lösung zugesetzt. Die Suspension wird einen
Augenblick gelinde gerührt, um das Polymere in der Suspension zu verteilen, und dann zur Blattbildung gebracht.
Die Geschwindigkeit, mit welcher das Wasser durch die Suspension
abläuft, ist sehr viel grosser als die Geschwindigkeit der Entwässerung
in Abwesenheit des Polymeren. Durch die Verwendung des Polymeren werden die Eigenschaften des Papiers nicht verändert.
Im folgenden wird die Wirkung des erfindungsgemäes erhaltenen
Polymeren als Hilfsetoff fUr die Betention eines anorganischen
Zusatzes in feinverteilter Form veranschaulicht.
Die im vorstehenden Beispiel beschriebene Arbeitsweise wird wiederholt
mit der Ausnahme, dass 1o $> TitandioxydplgMnt (Papiererzeugungssorte,
bezogen auf das Trockengewicht der Vasern) als 2o gew.-£-lge Aufschlämmung zu der Suspension zugesetzt und die
Menge an Polymeren auf 425 g (15 oz) in 9o7 kg Papierbrei erhöht wird.
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Die Pigmentretention durch die Fasern, die zu Bannen nit einen
Grundgewietat von 7ο g/n (5o lbs, 25 · 4ο inon/Soo ream) verarbeitet
werden» ist der Retention in Abwesenheit des Polymeren überlegen.
Im folgenden wird die Wirkung des erfindungsgenäes erhaltenen
Polymeren als Betentionsbilfe in kationischen Emulsionen von organischen
Zusätzen veranschaulicht.
£e wird eine Emulsion hergestellt, inden man log geschmolzenes
Octadecylketendimeres unter kräftigem Rühren in eine Lösung von 5 g dee nach Beispiel 1 erhaltenen Polymeren, 1,5 g einer wasserlöslichen
kationischen Stärke und o,3g Hatrlunlignosulfonat in
Uo g Wasser bei 85°C einlaufen lässt und die gebildete kationische
Emulsion homogenisiert und rasch kühlt.
Die gleiche Arbeitsweise wird unter Verwendung von Distearlnsäureanhydrid
anstelle des Ketendlmeren wiederholt.
Kontrollemulsionen werden durch die glelohe Arbeitsweise, jedooh
ohne Verwendung des Polymeren hergestellt.
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1.4 &5 05 8 -u-
Zur Prüfung der Emulsionen stellt man eine wässrige Suspension
von Cellulosefasern für die Papiertaeretellung mit einer Koneietens
▼on o,6 Jt und einem pH-Wert von 6,3 her und se tat in jeden einBeinen
fall soviel der Emulsion zu, dass ο,2 S* dee Ketendimeren oder
des Dlstearinsäureanbydrids, bezogen auf das Trookengewicht der
Pasern vorliegen, worauf die Fasern der Papierblattbildung unterworfen werden und das Papier bei 43°0 (11o°F) getrocknet wird,
bis eich eine starke Leimung entwickelt (5 Minuten für Stearin·
säureanbydrld und 3o Minuten für das Ketendimere). Dann werden
die Leimungswerte des Papiers naob Standardlaboratoriumsmetboden
unter Verwendung von 2o #-iger wässriger Milchsäure ale PrUf*
flUesigkelt bestimmt. Ee werden folgende Ergebnisse erbaltent
mit Polymerem otrae Polymeres
2
Stearlnsäureanbydrid θ ooo 1 ooo
Stearlnsäureanbydrid θ ooo 1 ooo
1 Papierbebandlung 3o Minuten bei 430C (11o°F)
2 Papierbebandlung 5 Minuten bei 43*0 (Ho0F)
Sie Ergebnisse zeigen, dass das Aminopolymere eine erbeblicbe
Steigerung des Ausmasseβ bewirkt, in welchem die genannten Mittel
ibr LeimungsvermOgen entwickeln, und dass das Polymere somit
katalytlsobe Wirkung besitzt.
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K95058
AST
Im folgenden wird die Wirkung der erfindungagemäse erhaltenen
Polymeren als Retentionsbilfe für eine anionische Emulsion eine·
organischen Zusatses veranschaulicht.
Zu einer wässrigen Suppenoion von Cellulosefasern für die Papiererseugung
mit einem pH-Verl von 8 und einer Konsistenz von o,6 %
werden o,5 ^ deo nach Beispiel 1 erhaltenen PoXymeren sugesetst.
Die Suspension wird einige Minuten massig gerührt, um eine voll«
ständige Adsorption des Polymeren zu erzielen, worauf unter gelindem Rühren eine solche Menge eines Vaobslelms (einer wässrigen
anioniscben Vaöliaemulsion) sugesetet wird, dass besogon auf das .
Trockengewlobt der Fasern 3 f>
Wachs vorliegen. Durch die Wirkung des Polymeren wird die Emulsion glelohaässlg auf den Fasern ab*
geschieden.
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Claims (2)
- 4»P a Χ ο η t a η ε ρ r Λ ·; h e= ac;.·=£:■= rs = :; η — 3: — r: :?::■* s: sr: :-::.■. = :.Α.^·βε;ίϊ'Λ(Τ) Verfahren eur Ksrrtel .un^ cln^s waseerlöslichen verneteten kationiechen PolyD0r3n, ütduroh gekennzeichnet, daee man ein waosei'löaliches, praktisch llnearee Folyamiäpolyaaln bie aur Bildung eines Polymeren vernetzt, das als 3Γ» gew.-jtige Lösung bei öo°C eins Viskosität von wenigstens 5o cP beeltst·
- 2. Verfahren nach Anspruch 1,' dadurch gekennzeichnet, dass man als Auegangenaterial ein Iinea.roβ Polyamldpolyamln verwandet, daα wenigstens zwei sekundäre Aminogruppen/AaidgruppenpAar enthält und In praktisch wasserfreiem Zustand «int Viskosität Ton 1ooo - 5ooo cP hei 1500O besitzt.9 O 9 8 O C / 1 O 3 /; BAD ORIGINAL
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