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Polyamidaminverbindungen, deren Herstellung und Ver-
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wendung Die Erfindung betrifft stabilisatorhaltige Polyamidaminverbindungen
sowie das Verfahren zu deren Herstellung in Gegenwart bestimmter Stabilisatoren
und deren Verwendung als Flockungsmittel, vor allem für wässrige Kolloidallösungen
und Suspensionen.
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Das Verfahren zur- Herstellung der Polyamidaminverbindungen ist dadurch
gekennzeichnet, dass man a) ein Polymerisat aus Acrvl- und/oder Methacrylsäureamid
und gegebenenfalls weiteren äthylenisch ungesättigen Monomeren, wobei die Acryl-
und/oder Methacrylamidmonomeren insgesamt mindestens 5 Mol % betragen, b) Formaldehyd,
c) ein sekundäres Amin der Formel
worin R1 und R2 unabhängig voneinander C3-6-Alkenyl, Cyclohexyl, C1-6-Alkyl oder
C2-4-Hydroxyalkyl oder R1 und R2 zusammen. Pentylen-1,5 oder gegebenenfalls
durch-O-,
-S- oder N-(C1-4-Alkyl) unterbrochenes Butylen-1,4 bedeuten und d) einen Stabilisator,
der ein stickstoffhaltiges funktionelles Saurederivat ist, worin die funktionelle
Gruppe mindestens eine mit Formaldehvd zur Gleichgewichtsreaktion fähige -NH-Grunpe
enthält, unter neutralen bis basischen Bedingungen in einem solchen Mol-Verhältnis
umsetzt, dass pro Mol CarbamoylgrupDe des Polymerisates x Mol Formaldehyd, y Mol
sekundäres Amin (I) und z Mol Stabilisator eingesetzt werden, wobei y = 0,1 bis
3 und x = 0,1 bis y + 1; mit der Bedingungen, dass n.z + y + 1 # 2 x ist, wobei
n die Zahl stickstoffgebundener Wasserstoffatome im Stabilisator [Reagenz d) ist,
die unter den angewandten Reaktionsbedingungen mit Formaldehyd zur Gleichgewichts
reaktion fähig sind, und das erhaltene Produkt gegebenenfalls in das Säureaddukt
überführt und/oder quaterniert.
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Als Carbamoylgruppen-haltige Polymerisate, die als Reagenz a) einzusetzen
sind, kommen im allgemeinen beliebige entsprechende Polymerisate aus Acryl- und/
oder Methacrylsäureamid und gegebenenfalls weiteren
äthylenisch
ungesättigten Monomeren in Betracht wobei die Acryl- und/oder Methacrylamidmonomeren
insgesamt mindestens 5 Mol %, vorteilhaft mindestens 50 "lol %, vorzugsweise mindestens
70 Mol % betragen), wie sie z.B. als Ausgangsprodukte für die Herstellung von Flokulationsmitteln
üblich sind. Weitere äthylenisch ungesättigte Monomeren, die neben Acrvl- und/oder
riethacrylsäureamid zur Polymerisation eingesetzt werden können, sind übliche Monomere,
vorzugsweise Aethvlen, Propylen, Butylen, Isobutylen, Styrol, Acryl- und/oder Methacrylnitril,
Acryl-, Methacryl-, Malein- und/oder Crotonsäure, Vinyläther (insbesondere Methyl
und Aethyläther) und vor allem solche, die protonierte oder quaternierte bzw. protonierbare
oder quaternierbare tertiäre Aminogruppen enthalten, insbesondere A) gegebenenfalls
protonierte oder auaternierte Alkenylpyridine, wobei Alkenvl 2 - 4 Kohlenstoffatome
enthält und der Pyridinkern aeaebenenfalls durch bis zu zwei Alkylreste weise tersubstituiert
sein kann, wovon einer eine Methylaruppe ist und der andere ein C1 2-Alkvl ist,
B) gegebenenfalls protonierte oder quaternierte Verbindungen der Formel
C1H2 A2 |
A1-c-co-NHrAlky len-N |
A3 |
worin Alkylen geradkettiges oder verzweigtes C2-4-Alkylen, A1 Wasserstoff oder Methyl,
A2 C1-6-Alkyl oder Cyclohexyl
und A3 C1-6-Alkyl bedeuten und C)
Verbindungen der Formeln
Anionworin A4 C1-6Alkyl A5 C1 6-Alkyl oder in der Formel (C2) A4 und A5 zusammen
Pentylen-1,5 oder Butylen-1,4 und Anion- ein bei quaternären Verbindungen übliches
Anion bedeuten.
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In den Monomeren A) steht Alkenyl vorzugsweise für Vinyl und der Pyridinkern
ist vorzugsweise unsubstituiert oder trägt als weiteren Substituenten eine Methylgruppe;
gut zugängliche und deshalb bevorzugte Alkenylpyridine sind insbesondere 2-Vinylpyridin,
4-Vinylpyridin und 5-Vinyl-2-picolin. Solche und ähnliche Alkenvlpvridine sind wohlbekannte
Monomeren und sind z.B. im Werk "Functional Monomers - their preparation, polymerisation
and application", Editors R.H. Yocum and G.B. Nyquist - New York Dekker 1973/74
- Vol. 1 und 2 beschrieben
In den Monomeren B) steht Alkvlen vorzugsweise
für Aethylen, Pronvlen-1,2 oder insbesondere Propylen-l,3 und A2 und A3 bedeuten
vorzugsweise Methyl oder Aethyl.
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Die Monomeren A) und B) können als freie Basen oder in protonierter
Form, d.h. als Säureaddukte vorliegen, wobei als Sauren übliche niedrigmolekulare
Spuren in Betracht kommen, insbesondere Ameisensäure, Essigsure, Salzsäure, Schwefelsäure,
Kohlensäure etc. oder können auch zu den entsprechenden quaternaren Ammoniumverbindungen
quaterniert sein,und zwar vorteilhaft so, dass ein C1-6 -Alkylrest vorzugsweise
Methyl oder Aethvl eingeführt wird.
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In den Verbindungen (C 1) steht A4 vorzugsweise fir Methyl oder Aethyl
und auch diese Verbindungen können in Form der freien Basen oder der Skureaddukte
vorliegen analog wie für die Monomeren A) und B) er'qähnt.
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In den Monomeren (C2) stehen A4 und A5 vorzugsweise für Methyl oder
Aethyl. Die Verbindungen (C2) können auf übliche Weise hergestellt werden, z.B.
durch Einführung von zwei Allylresten in ein sekundäres Amin A4-NH-A5 oder, wenn
A4 und A5 nicht zusammen mit dem benachbarten Stickstoff einen Rina bilden, auch
durch Quaternierung von Verbindungen der Formel (C¹). Anion ist ein übliches Anion
wie es bei der Quaternierung entsteht, vorzugsweise Chlor.
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Vorteilhaft werden solche Polvmerisate eingesetzt, die möglichst gut
wasserlöslich sind und eine Wasserlöslichkeit von mindestens 1 %, vorteilhaft 1
- 25 %, vorzugsweise 1,5 - 5 % bei Raumtemperatur aufweisen; bevorzugt werden Homo-
bzw. Copolymerisate aus Acrylamid
und/oder Methacrylamid oder
Copolymerisate aus Acryl- und/oder Methacrylamid und den gegebenenfalls protonierten
und/oder quaternierten Monomeren A), B) und/oder C) eingesetzt. Vorteilhaft werden
Polymerisate aus 7'000 bis 140'000, vorzugsweise 14'000 bis 7O'0QO, insbesondere
etwa 20'000 bis 401000 monoäthylenisch ungesättigten Monomeren eingesetzt, vorteilhaft
solche mit einem Molekulargewicht von 5001000 bis 10'000'000, vorzugsweise 110001000
bis 5'000'000, insbesondere etwa 1'500'000 bis 3'000'000. Sind die Copolymerisate
solche aus gegebenenfalls quaternier- -ten oder protonierten Monomeren, insbesondere
wie unter A), B) und C) beschrieben, so betragen diese vorteilhaft 10 - 30 -101
% des Polymerisates.
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Die als Reagenz a) einzusetzenden Polymerisate können auf übliche
Weise hergestellt erden, z.B. durch Zusammengeben der entsprechenden Monomeren in
wässrigen Medium und Polymerisation unter leicht erhöhter Temperatur, z.B. zwischen
30 und 80 °, am besten zwischen 35 und 40 ° C, gegebenenfalls in Gegenwart eines
qeeigneten Initiators, bis der gewünschte Polymerisationsgrad bzw. das gewünschte
Molekulargewicht erreicht ist, was leicht z.B. durch Messung der Viskosität des
Pveaktionsgemisches feststellbar ist. Das erhaltene Carbamoylgruppen-haltige Polymerisat
kann dann vorteilhaft im gleichen wässrigen Medium, in dem es hergestellt worden
ist, zur weiteren Umsetzung verwendet werden.
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Nötigenfalls kann die Polymerisation z.B. in Gegenwart eines -üblichen
copolymerisierbaren Vernetzungsmittel durchgeführt werden, insbesondere wenn die
Polymerisate ohne solch einem Vernetzungsmittel nur ein verhältnismässig niedriaes
Molekulargewicht erreichen,
z.B. 500'000 oder weniger. Solche conolvmerisierbare
Vernetzungsmittel sind solche, die pro lolekül mindestens zwei, vorzuasweise 2 -
3, Aethenvlgruppen aufweisen, vorteilhaft werden Triallylcyanurat, Divinylbenzol
und vorzugsweise elethylen-bisacrylamid oder -methacrylamid eingesetzt. Es werden
vorteilhaft 0,01 bis 5, vorzugsweise 0,05 bis 2 Gew.-% (bezogen auf das Gesamtgewicht
der tIonomeren) copolymerisierbare Vernetzungsmittel eingesetzt.
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Das Formaldehyd kann in beliebiger üblicher Form zugegeben werden.
z.B. als wässrige Formaldehvdlösung, als Paraformaldehyd oder auch in Form einer
Formaldehyd abgebenden Verbindung, z.B. einer entsprechenden Methylolverbindung.
Vorzugsweise wird das Formaldehyd als wässrige Lösung zugegeben; man kann günstigerweise
z.B. das technische wässrige Formaldehyd einsetzen.
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Als sekundäre Amine der Formel (I) [Reagenz c)) kommen übliche sekundäre
Amine in Betracht; die Alkenylreste enthalten, vorzuasweise 3 oder 4, insbesondere
3 Kohlenstoffatome und es sind insbesondere Butenyl (z.B. 2- oder 3-Butenyl) und
vor allem Allyl zu nennen; die Alkylreste enthalten vorzugsweise 1 bis 4 Kohlenstoffatome
und können linear oder gegebenenfalls verzweigt sein, wobei Aethyl und ethyl bevorzugt
sind; die Hydroxyalkylreste enthalten 2 bis 4 Kohlenstoffatome und die Hydroxygruppe
befindet sich vorteilhaft in einer der Stellungen ß bis X und es sind insbesondere
2-Hydroxväthyl und 2-Hydroxypropyl zu nennen, wovon 2-Hvdroxyäthyl bevorzugt ist;
bilden R1 und R2 zusammen mit dem benachbarten Stickstoffatom einen Ring, so sind
insbesondere die folgenden Aminreste zu nennen: Pyrrolidino, Piperidino, Morpholino,
Thiomorpholino und N-Methylpiperazino,
wovon Pyrrolidono, Piperidino,
Morpholino und N-Methylpiperazino, insbesondere die letzten drei, vor allem Morpholin,
bevorzugt sind.
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Bevorzugte Amine der Formel (I) sind solche der Formel
worin R11 und R12 unabhängig voneinander C1 2-Alkvl, Cyclohexyl, ß-Hydroxyäthyl
oder Allyl oder R11 und R12 zusammen mit der benachbarten -NH-Gruppe Morpholin,
Pyrrolidin, Piperidin oder N-Methylpiperazin bedeuten, insbesondere solche der Formel
worin R21 Methyl, Aethvl oder ß-Hvdroxyäthyl, R22 Methyl, Aethyl oder ß-Hydroxyäthyl
oder R21 und R22 zusammen mit dem benachbarten Stickstoffatom einen Morpholinrest
bedeuten.
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Es ist insbesondere hervorzuheben, dass nach dem erfindungsgemässen
Verfahren
nicht nur niedrig siedende sekundäre Amine wie Dimethylamin und Diäthylamin eingesetzt
werden können, sondern auch insbesondere höher siedende sekundäre Amine, und zwar
vor allem N-Methyläthanolamin, Diäthanolamin und Morpholin.
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Die erfindungsgemass einzusetzenden Stabilisatoren [Reaganz d)] gehören
im allgemeinen zur Klasse der amide und/oder Imide und dienen zum Stahilisieren
des Polvmerisates gegen Weitervernetzung; sie müssen mindestens ein stickstoffgebundenes
Wasserstoffatom aufweisen, das mit Formaldehvd unter den angewandten Reaktion bedingungen
zur Gleichgewichtsreaktion fähig ist
wobei unter basischen Bedingungen das Gleichgewicht (b) stark nach rechts verschoben
ist.
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Als stickstoffhaltige funktionelle Säurederivate [Reagenz d)] kommen
vorzugsweise solche in Betracht, die ausser der (oder'den) entsprechenden funktionellen
Gruppe(n) keine weiteren Substituenten enthalten, die mit Formaldehyd oder sekundärem
Amin oder Carbamoylgruppen-haltigem Polymerisat zu unerwünschten Nebenreaktionen
führen; vorteilhaft enthalten diese Saurederivate ausser den wesentlichen funktionellen
gruppen keine weiteren Substituenten und sind niedrigrnolekulare (d.h. insbesondere
nicht-polymerisierte) l7erbindungen.
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Die von den entsprechenden Säuregruppen ableitbaren funktionellen
stickstoffhaltigen Gruppen sind insbesondere die folgenden: -CO-NH21 -CS-NH2, -S02-NH2,
-O-CO-NH2, -NH-CO-NH2, -NH-CS-NH2,
Bevorzugte Verbindungen, die als Reagenz d) im erfindungsgemässen Verfahren eingesetzt
werden können, entsprechen den Formeln R6-X1 (II), R7 -X2 (III) oder
worin X1 -CO-NH2, -CS-NH2, -NH-CO-NH2, -NH-CS-NH2 oder
X2 -S02NH2 oder -O-CO-NH2, R6 Wasserstoff oder C1-6-Alkyl und R7 C1 6-Alkyl, Phenyl
oder Methylphenyl
bedeuten, oder der Formel R8-CO-NH-CO-R9 (V),
worin R8 und Rg jeweils -NH2 oder zusammen ein C2 4-Alkylen- oder C2-4-Alkylidenbrückenglied
oder einen Phenvlen-1,2-Rest bedeuten, wobei die Verbindungen der Formel (II), worin
bedeutet, gegebenenfalls als übliche Säureaddukte (z.B. mit Salzsäure, Essigsaure,
Ameisensäure, Schwefelsäure, Kohlensäure etc.) vorliegen können.
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Der Koeffizient n, der die Zahl zur Gleichaewichtsreaktion mit Formaldehyd
fähiger Wasserstoffe im Molekül darstellt, ist nicht immer mit der Zahl stickstoffgebundener
Wasserstoffe identisch und kann auch mit den Reaktionsbedingungen variieren; so
kann z.B. n für Harnstoff 1 - 4, für Guanidin 1 - 3 und für Dicyandiamid und Thioharnstoff
1 - 2 betragen; die Reaktionsfähigkeit solcher Amide bzw. Imide mit Formaldehyd
ist z.B. im Werk von J. Frederic Walker "Formaldehyde"-(American Chemical Society,
Monograph Series No. 159) Reinhold Publishing Corporation - 3rd Edition - im 14.
Kapitel, insbesondere auf den Seiten 373 - 395 allgemein beschrieben.
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Vorteilhaft werden Stabilisatoren mit 1 - 4, vorzugsweise 2 - 4,
insbesondere 2 zur Gleichgewichtsreaktion
mit Formaldehyd fähigen
Wasserstoffatomen eingesetzt, so sind z.B. Harnstoff und Ureylverbindunoen, Thioharnstoff,
Guanidin und Guanylverbindungen bevorzugt, vor allem Verbindungen der Formel
worin R10 H, C1~6-Alkyl oder -CN bedeutet, oder Thioharnstoff.
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Von den letztgenannten Verbindungen sind vor allem Guanidin, Thioharnstoff
und insbesondere Dicyandiamid als bevorzugt zu nennen.
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Der Stabilisator [Reagenz d)] kann in einem beliebigen Mengenverhältnis
z > 0 zugegeben werden, wird aber vorteilhaft im Ueberschuss zugeaeben, vorteilhaft
betrugt z mindestens 10 % von x, vorzugsweise ist z mindestens 0,5, die obere Grenze
von z kann beliebig gross sein, z.B. bis zu 10, vorteilhaft ist aber z nicht arösser
als 4, vorzugsweise nicht srösser als 2.
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Die Molzahl v beträgt vorteilhaft 0,1 bis 2, vorzugsweise 0,5 - 1,5.
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Die Molzahl x kann 0,1 bis v + 1 betragen, vorteilhaft wird x so gewählt,
dass y # x/2, insbesondere so, dass y = x bis 2x. Vorteilhaft ist x 0,1 bis 2, vorzugsweise
0,1 bis 1, insbesondere 0,5 bis 1.
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Die erhaltenen Polvamidamine können gegebenenfalls in Form von Säureaddukten
vorliegen und gewünschtenfalls können die Polyamidamine in die entsprechenden quaternierten
Derivate durch Umsetzung mit iiblichen Quaternierungsmitteln übergeführt werden.
Quaternierunasmittel, die eingesetzt werden können, bzw. durch die die Monomeren
A), B) und C1) quaterniert sein können,sind vorzugsweise Alkylhalogenide, worin
Alkvl bevorzugt 1 bis 4 Kohlenstoffatome enthalt, Hydroxyalkylhalogenide, worin
Hydroxyalkyl bevorzugt 2 - 4 Kohlenstoffe enthält, und Alkenylhaloqenide, worin
Alkenyl bevorzugt 3 oder 4 Kohlenstoffatome enthält; als Haloaenide kommen vorzugsweise
Chloride, Bromide und Jodide in Betracht; ferner können noch als Alkvlierungsmittel
Dialkylsulfate eingesetzt werden, worin Alkyl bevorzugt 1 bis 4 Kohlenstoffatome
enthält und insbesondere für Aethyl oder ethyl steht; am besten werden allerdinas
als Quaternierungsmittel die Halogenide eingesetzt. Als Quaternierungsmittel für
die Monomeren A) B) und C1) kommen vorzugsweise solche in Betracht, die zur Einführung
einer C1-4-Alkylgruppe, bevorzugt Aethyl oder Methyl, geeignet sind.
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Vorzugsweise werden aber die erfindungsgemässen Produkte nach der
Umsetzung von a), b), c) und d) weder protoniert noch quaterniert.
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Die Herstellung erfolgt zweckmässig durch blosses Zusammengeben der
Reaktionsteilnehmer, wobei diese Arbeitsweise besonders dann bevorzugt ist, wenn
x <2 ist; vorteilhaft verfährt man in wässrigem Medium, vorzugsweise unter basischenBedingungen,
wobei diese schon durch Zugabe des Amins der formel (I) erreicht werden können bzw.
die Basizität kann durch Zugabe von Säuren abgeschwächt werden: vorteilhaft wird
der pH-Wert
des Reaktionsgemisches zwischen 8 und 12, vorzugsweise
zwischen 9 und 11 gehalten; die Reaktion kann unter milden Temperaturbedingungen
durchgeführt werden, z.B.
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zwischen Raumtemperatur und 90 ° C, vorteilhaft zwischen 20 und 65
° C (bei niedrig siedenden Aminen der Formel (I) bei möglichst niedrigen Temeraturen),
vorzugsweise zwischen 30 und 60 ° C.
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Wird das Formaldehyd in solchen Mengen eingesetzt, dass x 2 - 4 beträgt,
so ist es von Vorteil, solche Stabilisatoren einzusetzen, worin n mindestens 2 ist,
die Umsetzung stufenweise durchzuführen und die relativen Mengen sekundäres Amin,
Formaldehyd und Stabilisator in solchen Bereichen zu wählen, dass Vorprodukte folgender
mutmasslicher Formel entstehen können
worin p 1 bis (n1-1), q 1 bis (n1-1), n1 2 bis 4 und Q der nl-wertige Rest des Stabilisators
bedeuten, wobei p + q = nl ist, welche mit dem Reagenz a) weiter umgesetzt werden
können.
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Diese Arbeitsweise ist besonders dann eignet, wenn Q der Rest von
Harnstoff ist.
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Die Verbindungen der Formel (c) werden vorzugsweise durch Umsetzen
von 1 rrOl Stabilisator mit q bis (p + q - 1) Mol Formaldehyd und q Mol sekundärem
Amin und weitere Umsetzung des Zwischentroduktes mit den restlichen 1 bis p Mol
Formaldehyd oder durch Umsetzen von 1 Mol Stabilisator mit q Mol des Umsetzunassroduktes
aus q Mol sekundärem Amin und a Mol Formaldehvd und anschliessende Umsetzung des
erhaltenen ZwischenDroduktes mit p Mol Formaldehvd heraestellt.
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Vorzugsweise steht p für 1 und a für 1 bis 3; insbesondere steht auch
q für 1.
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Zweckmässig wird der Stabilisator in solchen Mengen bzw. Konzentrationen
eingesetzt, dass keine Ausfällung des Stabilisators selbst oder eines Umsetzungsproduktes
davon mit Formaldehvd und gegebenenfalls den übrigen Reagenzien im wässrigen Reaktionsmedium
bei Raumtemperatur stattfindet. Die Herstellung der Verbindungen der Formel (c)
erfolgt auf an sich bekannte Weise, wobei die Umsetzung des sekundären Amins mit
dem Formaldehyd bereits bei niedrigen Temperaturen, z.B. zwischen 0 und 60 ° C,
vorzugsweise bei Raumtemperatur erfolgt; die Umsetzung des methylolierten Amins
mit dem Stabilisator und die anschliessende Umsetzung mit dem Formaldehyd erfolgen
bei einer beliebigen mit den Reaktionsgemisch verträglichen Temperatur, z.B. zwischen
Raumtemperatur und 90 ° C, vorzugsweise zwischen 60 und 70 ° C und bei den weiter
oben anaegebenen pH-Werten. Das Umsetzungsprodukt, das im Wesentlichen der mutmasslichen
Formel (c) entspricht, kann gewünschtenfalls durch Abdestillieren des Wassers bei
vermindertem Druck isoliert werden oder man kann es auch ohne Entfernung des Reaktionsmediums
mit dem Reagenz a) weiterumsetzen.
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Die Umsetzung der Reagenzien a), b) , c) und d) kann nach einer gesamten
Reaktionszeit von 1 bis 6 Stunden, je nach Temperatur- und pH-Bedingungen, praktisch
als beendet angesehen werden, d.h. nach solch einer Reaktionszeit können schon die
optimalen Wirkungen der Produkte als Flockungsmittel erreicht werden. Es ist von
Vorteil, das als wässrige Lösung erhaltene Produkt mit einem üblichen Puffer bzw.
gegebenenfalls durch Säurezugabe auf Werte von vorzugsrheise oH 9 bis 11, insbesondere
9 bis 10, zu stellen. Es können z.B.
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übliche schwache Säuren oder auch saure Salze schaJacher Säuren eingesetzt
werden. Besonders gut eignet sich dafür Kalium und/oder Natriumdihvdrocenthoshat.
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Die Menge Wasser, in der die Reaktion durchgeführt wird, kann so gehalten
werden, dass das Reaktionsprodukt, so wie es entsteht, direkt zur Weiterverwendung
gelangen kann, ohne dass es nötig sei, das Reaktion gemisch aufzukonzentrieren oder
das erhaltene Produkt aus der Lösung bzw. aus der Dispersion zu trennen. Die Reaktionsprodukte
sind entweder gelöst oder gegebenenfalls nach Zusatz eines DisDeraators im Reaktionsnedium
dispergiert; die erhaltenen Lösungen bzw. Dispersionen sind gut lagerbeständig,
sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhter Temseratur, z.B. bei 50 ° C. Die
auf die Ausgangsviskosität » der wässrigen Lösung des erfindungsaemässen Produktes
bezogene Viskosität ##, welche als Massstab für die Lagerstabilität der Lösung verwendet
werden kann, ist überraschend niedrig.
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Die erfindungsgemässen Produkte sind Flockungsmittel und eianen sich
zum Flokulieren von wässrigen Kolloidallösungen und insbesondere von wässrigen Suseensionen,
vorzugsweise wässrigen füllstoffhaltigen Zellstoffsuspensionen
bei
der Herstellung von fiillstoffhaltigen Papier, worin das erfindungsgemässe Produkt
hauptsächlich als Füllstoff-Retentionsmittel wirkt.
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Es können beliebige Fillstoffe eingesetzt werden, wie sie bei der
Papierherstellung üblich sind, z.B. Kaolin, Calciumsalze (insbesondere Calciumcarbonat),
Titaniumdioxid etc. und es können gegebenenfalls weitere, bei der Papierherstellung
übliche Zusatze vorhanden sein, wie z.B. Leimungsmittel, optische Aufheller, Farbstoffe,
Aluminiumsulfat etc..
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Die erfindungsgemässen Produkte, vorteilhaft solche, worin mindestens
eines von R1 und R2 C2-4-Hydroxyalkyl bedeutet, vorzugsweise solche, worin das sekundäre
Amin der Formel (I') entspricht, worin R11 3-Hvdroxväthyl bedeutet und insbesondere
solche, worin das eingesetzte sekundäre Amin der Formel (I") entspricht, worin R21
ß-Hvdroxyäthyl bedeutet, sind gut mit Aluminiumsulfat verträglich und eignen sich
insbesondere für die Herstellung von Papier in Gegenwart von Aluminiumsulfat und
vor allem als Retentionsmittel für die Herstellung von Füllstoff und gegebenenfalls
heitere übliche Zusätze enthaltendem Papier in Gegenwart von Aluminiumsulfat.
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Die erfindungsgemassen Produkte können auf solche Weise und in solchen
Konzentrationen angewendet werden, wie sie allgemein f;ir Flockungsmittel üblich
sind. Als Flockungsinittel für wässrige Kolloidallosungen oder Sustensionen und
insbesondere bei der Papierherstellung können die erfindungsgemässen Produkte z.B.
in Konzentrationen von 0,001 bis 100 mg, vorteilhaft 0,095 bis 20 mg, vorzugsweise
0,01 bis
10 mg, insbesondere 0,025 bis 3 mg Feststoff pro Liter
der wässrigen Kolloidallösung oder Susnension eingesetzt werden, wobei je nach Substrat
und sseziellem Zweck diese Konzentrationen noch optimalisiert werden können.
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In den folgenden Beispielen bedeuten die e Gew.-% und die Temperaturen
sind in Celsiusgraden angegeben.
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I. .Chemische Herstellung Beispiel 250 g einer 2,5 %-igen wässrigen
Polyacrvlamidlösung mit einer Brookfield-Viskositnt von 4300 cp (Spindel Nr. 4,
60 Umdrehungen/Minute) , 6,6 q N-Methyläthanolamin, 3,6 g 37 %-iae wässrige Formaldehydlösung
und 7,4 g Dicyandiamid werden während 4 Stunden bei 40 - 45 ° zur Reaktion gebracht.
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Anschliessend wird der pH-Wert der Reaktionslösung mit 4,3 ml einer
50 %-igen gen Natriumdihydrogenphosphatlösung auf 10,0 eingestellt. Sofort nach
der Reaktion beträgt die Viskosität der Lösuna 4600 cp. Nach 6 Wochen Lagerzeit
bei Raumtemperatur beträgt sie 5050 cp.
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Beispiel 2 Beispiel 1 wurde wiederholt unter Verwendung von 250 g
einer 2,5 %-igen wässrigen Polyacrvlamidlösung mit einer Brookfield-Viskosität von
cp (Spindel Nr. 4, 60 Umdrehungen/Minute) , 6,6 g N-Methyläthanolamin, 7,2 g 37
%-ige wässrige Formaldehydlösung und 7,4 g Dicyandiamid. Der pH-Wert der Reaktionslösung
wurde nach der Reaktion mit 3,2 ml einer 50 %-igen Natriumdihydrogenphosphatlösung
auf 9,5 eingestellt. Sofort nach der Reaktion beträgt die Viskosität der Lösung
cp. Nach 6 Wochen Lagerzeit bei Raumtemperatur beträgt sie 3650 cp.
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Beispiel 3 225 g einer 40 %-igen wässrigen Monomethylolharnstofflösung,
die hergestellt wurde, wie es im Buch Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie,
Band XIV/2, Makromolekulare Stoffe, 1963, Seite 348, Beispiel 2 beschrieben ist,
werden mit 112,5 g einer 40 8-iaen wässrigen Dimethylaminlösung während 4 Stunden
bei 40 - 45 ° versetzt. Anschliessend tropft man dem Reaktionsgemisch 81 g einer
37 %-igen wässrigen Formaldehydlösung zu und lässt bei ca. 70 ° während 2 Stunden
ausreagieren. Danach werden 2840 g einer 2,5 %-igen wässrigen Polyacrylamidlösung
mit einer Brookfield-Viskosität von 3100 cp (Spindel Nr. 4 60 Umdrehungen/Minute)
mit 419 g der obigen Reaktionslösung versetzt. Die Reaktion dauert 4 Stunden bei
einer Temperatur von 45 °. Die erhaltene kationische Polyacrylamidlösung weist eine
Viskosität von 3300 cp auf und kann ohne Isolieruna direkt als Flockungsmittel eingesetzt
werden.
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Nach 6 Wochen Lagerzeit bei Raumtemneratur beträgt die Viskosität
immer noch 3300 cp.
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Beispiel 4 250 g einer 2,5 %-igen wässrigen Polyacrylamidlösung mit
einer Brookfield-Viskositt von 4300 cp (Spindel Nr. 4, 60 Umdrehungen/Minute), 6,6
9 N-Methyläthanolamin, 7,2 g 37 %-ige wässrige Formaldehydlösung und 6,7 g Thioharnstoff
werden während 4 Stunden bei 40 - 45 ° zur Reaktion
gebracht. Die
Reaktionslösung wird nach der Umsetzung mit 0,3 ml einer 50 %-igen Natriumdihydrogenphosphatlösung
auf pH 10,0 eingestellt.
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Die Viskosität der Lösung beträgt dann 4700 cn.
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Nach 3 Wochen bei Raumtemperatur beträgt sie 5050 cp und bleibt für
weitere 3 Wochen fast unverändert.
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Beispiel 5 34 g Acrylamid sowie 19 g Dia1lvldimethylarfloniumchlorid
werden in 786 g entionisiertem Wasser gelöst und unter Rühren mittels eines kräftigen
Stickstoffstroms von Sauerstoff befreit. Hierauf gibt man 85 mg Ammoniumpersulfat
in 4 g Wasser gelöst dazu und erwärmt auf 37 °. Nach 20 Stunden bei dieser Temperatur
wird die Reaktionslösung mit 1017 g Wasser verdünnt. Dadurch wird eine Brookfield-Viskosität
von 2600 cp (Spindel Nr. 4, 60 Umdrehungen/Minute) erzielt. Anschliessend wird die
verdünnte Polymerlösuna mit 40,2 g Dicyandiamid, 38,8 g einer 37 %-igen wässrigen
Formaldehydlösung und 35,9 g N-Methyläthanolamin versetzt. Die Umsetzung dauert
4 Stunden bei einer Temperatur von 45 °. Anschliessend wird der pH-Wert der Reaktionslösung
mit 13,2 ml einer 50 %-igen Natriumdihydrogenphosphatlösung auf 9,5 ein gestellt.
Die Viskosität des Umsetzungsproduktes beträgt 3400 cp und bleibt nach 4 Wochen
Laaerzeit bei Raumtemperatur praktisch unverändert.
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Beispiel 6 250 g einer 2,5 %-igen wässrigen Polyacrvlamidlösung mit
einer Brookfield-Rotations-Viskosität von 3700 cp (Spindel Nr. 4, 60 Umdrehungen/Minute)
werden bei 45 ° während 4 Stunden mit 7,2 g einer 37 %-igen wässrigen Formaldehvdlosung
und 9,3 g Diäthanolamin in Gegenwart von 11 g Dicyandiamid versetzt. Der ph erst
der Reaktionslösung beträgt sodann 9,9 und die Brookfield-Viskosität 3700 cp. Nach
6 Wochen Lagerzeit bei Raumtemperatur beträgt sie 5100 cp.
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Beispiel 7 250 g einer 2,5 %-igen wässrigen Polvacrylamid-Lösung mit
einer Brookfield-Viskosität von 3700 cp (Spindel Nr. 4, 60 Umdrehungen/Minute) werden
bei 45 ° während 4 Stunden mit 7,2 g einer 37 %-igen wässrigen Formaldehydlösung
und 6,6 g einer 60 %-igen wässrigen Dimethylaminlösung in Gegenwart von llg Dicyandiamid
versetzt. Der pH-Wert der Reaktionslösuna wird danach mittels 3,24 a einer 50 %-igen
wässrigen Natriumdihydrogenphosphatlösung auf 9,5 eingestellt. Die erhaltene Polyamidaminlösung
weist sodann eine Brookfieid-Viskosität von 4450 cp auf; nach einer Lagerzeit von
7 Tagen bei 50 ° bleibt die Viskosität praktisch unverändert.
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Beispiel 8 Beispiel 1 wurde wiederholt unter Verwendung von 250 g
einer 2,5 %-igen wässrigen Polvacrvlamidlösung mit einer Brookfield-Viskosität von
4400 cp (Spindel Nr. 4, 60 Umdrehungen/Minute), 6,6 g N-Methyläthanolamin, 7,2 g
37 %-ige wässriae Formaldehydlösung und 8,4 g Guanidinchlorhydrat. Sofort nach der
Reaktion beträgt die Viskosität der Lösung 5600 cp. Nach 6 Wochen Lagerzeit bei
Raumtemperatur beträgt sie 5725 cp. Der pH-Wert der Reaktionslösung beträgt 9,85.
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Beispiel 9 81 g einer 37 %-igen wässrigen Formaldehvdlösung werden
unter Eiskühlung mit 112,5 g einer 40 tigen wässrigen Dimethylaminlösung versetzt.
Sobald die exotherme Reaktion beendet ist, füot man dem erhaltenen Dimethylaminomethanol
60 g Harnstoff zu und erwärmt während ca. 2 Stunden auf 70 °. Anschliessend tropft
man dem Reaktionsgemisch 81 g einer 37 %-igen wässrigen Formaldehudlösung zu und
lässt bei ca. 70 ° während 2 Stunden ausreagieren. Danach wird das Wasser bei vermindertem
Druck (20 Torr) bei ca. 60 - 70 ° abdestilliert. Man erhält etwa 147 g des Harnstoff-Dimethylamin-Formaldehyd-Kondensationsproduktes
(c').
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3350 g einer 2 %-igen wässrigen Polyacrylamidlösung mit einer Brookfield-Viskositat
von 3200 ct (Spindel
Nr. 4, 60 Umdrehungen/Iinute) werden sodann
mit 147 g des Kondensationsproduktes (c') versetzt. Die Reaktion dauert bei einer
Temperatur von 40 ° ca. 4 Stunden.
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Das erhaltene kationische Povlacrylamid kann durch Zusatz von Aceton
ausaefällt werden oder direkt, ohne Isolierung, in Form einer wässrigen Lösung als
Flokkungsmittel eingesetzt werden.
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In den folgenden Anwendungsbeispielen sind die Flokkungsmittelkonzentrationen
als wRssrives Produkt berechnet, wie in den vorhergehenden Beispielen hergestellt.
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II. Verwendung als Flockungsmittel Beispiel A Es wurde ein 2 %-iger
Wässriger Papierbrei folgender Feststoffzusammensetzung verwendet: 100 Teile gebleichter
Sulfitzellstoff 20 Teile Kaolin 3 Teile Harzleim 2 Teile Aluminiumsulfat.
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Vor der Blattbildung auf dem Rapid-Köthen-Blattbildner wurden 250
ml Prüstoff mit 5 resp. 1 einer 0,05 %-igen wässrigen Lösung der in den Beispielen
1, 4, 5, 6 oder 8 beschriebenen Produkte sowie mit 750 ml Verdünnungswasser vermengt.
Nach einer Rührzeit von 5 Sekunden bei 250 250 Umdrehungen/ Minute wurde das Stoff-Wassergemisch
in die Füllkammer des Blattbildners (System Papid-Köthen) überführt, wobei in der
Füllkammer 3 1 Wasser vorgelegt waren. Nach einer Haltezeit von 20 Sekunden wurde
durch Betätigen des Absaugventils das Blatt gebildet.
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Nach der Trocknung und Konditionierung der Prüfblätter wurden diese
verascht. Der Ascheaehalt wird in Beziehung zum eingesetzten Füllstoff gebracht
und in % Retention ausgedrückt.
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Ercrebnis Flockungs- Zugabemenge Konzentration % mittel in ml Flockungsmit-
Psche Retention gemäss (0,05 %-ige tel in % Beispiel Lösung) (bezogen auf trockenen
Papierstoff) 1 5 0,05 12,30 73,8 10 0,1 12,96 77,7 4 5 0,05 12.61 * 75,6 -10 0,1
13,45 80,7 5 5 0,05 11,57 69,4 10 0,1 13,31 79,8 6 5 0,05 11,19 67,1 10 0,1 12,12
72,7 8 5 0,05 12,15 72,9 10 0,1 13,50 81,0 ohne - - 9,67 58,0 Beispiel B Es wurde
ein 1 %-iger wässriger Patierbrei folgender Feststoffzusammensetzung verwendet:
100 Teile gebleichter Sulfitzellstoff 20 Teile Calciumcarbonat Vor der Blattbildung
auf dem Rapid-Köthen-Blattbildner
wurden 250 ml Prüfstoff dem
Prüfstoff- -vorrat entnommen und mit 1 % (bezogen auf den Sulfitzellstoff) einer
handelsüblichen Emulsion eines svnthetischen Leimes (Emulsion eines dimeren Alkyl-Ketens)
vermischt. Anschliessend werden 5 bis 15 ml einer 0,025 %-igen wässrigen Lösung
des im Beispiel 3 beschriebenen Produktes sowie 750 ml Verdünnungswasser dem Papier
stoff zugefügt. Nach einer Rührzeit von 5 Sekunden bei 250 Umdrehungen/Minute wurde
das Stoff/ Wassergemisch in die Fiillkammer des Blattbildners (System Rapid-Köthen)
überführt, wobei in der Füllkammer 3 1 Wasser vorgelegt waren. Nach einer Haltezeit
von 20 Sekunden wurde durch Betätigen des Absaugventils das Blatt gebildet. Der
Prozent Asche ist wie im Applikationsbeispiel A ein Mass für die Füllstoffretention:
Flockungs Zugabemenge Konzentration mittel in ml Flockungsmit- Asche gemäss (0,05
%-ige tel in % Beispiel Lösung) (bezogen auf trockenen Papierstoff) 3 5 0,05 6,41
7,5 0,075 7,74 10 0,10 9,26 15 0,15 9,58 ohne - - 4,23
- Beispiel.
C Es wurde ein 1,2 %-iger wässriger Papierbrei folgender Feststoffzusammensetzung
verwendet: 70 Teile Holzschliff 30 Teile gebleichter Sulfitzellstoff 20 Teile Kaolin
2 Teile Aluminiumsulfat Die Prüfung erfolgte wie im Applikationsbeisniel A, aber
als Flockungsmittel wurde eine 0,05 %-ige wässrige Lösung des im Beispiel 2 beschriehenen
Produktes eingesetzt.
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Flockungs- Zugabemenge Konzentration % mittel in ml Flockungstit-
Asche Retention gemEss (0,05 %-ige tel in % Beispiel Lösung (bezogen auf trockenen
Papierstoff) 2 3 0,05 14,47 86,8 6 0,10 15,04 90,2 12 0,20 15,56 93,3 18 0,30 15,47
92,8 ohne - - 12,89 77,3 Beispiel D 125 ml einer 2 %-igen Zellstoffsuspension folgender
Feststoffzusammensetzung:
70 Teile Holzschliff 30 Teile gebleichter
Sulfitzellstoff 15 Teile Kaolin 2 Teile Aluminiumsulfat wurden mit 875 ml Wasser,
die 2,5 bis 15 ml einer 0,05 %-igen wässrigen Lösung des in Beispiel 2 beschriebenen
Produktes enthalten, unmittelbar (ca. 20 Sekunden) vor der Prüfung vermengt und
auf dem Schopper-Riegler-Gerat entwässert. Als Mass für die Flockungswirkung dient
die Zeit, welche für den Austritt einer bestimmten Menge Filtrat aus der Suspension
benötigt wird. Die angewandte Prüfmethode ist im Merkblatt V 17/61 des "Vereins
der Zellstoff-- und Papier-Chemiker und -Ingenieure" beschrieben.
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Flockungs- Zugabemenge Konzentration Entwässerungsmittel in ml Flockungsmittel
zeit gnäss (0,05 %-ige in % (bezoaen (in Sekunden) Beispiel Lösung auf trockenen
Papierstoff) 2 0 - 72,3 2,5 0,05 61,5 5 0,1 55,8 10 0,2 49,6 15 0,3 44,9