DE3237018A1 - QUATERNAERE AMMONIUM GRAFT POLYMERS - Google Patents
QUATERNAERE AMMONIUM GRAFT POLYMERSInfo
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Description
Γ:Γ:
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Quaternäre Ammonium-PfropfpolymereQuaternary ammonium graft polymers
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft neue kationische Pfropfcopolymere und deren Verwendung als Flockungsmittel, Trockenfestigkeitszusätze für Papier und Farbstoffretentionsmittel. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung quaternäre Ammonium-Pfropfcopolymere, die durch Pfropfpolymerisation von wasserlöslichen Vinylmonomeren auf quaternäre Ammoniumpolymere vom ionenen bzw. ionischen Typ hergestellt werden. Die Erfindung betrifft ebenso die Ausflockung suspendierter Stoffe durch die oben genannten Polymeren und ein Papier mit verbesserter Festigkeit und Farbstoffretention, welches durch Verwendung der oben genannten Polymeren hergestellt wird.The present invention relates to new cationic graft copolymers and their use as flocculants, Paper dry strength additives and dye retention agents. In particular, the present invention relates to quaternary ammonium graft copolymers formed by graft polymerization from water-soluble vinyl monomers to quaternary ammonium polymers from ionic or ionic Type to be manufactured. The invention also relates to the flocculation of suspended matter by the above named polymers and a paper with improved strength and dye retention, which by use of the above-mentioned polymers is produced.
In der Technik sind eine Anzahl von Verfahren zur Herstellung von Pfropfcopolymeren bekannt. Diese umfassen Bestrahlungsverfahren, wie sowohl Hochenergiebestrahlung von Gammastrahlen oder Elektronenbeschleunxgern als auch actinische, das heißt photochemische Bestrahlung. Chemische Katalysatoren, welche ebenso verwendet werden, umfassen Initiatorsysteme mit freien Radikalen, wie etwa die Eisenionen-Wasserstoffperoxid-Umsetzung, die zur Unterstützung der Pfropfpolymerisation sehr wirkungsvoll ist.A number of methods for making graft copolymers are known in the art. These include Irradiation methods, as well as high energy radiation from gamma rays or electron accelerators as well actinic, i.e. photochemical radiation. Chemical catalysts which are also used include Initiator systems with free radicals, such as the iron ion-hydrogen peroxide conversion, which are used for Supporting the graft polymerization is very effective.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf ein einziges Verfahren zur Einleitung der Polymerisation beschränkt. Jedoch ist das Initiatorsystem mit Cerionen, wie beschrieben von Mino et al. in der US-PS 2 923 768, besonders ansprechend. Bei diesem Verfahren wird angenommen, daß Cerionen direkt mit einer reaktiven Gegengruppe,The present invention is not limited to a single method of initiating the polymerization. However, the initiator system with cerium ions as described by Mino et al. in U.S. Patent 2,923,768, particularly appealing. In this process it is assumed that cerium ions interact directly with a reactive countergroup,
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etwa einer Hydroxylgruppe an dem polymeren Substrat, reagieren. Das Radikal, welches aus dieser anfänglichen Reaktion resultiert, kann dann mit in Lösung vorliegenden Vinylmonomeren reagieren zur Erzielung eines Pfropfcopolymeren. Bei diesem Verfahren wird relativ wenig Homopolymer gebildet, wenn nicht große Mengen eines Kettenübertragungsmittels zugesetzt werden.about a hydroxyl group on the polymeric substrate. The radical resulting from this initial Reaction results can then react with vinyl monomers present in solution to obtain a graft copolymer. In this process, relatively little homopolymer is formed, if not large amounts of a chain transfer agent can be added.
Es wurde nun gefunden, daß bestimmmte polyquaternäre Ammoniumpolymere des ionenen bzw. ionischen Typs aktive Substrate für PfropfPolymerisationen sind. Durch Cerionen katalysierte Pfropfpolymerisationen auf die oben erwähnten polyquaternären Ammoniumpolymere hergestellte Pfropfpolymere sind ungewöhnlich wirksam als Flockungs-1S mittel, Trockenfestigkeitsmittel für Papier und Farbretentionsmittel. It has now been found that certain polyquaternary ammonium polymers of the ionic or ionic type are active substrates for graft polymerizations. Catalyzed by ceric ion graft polymerization on the above-mentioned polyquaternary ammonium polymers graft polymers produced are unusually effective as flocculants 1 S medium, dry strength agents for paper and color retention agent.
Wasserlösliche, kationische Polymere wurden in einer ffeihe von Anwendungen, einschließlich der Pulpen- und Papierindustrie zur Verbesserung der Festigkeit und der Farbstoffretention, in der Wasserbehandlung, um suspendierte Feststoffe auszuflocken und in der Abwasserbehandlung zur Entwässerung von Schlamm, verwendet. Ständig werden neue Materialien, die in diesen Anwendungen wirk-Water-soluble, cationic polymers were used in a ffnumerous applications including the pulp and paper industries to improve strength and Dye retention, in water treatment to flocculate suspended solids and in wastewater treatment used for dewatering sludge. New materials that are effective in these applications are constantly being
2^ sam sind, hergestellt und ermittelt und Materialien mit verbesserten Eigenschaften fänden bereitwillige Aufnahme. 2 ^ are sampled, manufactured and determined, and materials with improved properties would be readily accepted.
Ein Ziel der Erfindung ist es, neue, kationische Pfropfcopolymere zu schaffen. Ein anderes Ziel der ErfindungIt is an object of the invention to provide new, cationic graft copolymers to accomplish. Another object of the invention
ist es, neue Polymere zu schaffen, welche in den verschiedenen Anwendungen, wie der Ausflockung suspendierter, anorganischer und organischer Stoffe, der Farbstoffretention und Trockenfestigkeitszusätze für Papier sowie deris to create new polymers which can be used in various applications such as flocculation of suspended, inorganic and organic substances, the dye retention and dry strength additives for paper as well as the
Schlaramentwässerung, wirksam sind.
35Irrigation, are effective.
35
-Τι Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, Venfahren zur Verbesserung der Entwässerung und Steigerung der Retention von Feinteilen, Farbstoffen, Pigmenten, Füllstoffen in Stärke beim Papierherstellungsverfahren sowie zur Steigerung der Festigkeit, Verbesserung des Klassierens (Pianierens) und Steigerung der Elektroleitfähigkeit von Papier und Pappe, zur Verfügung zu stellen.-Τι Another object of the invention is to Venfahren Improving drainage and increasing the retention of fines, dyes, pigments, fillers in Strength in the papermaking process, as well as to increase strength, improve classification (Pianierens) and increasing the electrical conductivity of Paper and cardboard to be provided.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es schließlich, Verfahren zum Verbessern der Entwässerung von"Abwasserschlämmen zu liefern. Finally, another object of the invention is to provide methods of improving the drainage of "sewage sludge".
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es ferner, Verfahren zum Ausflocken von Verunreinigungen in Wasser und Verfahren zum Verbessern von Industrieabfällen zur Verfügung zu stellen.Another object of the invention is to provide methods for flocculating contaminants in water and methods to provide for the improvement of industrial waste.
Diese und andere Ziele sowie Vorteile der neuen Polymeren und erfindungsgeraäßen Verfahren werden durch die nachfolgende Beschreibung ersichtlich.These and other objects and advantages of the new polymers and processes according to the invention are illustrated by the following Description visible.
Die vorliegende Erfindung liefert neue, hochmolekulargewichtige, quaternäre Ammonium-Pfropfcopolymere, umfassend einen Substratteil und einen aufgepfropften Teil. Das Substrat ist eine wasserlösliche, polymere, quaternäre Amraoniumzusamraensetzung mit einer Vielzahl von Hydroxypropylengruppen der allgemeinen Struktur .The present invention provides new, high molecular weight, quaternary ammonium graft copolymers comprising a substrate part and a grafted part. The substrate is a water-soluble, polymeric, quaternary Amraonium composition with a large number of hydroxypropylene groups the general structure.
0,H ; 0 , H ;
- A - CH2 - CH - CH2-A-- A - CH 2 - CH - CH 2 -A-
■a■ a
worin A einen tertiären oder quaternären Stickstoff bedeutet, welche dadurch gekennzeichnet ist·, daß die Anzahl quaternärer Stickstoffatome stets die Anzahl tertiärer Stickstoffatome überschreitet. Der Pfropfteil umfaßt polymerisierte, wasserlösliche, nichtionische, anionischewherein A denotes a tertiary or quaternary nitrogen, which is characterized in that the number quaternary nitrogen atoms always exceeds the number of tertiary nitrogen atoms. The plug part includes polymerized, water-soluble, nonionic, anionic
-δι und kationische Vinyladditionsmonomere. Die Menge des aufgepfropften Vinyladditionspolymeren kann zwischen einem Zehntel und dem einhundertfachen der Menge des polyquaternären Ammoniumpolymersubstrate3 variieren. 5-δι and cationic vinyl addition monomers. The amount of grafted vinyl addition polymers can be between between one tenth and one hundred times the amount of the polyquaternary ammonium polymer substrate3. 5
Die oben beschriebenen Pfropfcopolymere werden verwendet, um suspendierte anorganische und organische Stoffe in wäßrigen Lösungen auszuflocken, die Entwässerung und/oder Retention bei der Herstellung von Papier zu verbessern, die Trockenfestigkeit von Papier zu steigern, die Farbretention zu steigern sowie für andere Verwendungen.The above-described graft copolymers are used to flocculate suspended inorganic and organic substances in aqueous solutions, drainage and / or To improve retention in the manufacture of paper, to increase the dry strength of paper, to increase color retention to boost as well as for other uses.
Die erfindungsgemäßen Pfropfcopolymeren umfassen einen Substratteil, das heißt ein vorher hergestelltes Polymer und einen aufgepfropften Teil. Das Substratpolymer ist ein kationisches, polyquaternäres Ammoniumpolymer vom ionenen bzw. ionischen Typ. Im allgemeinen werden diese Subtratpolymeren 'durch Umsetzung eines ditertiären Amins mit Epichlorhydrin hergestellt. Ein bequemes Verfahren zur Herstellung kationischer, polyquaternärer Ammoniumpolymeren, welche für die erfindungsgemäße Verwendung geeignet sind, wird in der US-PS 4 054 542, Buckman et al., beschrieben. Diese enthält eine komplette Beschreibung bezüglich der Einzelheiten der Reaktionsteilnehmer sowie dig Verfahren der Herstellung. Diese Polymeren besitzen ein Molekulargewicht von etwa 40 000.The graft copolymers of the present invention include one Substrate part, i.e. a pre-fabricated polymer and a grafted part. The substrate polymer is a cationic, polyquaternary ammonium polymer of the ionic type. Generally these Subtrate polymers' by reaction of a ditertiary amine made with epichlorohydrin. A convenient method for making cationic, polyquaternary ammonium polymers, which are suitable for use in the present invention is disclosed in U.S. Patent 4,054,542, Buckman et al., described. This contains a complete description regarding the details of the respondents as well dig method of manufacture. These polymers possess a molecular weight of about 40,000.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Polymeren können andere Polymere, wie beschrieben in der US-PS 4 018 592,In addition to the polymers described above, other polymers as described in US Pat. No. 4,018,592,
° Buckman et al., eingesetzt werden. Diese Polymeren besitzen Molekulargewichte im Bereich von 5 000.° Buckman et al., Can be used. These polymers possess Molecular weights in the range of 5,000.
Ein polyquaternäres Ammoniumpolymer kann von einem PoIyamin durch die Funktionalität der Stickstoffatome in demA polyquaternary ammonium polymer can be made from a polyamine by the functionality of the nitrogen atoms in the
nc ,nc,
Polymeren unterschieden werden. In einem polyquaternären Ammoniumpolyraer sind die meisten Stickstoffatome quaternär, das heißt, sie sind covalent an 4 Kohlenstoffatome gebun-Polymers can be distinguished. In a polyquaternary ammonium polymer most of the nitrogen atoms are quaternary, that is, they are covalently bound to 4 carbon atoms
den. In einem Polyamin sind die meisten der Stickstoffatome nicht quaternär. Polyamine können primäre Stickstoffatome, das heißt, diese sind an 1 Kohlenstoffatom und 2 Wasserstoffatome gebunden, sekundäre Stickstoffatome, das heißt, diese sind an 2 Kohlenstoffatome und 1 Wasserstoffatom gebunden, und tertiäre Stickstoffatome, das heißt, diese sind an 3 Kohlenstoffatome gebunden, besitzen. Weiterhin können Polyamine einige Stickstoffatome aufweisen, welche quaternär sind, jedoch werden diese quaternären Stickstoffatome beträchtlich weniger als die Hälfte der Gesamtanzahl der Stickstoffatome betragen. the. In a polyamine, most of the nitrogen atoms are not quaternary. Polyamines can have primary nitrogen atoms, that is, these are bonded to 1 carbon atom and 2 hydrogen atoms, secondary nitrogen atoms, that is, these are bonded to 2 carbon atoms and 1 hydrogen atom, and tertiary nitrogen atoms, that is, these are bound to 3 carbon atoms, own. Furthermore, polyamines can have some nitrogen atoms that are, but become, quaternary these quaternary nitrogen atoms are considerably less than half the total number of nitrogen atoms.
Ein polyquaternäres Ammoniumpolymer wird aus einem ditertiären Amin und einem anderen bifunktionellen Monomeren, wie etwa Epichlorhydrin, hergestellt. Die Umsetzung zwischen diesen zwei Monomeren verbindet 1 Kohlenstoffatom des bifunktionellen Monomeren mit einem Stickstoff an einem tertiären Stickstoff, um einen quaternären Stickstoff zu bilden.A polyquaternary ammonium polymer is made from a di-tertiary amine and another bifunctional monomer, such as epichlorohydrin. The reaction between these two monomers connects 1 carbon atom of the bifunctional monomer with a nitrogen on a tertiary nitrogen to a quaternary To form nitrogen.
Bei dem Verfahren zur Herstellung von Polyaminen treten nur eine geringe Anzahl von Umsetzungen auf, die zu quaternären Aramoniumgruppen führen. Im allgemeinen wird ein Polyamin aus einem mehrfunktionellen Amin, wie etwa Diäthylentriamin, das einige primäre und einige sekundäre Stickstoffatome besitzen kann, hergestellt. Die Polymerisationsumsetzungen zwischen den mehrfunktionellen Aminen und den bifunktionellen Monomeren, wie etwa Epichlorhydrinen, verwandelt primäre Stickstoffe in sekundäre Stickstoffe und sekundäre Stickstoffe in tertiäre Stickstoffe. Unvermeidlich werden hierbei einige der tertiären Stickstoffe, die durch frühere Umsetzungen gebildet werden, zu quaternären Gruppen umgewandelt, jedoch werden be-Step into the process of making polyamines only a small number of conversions leading to quaternary Aramonium groups. Generally will a polyamine of a multifunctional amine, such as diethylenetriamine, some primary and some secondary May have nitrogen atoms, produced. The polymerization reactions between the multifunctional amines and the bifunctional monomers, such as epichlorohydrins, convert primary nitrogens into secondary ones Nitrogen and secondary nitrogen in tertiary nitrogen. Inevitably some of the tertiary ones will be here Nitrogen substances that are formed by previous reactions are converted to quaternary groups, but
trächtlich weniger als die Hälfte der Stickstoffatome quaternisiert.considerably less than half the nitrogen atoms quaternized.
-10-.-10-.
Polyamine können ebenso aus Methylamin und Epichlorhydrin, wie beschrieben in der US-PS 3 567 659, Nagy, hergestellt werden. Bei diesem Verfahren wird absichtlich versucht, die Menge an Querverbindungen durch Herabsetzung der Bildung von quaternären Stickstoffatomen zu verringern. Die von Nagy hergestellten Polyamine besitzen folgende Struktur:Polyamines can also be made from methylamine and epichlorohydrin as described in U.S. Patent 3,567,659, Nagy will. This process intentionally attempts to reduce the amount of cross-linking by reducing the formation of quaternary nitrogen atoms. The polyamines manufactured by Nagy have the following Structure:
CH3 CH 3
■ C-N- CH2CH(OH)CH2 -■ CN- CH 2 CH (OH) CH 2 -
In Lösungen mit saurem pH wandeln sich diese Polyamine in die kationische Form um, beispielsweise das Hydrochloridsalz In solutions with acidic pH, these polyamines convert to the cationic form, for example the hydrochloride salt
CH3
-N- CH0CH(OH)CH0 -]CH 3
-N- CH 0 CH (OH) CH 0 -]
I+ I +
H Cl"H Cl "
Die Struktur eines typischen, erfindungsgemäß als Substrat verwendeten, polyquaternären Ammoniumpolymers, besitzt die allgemeine FormelThe structure of a typical, according to the invention as a substrate polyquaternary ammonium polymer used has the general formula
OHOH
- A - CH2 - CH - CH2 - A- A - CH 2 - CH - CH 2 - A
worin A ein tertiäres oder quaternäres Stickstoffatomwherein A is a tertiary or quaternary nitrogen atom
bedeutet, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Anzahl der quaternären Stickstoffatome stets die Anzahl der tertiären Stickstoffatome überschreitet-means which is characterized in that the number of quaternary nitrogen atoms is always the number of tertiary nitrogen atoms exceeds
In angewandten Verfahren zur Herstellung von polyquater-35 In applied process for the production of polyquater-35
nären Ammoniumpolymeren wird absichtlich versucht, so viel Stickstoffatome wie möglich in der quaternären Form zu haben, über 50 % der Stickstoffatome in polyquaternärenIn normal ammonium polymers, it is intentionally attempted to have as many nitrogen atoms in the quaternary form as possible, over 50 % of the nitrogen atoms in polyquaternary
-11-Ammoniumpolymeren sind quaternäre Stickstoffatome.-11 ammonium polymers are quaternary nitrogen atoms.
Der aufgepfropfte Teil des erfindungsgemäßen Polymeren wird durch die Pfropfpolymerisation eines wasserlöslichen Vinylmonomeren auf das Grundgerüst des Substrates hergestellt. Die erfindungsgemäß verwendeten wasserlöslichen Monomeren umfassen Acrylamid, Methacrylamid, Acrylsäure, Methacrylsäure, Dimethylaminoäthylmethacrylat, N,N-Dimethy!acrylamid, Dimethylarainopropylmethacrylamid, Methacrylamidopropyltrimethylammoniumchlorid, Dimethyldiallylammoniumchlorid, das Quaternisierungsprodukt von Dimethylaminoäthylmethacrylat mit Methylchlorid, das Quaternisierungsprodukt von Diraethylaminoäthylmethacrylat mit Dimethylsulfat und andere wasserlösliche Monomere,The grafted part of the polymer according to the invention is produced by the graft polymerization of a water-soluble vinyl monomer onto the basic structure of the substrate. The water-soluble monomers used according to the invention include acrylamide, methacrylamide, acrylic acid, Methacrylic acid, dimethylaminoethyl methacrylate, N, N-dimethyl acrylamide, Dimethylarainopropyl methacrylamide, methacrylamidopropyltrimethylammonium chloride, Dimethyldiallylammonium chloride, the quaternization product of dimethylaminoethyl methacrylate with methyl chloride, the Quaternization product of diraethylaminoethyl methacrylate with dimethyl sulfate and other water-soluble monomers,
!5 vrie dem Fachmann leicht ersichtlich sein wird»! 5 which will be readily apparent to the skilled person »
Bevorzugte Mischungen umfassen Acrylamid mit einem oder mehreren der anderen, oben aufgeführten Monomeren. Insbesondere bevorzugte Mischungen sind Acrylamid und Acryl- säure, Acrylamid und Dimethylaminoäthylmethacrylat, Acrylamid und das Quaternisierungsprodukt von Dimethylaminoäthylmethacrylat mit Dimethylsulfat, und Acrylamid und das Quaternisierungsprodukt von Dimethylaminoäthylmethacrylat mit Methylchlorid. Ebenso einbezogen sind Mischungen aus drei odermehr Monomeren, wie etwa Acrylamid, Acrylsäure und das Quaternisierungsprodukt von Dimethylaminoäthylmethacrylat mit Dimethylsulfat.Preferred mixtures include acrylamide with one or more of the other monomers listed above. Particularly preferred mixtures are acrylamide and acrylic acid, acrylamide and dimethylaminoethyl methacrylate, acrylamide and the quaternization product of dimethylaminoethyl methacrylate with dimethyl sulfate, and acrylamide and the quaternization product of dimethylaminoethyl methacrylate with methyl chloride. Also included are mixtures of three or more monomers, such as acrylamide, Acrylic acid and the quaternization product of dimethylaminoethyl methacrylate with dimethyl sulfate.
Die Pfropfpolymerisation kann durch eine der verschiedenenThe graft polymerization can be carried out by any of several
Arten initiiert werden. Die Hochenergiebestrahlung, wie etwa Gammastrahlen oder Elektronenbeschleuniger sind bequeme Verfahren für die Verwendung in vielen Pfropfpolymerisationen. Ähnlich ist die photochemische Init-Species are initiated. The high energy radiation, like such as gamma rays or electron accelerators are convenient methods for use in many graft polymerizations. The photochemical initiation is similar
tiierung eine bequeme Radikalquelle, die zur Unterstützung ■a convenient source of radicals to support ■
der PfropfPolymerisationen wirksam ist.the graft polymerizations is effective.
Das bevorzugte Verfahren, die Polymerisation zu initiieren, um die erfindungsgemäßen, kationischen, polyquaternären Ammoniumpfropfcopolymeren herzustellen, besteht in der Verwendung chemischer Katalysatoren. Die Umsetzung zwisehen Eisen{II)ionen und Wasserstoffperoxid stellt solch ein bevorzugtes Katalysatorsystem dar. Andere chemische Katalysatoren sind für den Fachmann offensichtlich.The preferred method of initiating the polymerization to prepare the cationic, polyquaternary ammonium graft copolymers according to the invention, consists in the Use of chemical catalysts. Zwisehen the implementation Iron (II) ions and hydrogen peroxide are such a preferred catalyst system. Other chemical Catalysts are obvious to those skilled in the art.
Ein besonders bevorzugtes Verfahren, die Pfropfpolymerisationen zu initiieren, besteht in der Verwendung von Cersalzen. Es wird angenommen, daß Cerionen mit anhängenden, im Substratpolymer vorliegenden Hydroxylgruppen reagieren. Diese Hydroxylgruppen resultieren aus der Umsetzung von Epichlorhydrin mit einem ditertiären Amin. Das Produkt dieser Umsetzung ist ein Polymer, enthaltend alternierende, quaternäre Ammoniumeinheiten mit Hydroxypropyleneinheiten.A particularly preferred process, the graft polymerizations to initiate consists in the use of cerium salts. It is believed that cerium ions with attached, Hydroxyl groups present in the substrate polymer react. These hydroxyl groups result from the reaction of epichlorohydrin with a di-tertiary amine. The product of this reaction is a polymer containing alternating, quaternary ammonium units with hydroxypropylene units.
Das aus der Umsetzung der Cerionen mit den Hydroxylgruppen resultierende Radikal ist gegenüber Vinylmonomeren reaktiv. Die Polymerisation schreitet sodann voran unter Zugabe weiterer Vinylmonomeren und bildet eine neue, polymere, aufgepfropfte Kette, von der ein Ende covalent an das Substratpolymer gebunden ist. Das Ergebnis dieser Pfropf- ° polymerisation ist das erfindungsgemäße, kationische, polyquaternäre Ammoniumpfropfcopolymer.That from the reaction of the cerium ions with the hydroxyl groups resulting radical is reactive with vinyl monomers. The polymerization then proceeds with the addition of further vinyl monomers and forms a new, polymeric, grafted chain, one end of which is covalently bonded to the substrate polymer. The result of this graft ° polymerization is the inventive, cationic, polyquaternary ammonium graft copolymer.
Die Umsetzungsbedingungen können über einen weiten Bereich variiert werden. Die erf indungsgemäßen Pfropfcopoly-The conversion conditions can be varied over a wide range. The inventive graft copoly-
■■
meren können unter Bedingungen hergestellt werden, bei denen die Gewichtsmengen des polyquaternären Amtnoniurnpolymeren (Substrat )und des Vinylmonomeren (Pfropf)in etwa gleich sind. Beispielsweise kann das Gewichtsverhältnis von Substrat zu Vinylmonomermers can be produced under conditions in which the amounts by weight of the polyquaternary official regular polymer (substrate) and of the Vinyl monomers (graft) are roughly the same. For example, the weight ratio of substrate to vinyl monomer
im Bereich von 10 : Ibis 1 : 10 sein. Durch dieses ■ ■ . be in the range of 10: Ibis 1:10. Through this ■ ■.
Verfahren werden Pfropfcopolymere mit Molekulargewichten bis zu 1 000 000 oder mehr erzeugt.Processes produce graft copolymers with molecular weights of up to 1,000,000 or more.
Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, daß sogar höher molekulargewichtige Pfropfpolymere erzeugt werden, wenn das Gewichtsverhältnis von Substrat zu Monomer wesentlich niedriger als 1 : 10 ist. Beispielsweise werden außergewöhnlich hochmolekulargewichtige Pfropfcopolymere hergestellt, wenn das Gewichtsverhältnis von Substrat zu Monomer ungefähr 1 : 50 beträgt. Unter Anwendung dieser Verhältnisse der Reaktanden hergestellte Produkte sind völlig wirksame Flockungsmittel. 10According to the invention it has been shown that even higher molecular weight Graft polymers are produced when the weight ratio of substrate to monomer is significant is less than 1:10. For example, exceptionally high molecular weight graft copolymers are produced, when the weight ratio of substrate to monomer is about 1:50. Using this Products made with ratios of reactants are perfectly effective flocculants. 10
Werden Produkte mit niedrigeren Molekulargewichten erstrebt, so sind hohe .Gewichtsverhältnisse von Substrat zu Monomer bevorzugt. Weiterhin, wie beschrieben in der US-PS 3 711 573, Nagy, können Isopropanol oder andere Kettenübertragungsmittel der Reaktionsmischung zugesetzt werden, um das Molekulargewicht zu reduzieren.If products with lower molecular weights are sought, high weight ratios of substrate to monomer are preferred. Furthermore, as described in U.S. Patent 3,711,573, Nagy, can be isopropanol or others Chain transfer agent added to the reaction mixture to reduce the molecular weight.
Im allgemeinen ist es erwünscht, ein Endprodukt mit einem hohen Polymerfeststoff gehalt f.\x erhalten. Die ^O Behälter- und Frachtkosten von Polymerlösungen mit niederen Feststoffgehalten steigern die Kosten des Produktes und machen es unwirtschaftlich, auch wenn die Polymereigenschaften vorzüglich sind. Wasserlösliche Polymere, deren Molekulargewichte etwa 1 000 000 oder mehr betragen, ergeben sehr viskose wäßrige Lösungen. Die obere Grenze des Polymergehaltes in einer wäßrigen Lösung eines hoehmolekulargewichten, wasserlöslichen Polymeren beträgt weniger als 10 % für Molekulargewichte nahe 1 000 000. Lösungen, die höhere Polymer- In general, it is desirable to provide a final product for content with a high polymer solid. Get \ x. The container and freight costs of polymer solutions with low solids contents increase the cost of the product and make it uneconomical, even if the polymer properties are excellent. Water-soluble polymers, the molecular weights of which are about 1,000,000 or more, give very viscous aqueous solutions. The upper limit of the polymer content in an aqueous solution of a high molecular weight, water-soluble polymer is less than 10% for molecular weights close to 1,000,000. Solutions that have higher polymer
feststoffgehalte enthalten, sind für die Verwendung in manchen Bereichen zu viskos.solid contents are suitable for use in too viscous in some areas.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung solch hochmolekulargewichtiger PfropfcopolymereIn a preferred embodiment of the method for Production of such high molecular weight graft copolymers
unter Beibehaltung eines hohen Gesamtpolymerfeststoffgehaltes, wird ein geringes Gewichtsverhältnis von Substratpolymer zu Monomer angewandt. Der Gesamtfeststoff-while maintaining a high total polymer solids content, a low weight ratio of substrate polymer becomes applied to monomer. The total solids
-11--11-
gehalt (Substratpolymer + Monomer) wird hochgehalten, größer als 10 %. Die Umsetzung wird initiiert mit einem Cerionenkatalysator, worauf die Polymerisation fortschreitet. Um Gelbildung zu vermeiden,sowie die Viskositat zu steigen beginnt, wird zusätzliches, niedermolekulargewichtiges, polyquaternäres Ammoniumpolymer (Substrat) zugefügt. Da der Polymergehalt der Substratlösung 25 % oder höher sein kann, nimmt der gesamte Polymerfeststoffgehalt in der Pfropfcopolymerlösung nicht ab. Um die Viskosität der Pfropfcopolymerlösung weiterhin zu regulieren kann ebenso Isopropanol oder ein anderes Kettenübertragungsmittel, entwedervor,zurgieichen Zeit oder anschließend an die Zugabe der zugesetzten Polymersubstratlösung, zugesetzt werden".content (substrate polymer + monomer) is kept high, greater than 10%. The reaction is initiated with a cerium ion catalyst, whereupon the polymerization proceeds. To avoid gel formation as soon as the viscosity begins to rise, additional, low molecular weight, polyquaternary ammonium polymer (substrate) is added. Since the polymer content of the substrate solution can be 25 % or higher, the total polymer solids content in the graft copolymer solution does not decrease. In order to further regulate the viscosity of the graft copolymer solution, isopropanol or another chain transfer agent can also be added either before, at the same time or after the addition of the added polymer substrate solution ".
In Abhängigkeit der Monomermenge der anfänglichen Beschickung und der Menge an polyquaternärem Ammoniumsubstratpolymer, welches in der zweiten Beschickung zugeführt wird, kann der Endpolymerfeststoffgehalt von 5 bis 25 % oder höher variieren.Depending on the amount of monomer in the initial feed and the amount of polyquaternary ammonium substrate polymer fed in the second feed, the final polymer solids can vary from 5 to 25 percent or higher.
Die für eine wirksame Pfropfpolymerisation notwendigen Bedingungen sind nicht kritisch. Der pH der Lösung sollte sauer sein, und zwar im Bereich von 1 bis 4 pH-Einheiten. Das Monomer muß nicht von hoher Reinheit sein. Beispielsweise wird Acrylamid oft als eine 50 %ige, wäßrige Lösung, enthaltend Kupferionen als Polymerisationsinhibitor, angewandt. Zwar werden durch Entfernung des Kupfers durch Ionenaustausch einige Vorteile erzielt,Those necessary for effective graft polymerization Conditions are not critical. The pH of the solution should be acidic, in the range of 1 to 4 pH units. The monomer need not be of high purity. For example Acrylamide is often used as a 50% strength aqueous solution containing copper ions as a polymerization inhibitor. Removing the Copper achieves some advantages through ion exchange,
indem etwas höhere Molekulargewichte erreichbar sind, jedoch ist diese Reinigungsstufe nicht kritisch oder notwendig.in that slightly higher molecular weights can be achieved, however, this purification stage is not critical or necessary.
Die Temperatur ist in ähnlicher kein kritischer Parameter. Eine gute Pfropfwirksamkeit wird sowohl bei Raumtemperaturen als auch bei höheren Temperaturen erhalten. Oftmals wird Sauerstoff aus der Lösung entfernt, so daßSimilarly, temperature is not a critical parameter. Good grafting efficiency is obtained both at room temperatures and at higher temperatures. Often times oxygen is removed from the solution so that
Pfropfpolymere mit höherem Molekulargewicht erhalten werden, jedoch ist dies nicht kritisch» Eine adäquate Polymerisationswirksamkeit und Molekulargewichte werden erhalten, wenn keine Anstrengungen unternommen werden, den Sauerstoff zu entfernen.Obtained graft polymers with higher molecular weight However, this is not critical »Adequate polymerization efficiencies and molecular weights will be obtained if no effort is made to remove the oxygen.
Es ist in der Technik hinreichend bekannt, daß wenn zwei oder mehrere Monomere copolymerisiert werden, unterschiedliche Eigenschaften erhalten werden, wenn die betreffenden Konzentrationen der Monomeren verschieden sind. Das gleiche trifft auf Pfropfcopolymerisationen zu. Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise Schlammentwässerung, hat sich gezeigt, daß hohe Verhältnisse eines kationischen Monomeren, wie etwa das Dimethylsulfat-Quaternisierungsprodukt von Dimethylaminoäthylmethacrylat } zu Acrylamid, ein Produkt mit ausgezeichneten Eigenschaften liefert. Für andere Anwendungen, beispielsweise Wasserreinigung, wurden beste Resultate erhaltenf wenn der aufgepfropfte Teil nur geringe Mengen eines kationisehen Monomeren enthält, oder, wenn der Pfropfteil sogar vollständig nichtionig ist, das heißt eine Polyacrylamidaufpfropfung. It is well known in the art that when two or more monomers are copolymerized, different properties are obtained when the respective concentrations of the monomers are different. The same is true of graft copolymerizations. For certain applications, for example sludge dewatering, it has been found that high ratios of a cationic monomer, such as the dimethyl sulfate quaternization product of dimethylaminoethyl methacrylate} to acrylamide, provide a product with excellent properties. For other applications, for example water purification, the best results were obtained when f of the grafted portion contains only small amounts of a kationisehen monomers, or when the graft is even completely nichtionig, that is, a Polyacrylamidaufpfropfung.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung näher, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.The following examples explain the invention in more detail, but without being limited to it.
Teile, wie sie hierbei und in den Ansprüchen angegeben sind, beziehen sich auf das Gewicht.Parts, as they are given here and in the claims, are based on weight.
In diesem Beispiel wird die Herstellung eines polyquaternären Ammoniumpolymeren, welches als das Substratpolymer in der anschließenden Pfropfpolymerisation geeignet ist, veranschaulicht.This example is making a polyquaternary Ammonium polymer, which is suitable as the substrate polymer in the subsequent graft polymerisation, illustrated.
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Ein Epichlorhydrin-Methylaminprepolymer wrude hergestellt durch Umsetzen von 800 Teilen einer 50 %igen wäßrigen Methylaminlösung mit 2424 Teilen Epichlorhydrin. Die Umsetzung wurde bei 350C in 600 Teilen n^-Propanbllösungsmittel ausgeführt. Nach Vervollständigung der Umsetzung wurden 272 Teile konzentrierte Schwefelsäure zugefügt.An epichlorohydrin-methylamine prepolymer was prepared by reacting 800 parts of a 50% aqueous methylamine solution with 2424 parts of epichlorohydrin. The reaction was conducted at 35 -Propanbllösungsmittel n ^ 0 C in 600 parts. After the completion of the reaction, 272 parts of concentrated sulfuric acid were added.
Das polyquaternäre Ammoniumpolymer wurde dann durch Zugabe von 2007 Teilen Wasser und 2275 Teilen einer wäßrigen Lösung, enthaltend 60 % N,N,N1,N1-Tetramethyläthylendiamin hergestellt. Die Mischung wurde auf 70 bis 750C erwärmt bis der Behälterinhalt viskos wurde, wobei an dieser Stelle die Reaktanden mit 7678 Teilen Wasser verdünnt wurden. Die Mischung wurde erneut erwärmt und die Umsetzung fortgeführt, bis die Viskosität erneut zunahm. Die Polymerisationsreaktion wurde durch Zugabe von 402 Teilen Schwefelsäure und 298 Teilen Wasser abgestopt.. Die fertige Lösung enthielt 25 Gew.% polymere Feststoffe. Über 80 % der Stickstoffatome in diesem Polymer sind quaternäre Stickstoffatome.The polyquaternary ammonium polymer was then prepared by adding 2007 parts of water and 2275 parts of an aqueous solution containing 60 % of N, N, N 1 , N 1 -tetramethylethylenediamine. The mixture was heated to 70 to 75 ° C. until the container contents became viscous, at which point the reactants were diluted with 7678 parts of water. The mixture was reheated and the reaction continued until the viscosity increased again. The polymerization reaction was stopped by adding 402 parts of sulfuric acid and 298 parts of water. The finished solution contained 25% by weight of polymer solids. Over 80% of the nitrogen atoms in this polymer are quaternary nitrogen atoms.
Dieses Beispiel beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Pfropfcopolymeren.This example describes a method of manufacture of a graft copolymer according to the invention.
In einen, mit einem Rührer, Thermometer und einer Stickstoffeinlaßröhre versehenen Ein-Liter-Glaskolben wurden 250 g des polyquaternären Ammoniumpolymeren aus Beispiel 1, 100 g einer 50 %igen wäßrigen Acrylamidlösung und 147 g entionisiertes Wasser z-ugegeben. Die Lösung wurde gerührt und mit Stickstoff gespült, um gelöste Luft zu entfernen. In diese Mischung wurden 3 ml einer Katalysatorlösung, bestehend aus 0,1 N Cerammoniumnitrat in 1 N Salpetersäure,zugesetzt werden.In one, with a stirrer, thermometer, and nitrogen inlet tube provided one-liter glass flask, 250 g of the polyquaternary ammonium polymer from Example 1, 100 g of a 50% strength aqueous acrylamide solution and 147 g of deionized water are added. The solution was stirred and purged with nitrogen to remove dissolved air. In this mixture were 3 ml of a catalyst solution, consisting of 0.1 N ceric ammonium nitrate in 1 N nitric acid.
i -17-i -17-
Unmittelbar trat Reaktion ein. Die Temperatur stieg und die Lösung wurde in etwa 5 Minuten sehr viskos. Die Umsetzung wurde 2 Stunden fortgeführt. Die^resultierende Lösung enthielt 22,5 % des polyquaternären"Ammonium-Acrylamidpfropfcopolymeren, wobei etwa 55,6 % des Pfropfcopolymeren aus dem Substrat stammen und e$wa 44,4 % des Pfropfcopolymeren polymerisiertes Acrylamid sind.There was an immediate reaction. The temperature rose and the solution became very viscous in about 5 minutes. The reaction was continued for 2 hours. The ^ resulting Solution contained 22.5% of the polyquaternary "ammonium-acrylamide graft copolymer, where about 55.6% of the graft copolymer comes from the substrate and e $ wa 44.4% of the graft copolymer are polymerized acrylamide.
::
Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung* eines anderen polyquaternären Ammoniumpolymeren, das als] Substratpolymer in darauffolgenden Pfropfpolymerisatiohen geeignet ist.This example describes the making * of another polyquaternary ammonium polymer which is suitable as a substrate polymer in subsequent graft polymers is.
{ Das ionische Polymer Polyhydroxyäthylen(dy.methylimino )-äthylen(dimethylimino )methylendichlorid iwurde hergestellt durch Vermischen von 375 Teilen eirfer wäßrigen Lösung, enthaltend 60 % Ν,Ν,Ν1, N1-Tetrametfhyläthylendiamin (TMEDA) und 4496 Teilen Salzsäure <$31 ,5 % HCl), bei einer Temperatur unter 500C. Während d,ie Temperatur durch Kühlen bei 40 bis 5O0C gehalten wur4e, wurden 3588 Teile Epichlorhydrin zugefügt. Die Mischung wurde weiterhin eine halbe Stunde lang gerührt i*nd dann auf 60 bis 700C erhitzt und bei dieser Temperatur beibehalten, während zusätzlich 3750 Teile einer wäßrigen Lösung von TMEDA zugegeben wurden. Die Konzentration wurde durch Abdestillieren einer geringentMenge Wasser aus dem Produkt auf 60-% Polymerfeststoffgehalt eingestellt. Das Molekulargewicht des Produktes beträgt etwa 5000. Sämtliche Stickstoffatome in diesem'1 Polymeren sind quaternäre Stickstoffatome. J{The ionic polymer polyhydroxyethylene (dy.methylimino) ethylene (dimethylimino) methylene dichloride was prepared by mixing 375 parts of an aqueous solution containing 60% Ν, Ν, Ν 1 , N 1 -tetramethylethylenediamine (TMEDA) and 4496 parts of hydrochloric acid <$ 31 , 5% HCl), maintained at a temperature below 50 0 C. During d, ie temperature by cooling at 40 to 5O 0 C wur4e, 3588 parts of epichlorohydrin were added. The mixture was further stirred for half an hour and then heated to 60 to 70 ° C. and maintained at this temperature, while 3750 parts of an aqueous solution of TMEDA were also added. The concentration was adjusted to 60% polymer solids by distilling off a small amount of water from the product. The molecular weight of the product is about 5000. All of the nitrogen atoms in this' 1 polymer are quaternary nitrogen atoms. J
;v Dieses Beispiel veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung eines Pfropfcopolymeren unter Verwendung des Polymeren aus Beispiel 3 als Substrat.; v This example illustrates a method of making a graft copolymer using the polymer from Example 3 as a substrate.
Es wurde das Vorgehen gemäß Beispiel 2 angewandt, ausgenommen daß 313 g Wasser, 100 g einer 50 %igen Acrylamidlösung und 84 g des polyquaternären Ammoniumpolymeren aus Beispiel 3 dem Reaktionsgefäß zugegeben wurde. 3 ml des Cer-Katalysators wurden zugefügt und innerhalb weniger Minuten wurde eine viskose Polymerlösung erhalten. 25 Minuten nach Zugabe der ersten 3 ml des Katalysators wurden weitere 3 ml des Katalysators zugefügt. 25 Minuten nach dieser zweiten Katalysatorzugabe wurden weitere 3 ml des Cer-Katalysators eingebracht. Die resultierende, klare, viskose Lösung enthielt etwa 20,1 Gew.^Polymer,wobei ungefähr die Hälfte aufgepfropftes Acrylamid war und der Rest vom polyquaternären Ammoniumpolymersubstrat aus Beispiel 3 stammte.The procedure of Example 2 was used, except that 313 g of water, 100 g of a 50% acrylamide solution and 84 g of the polyquaternary ammonium polymer from Example 3 was added to the reaction vessel. 3 ml of the cerium catalyst was added and inside a viscous polymer solution was obtained in a few minutes. 25 minutes after adding the first 3 ml of the catalyst a further 3 ml of the catalyst were added. 25 minutes after this second addition of catalyst were more 3 ml of the cerium catalyst introduced. The resulting clear, viscous solution contained about 20.1% by weight of polymer, wherein about half was grafted acrylamide and the The remainder was from Example 3 polyquaternary ammonium polymer substrate.
Das Vorgehen gemäß Beispiel 2 wurde generell angewandt, ausgenommen das 118,5 Wasser, 7,5 g Isopropanol, 70 g Acrylamid und 250 g des polyquaternären Polymeren aus Beispiel 1 in dem Reaktionskolben gerührt wurden. Zusätzlich zu dem Acrylamid wurden die in Tabelle 1 aufgeführten Vinyladditionsmonomeren in getrennten Ansätzen verwendet. Dabei wurden in jedem Falle 30 g des aufgeführten Monomers zugegeben. 3 ml des Cer-Katalysators wurden zugefügt. In jedem Falle stieg die Temperatur an und die Lösung wurde viskos, wodurch angezeigt wurde, daß eine Pfropfpolymerisation eintrat. Es wurde zusätzlich Cer-Katalysator (3 ml bei jeder Zugabe) zugesetzt. Insgesamt wurden 21 ml Katalysator jeweils eingebracht, mit Ausnahme des Beispiels 11, bei dem nur 12 ml zugesetzt wurden. In diesem Falle war die Lösung bereits extrem viskos.The procedure according to Example 2 was generally used, excluding the 118.5 g of water, 7.5 g of isopropanol, 70 g of acrylamide and 250 g of the polyquaternary polymer from Example 1 were stirred in the reaction flask. In addition to the acrylamide, those listed in Table 1 have been made Vinyl addition monomers used in separate batches. In each case, 30 g of the listed Monomers added. 3 ml of the cerium catalyst was added. In each case the temperature rose and the solution became viscous, indicating that graft polymerization was occurring. It was added Cerium catalyst added (3 ml with each addition). All in all 21 ml of catalyst were introduced in each case, with the exception of Example 11, in which only 12 ml were added. In this case the solution was already there extremely viscous.
Bsp. Comonomer in Verwendung mit Acrylamid, gesamterE.g. comonomer in use with acrylamide, total
zur Bildung des Pfropfcopolyraeren Polymerfest·for the formation of the graft copolymer polymer solid
-- ·. '·. ' stoff gehaltsubstance content
5 Dimethylarainoäthylmethacrylatmetho-5 Dimethylarainoäthylmethacrylatmetho-
sulfat (80% Lösung) '24,3sulfate (80% solution) '24, 3
6 Dimethylaminoäthylmethacrylatmethylchlorid (75 % Lösung) 24,06 dimethylaminoethyl methacrylate methyl chloride (75% solution) 24.0
7 Dimethylaminopropylmethacrylamid 25,57 dimethylaminopropyl methacrylamide 25.5
8 Methacrylamidopropyltrimethylammoniumchlorid (50 % Lösung) 22,58 methacrylamidopropyl trimethyl ammonium chloride (50% solution) 22.5
9 Dimethyldiallylammoniumchlorid 25,59 dimethyldiallylammonium chloride 25.5
10 N,N-Dimethylacrylamid 25,510 N, N-dimethylacrylamide 25.5
11 Acrylsäure 26,111 acrylic acid 26.1
Das Vorgehen gemäß Beispiel 2 wurde wiederholt mit Ausnahme, daß der Cer-Katalysator nicht verwendet wurde. In das Reaktionsgefäß wurden 250 g des polyquaternären Ammoniumpolymeren aus Beispiel 1, 100 g einer 50 %igen Acrylamidlösung und 147 g Wasser zugefügt. Der pH wurde auf 3,5 mit 50 %igen Natriumhydroxid eingestellt.The procedure according to Example 2 was repeated with the exception that the cerium catalyst was not used. 250 g of the polyquaternary were placed in the reaction vessel Ammonium polymers from Example 1, 100 g of a 50% Acrylamide solution and 147 g of water were added. The pH was adjusted to 3.5 with 50% sodium hydroxide.
2 ml von 0,35 %igen Wasserstoffperoxid wurden dem Kolben zugefügt, rasch gefolgt von 2 ml einer Lösung, bestehend aus 0,1 M Eisen(Il)ammoniumsulfat in 1 M Schwefelsäure. Es war ein sofortiger Temperaturanstieg zu beobachten, begleitet von einer Viskositätszunahme. Die Umsetzung wurde 40 Minuten weitergeführt, worauf 7,5 ml Isopropanol zugesetzt wurden, gefolgt von einer zusätzlichen Katalysatoreinbringung, das heißt 2 ml 0,35 %igen Wasserstoffperoxid und 2 ml der Eisensalzlösung. Während den nächsten 2 Stunden erfolgten zwei weitere Zugaben des Katalysatorsystems (Eisensalzlösung und H^Op). Die resultierende Lösung war im Aussehen und der Zusammensetzung dem Produkt aus Beispiel 2 ähnlich, ausgenommen,2 ml of 0.35% hydrogen peroxide was added to the flask added, followed quickly by 2 ml of a solution consisting of 0.1 M iron (II) ammonium sulfate in 1 M sulfuric acid. An immediate increase in temperature was observed, accompanied by an increase in viscosity. The implementation was continued for 40 minutes after which 7.5 ml of isopropanol was added followed by an additional one Introduction of the catalyst, that is to say 2 ml of 0.35% strength hydrogen peroxide and 2 ml of the iron salt solution. While Two further additions of the catalyst system (iron salt solution and H ^ Op) were made over the next 2 hours. the resulting solution was both in appearance and composition similar to the product from example 2, except
daß das Produkt dieses Beispiels etwas weniger Polymerfeststoff enthält, nämlich 21,6 %.that the product of this example contains slightly less polymer solids, namely 21.6%.
Pas folgende Beispiel beschreibt die Herstellung des erfindungsgemäßen, polyquaternären Ammöniumpfropfcopolymeren unter Anwendung einer Kombination aus zwei Katalysatorsystemen.The following example describes the preparation of the polyquaternary ammonium graft copolymer according to the invention using a combination of two catalyst systems.
Das Vorgehen gemäß Beispiel 2 wurde wiederholt. In das Reaktionsgefäß wurden 250 g des Polymeren aus Beispiel 1, 100 g einer 50 %igen Acrylamidlösung und 147 g Wasser eingebracht. 3 ml des Cer-Katalysators wurden zugefügt.The procedure according to Example 2 was repeated. In the The reaction vessel contained 250 g of the polymer from Example 1, 100 g of a 50% strength acrylamide solution and 147 g of water brought in. 3 ml of the cerium catalyst was added.
Die Temperatur stieg an und die Lösung wurde viskos.The temperature rose and the solution became viscous.
2 Stunden nach Initiierung der Umsetzung wurden 7,5 ml Isopropanol zugesetzt, gefolgt von 2 ml an 0,35 %igen Wasserstoffperoxid und 2 ml der Eisen(II)sulfatlösung, wie in Beispiel }2 beschrieben. Eine wesentliche Menge an unreagiertem Monomer war infolge der ersten Zugabe des Cer-Katalysators vorhanden, da ein sofortiger Temperaturanstieg und eine leichte Viskositätserhöhung eintraten. Zwei weitere Zugaben von 2 ml von sowohl der Peroxid- als auch der Eisensalzlösung erfolgten.2 hours after the initiation of the reaction, 7.5 ml of isopropanol were added, followed by 2 ml of 0.35% strength hydrogen peroxide and 2 ml of the iron (II) sulfate solution, as described in Example } 2 . A substantial amount of unreacted monomer was present as a result of the initial addition of the cerium catalyst as there was an immediate rise in temperature and a slight increase in viscosity. Two further additions of 2 ml of both the peroxide and iron salt solutions were made.
Nach der letzten Katalysatorzugabe trat keine bemerkbare Umsetzung ein. Das Produkt dieses Beispiels war in seinem Aussehen und der Zusammensetzung dem Produkt aus Beispiel 12 sehr ähnlich. No noticeable conversion occurred after the last addition of catalyst. The product of this example was in his Appearance and composition very similar to the product from Example 12.
Das folgende Beispiel veranschaulicht ein anderes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Pfropfcopolymeren. The following example illustrates another method of making the graft copolymer of the present invention.
,,
Das Vorgehen gemäß Beispiel 2 wurde im allgemeinen
wiederholt, ausgenommen,daß zwei Reaktionsgefäßte mit
100 g einer 50 %igen Acrylamidlösung, HJ7 g Wasser und
4 g des polyquaternären Ammoniumpolymeren aus Beispiel 1 beschickt wurden. Das Verhältnis von Acrylamid zu dem
polyquaternären Ammoniumpolymer betrug somit 50 : I1-auf
Feststoffbasis. 3 ml einer Ger-Katalysatorlösung
wurde jedem Gefäß zugeführt. In jeder Lösung trat ein
sofortiger Temperaturanstieg, gefolgt von einer raschen
Viskositätssteigerung auf. Wenn die Viskosität zu groß
wurde, daß die Lösung begann am Rührschaft hochzusteigen, wurden in das erste Gefäß 250 ml Wasser (Lösung.IkA)
und in das zweite Gefäß 250 ml des polyquaternären
Ammoniumpolymeren aus Beispiel 1 (Lösung I1JB) eingebracht.The procedure of Example 2 was generally followed
repeated except that two reaction vessels with
100 g of a 50% strength acrylamide solution, HJ7 g of water and 4 g of the polyquaternary ammonium polymer from Example 1 were charged. The ratio of acrylamide to that
polyquaternary ammonium polymer was thus 50: I 1 on a solids basis. 3 ml of a Ger catalyst solution
was added to each jar. Occurred in every solution
immediate rise in temperature, followed by a rapid increase in viscosity. When the viscosity became too high that the solution began to rise on the stirrer shaft, 250 ml of water (solution. IkA) were added to the first vessel.
and in the second vessel 250 ml of the polyquaternary
Ammonium polymers from Example 1 (solution I 1 JB) introduced.
Die Umsetzungen liefen weiter, wie durch einen geringen
Temperaturanstieg und eine bemerkbare Viskositätssteigerung zu sehen war. 2 Stunden nach anfänglicher Katalysatorzugabe
wurden weitere 300 ml Wasser der Lösung 14A zugesetzt.
Dann wurden jeder Lösung 7,5 ml Isopronal zugefügt, gefolgt durch Zugabe von 2 ml verdünntem Wasserstoffperoxid
und 2 ml der Eisensalzlösung, wie in Beispiel 12 beschrieben. Ein zweiter Eintrag von 2 ml
von sowohl der Eisensalzlösung als auch der Peroxidlösung wurde jeder Lösung zugegeben. Die resultierenden Lösungen
enthielten ungefähr 6,3 % Polymerfeststoff in Lösung 14A
und 21,8 % in Lösung 14B.The reactions continued, as could be seen from a slight increase in temperature and a noticeable increase in viscosity. 2 hours after the initial addition of catalyst, a further 300 ml of water were added to solution 14A. 7.5 ml of Isopronal was then added to each solution, followed by the addition of 2 ml of dilute hydrogen peroxide and 2 ml of the iron salt solution as described in Example 12. A second entry of 2 ml
both the iron salt solution and the peroxide solution were added to each solution. The resulting solutions contained approximately 6.3% polymer solids in solution 14A and 21.8% in solution 14B.
Die erfindungsgeraaßen, polyquaternären Aramoniumpfropfpolymeren
wurden auf ihre Wirksamkeit als Flockungsmittel in einem Laborgefäß-Test geprüft. 1500 ml einer
0,M Gew.%igen Suspension von Fuller's Earth (Kaolin)
wurden jedem Gefäß zugegeben und mit einem Rührstab mit 100 U/min gerührt. Variierende Mengen der zu prüfenden
Polymerlösung wurden zugefügt und das Rühren eine Minute fortgesetzt, danach das Rühren eingestellt und dieThe polyquaternary aramonium graft polymers according to the invention were tested for their effectiveness as flocculants in a laboratory vessel test. 1500 ml one
0.1 M% by weight suspension of Fuller's Earth (kaolin)
were added to each jar and stirred with a stir bar at 100 rpm. Varying amounts of the polymer solution to be tested were added and stirring was continued for one minute, after which the stirring was stopped and the
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Suspension zum Absetzen 5 Minuten stehengelassen. Es wurden Beobachten über die Ausflockungsgeschwindigkeit, das heißt das Absetzverhältnis, sowie der Endklarheit der überstehenden Lösung nach 5 Minuten angestellt. 5Let the suspension stand for 5 minutes to settle. Observations have been made about the flocculation rate, that is, the settling ratio, as well as the final clarity of the supernatant solution after 5 minutes. 5
Die Flockungsgeschwindigkeit wurde qualitativ bewertet und die Polymeren in der Reihenfolge ihrer Flockungsgeschwindigkeiten eingestuft."Die Klarheit der Prüflösung wurde auf einer Skala von 0 bis 5 (0 bedeutet kein Absetzen und 5 kennzeichnet eine klare überstehende Schicht) nach einer Absetzzeit von 5 Minuten eingeteilt.The flocculation rate was assessed qualitatively and the polymers in the order of their flocculation rates classified. "The clarity of the test solution was on a scale from 0 to 5 (0 means no settling and 5 indicates a clear protruding layer) divided according to a settling time of 5 minutes.
Tabelle 2 zeigt den Vergleich der Eigenschaften des nach Beispiel 2 hergestellten Pfrcpfcopolymeren mit zwei im Handel erhältlichen Produkten, von denen beide zur Behandlung von Wasser, um suspendierte Stoffe zu entfernen, verwendet werden. Das handelsübliche Produkt A besteht aus 25 Gefo.% und das handelsübliche Produkt B aus 40 Gew.% Polymerfeststoffen. Eine verdünnte Lösung (1500 ppm) jedes zu prüfenden, polymeren Produktes wurde zuerst hergestellt. Dann wurden 2, 4 oder 8 ml dieser verdünnten Polymerlösungen der Kaolinsuspension zugesetzt. Die Anwendungsmenge jeder Verdünnung des polymeren Produktes betrug somit 2,4 oder 8 ppm. Da·, sich jedochTable 2 shows the comparison of the properties of the graft copolymer prepared according to Example 2 with two commercially available products, both of which are used to treat water to remove suspended matter. The commercial product A consists of 25% by weight and the commercial product B consists of 40% by weight of polymer solids. A dilute solution (1500 ppm) of each polymeric product to be tested was first prepared. Then 2, 4 or 8 ml of these dilute polymer solutions were added to the kaolin suspension. The application level of each dilution of the polymeric product was thus 2.4 or 8 ppm. There ·, however
2^ die Produkte auf Basis ihrer prozentualen Feststoffgehalte unterscheiden, ist die Anwendungsmenge auf Basis der Gesamtpolymerfeststoffgehalte natürlich unterschiedlich. 2 ^ differentiate the products on the basis of their percentage solids content, the application amount is of course different based on the total polymer solids content.
« fl ·«Fl ·
Tabeile 2Table 2
Klarheitsbewertung bei Anwendungsmengen vonClarity rating for application amounts of
Produkt aus Beispiel 2 (22,5%) Handelsprodukt A (25 %) Handelsprodukt B (40 %)Product from example 2 (22.5%) commercial product A (25%) commercial product B (40%)
1010
Das Produkt aus Beispiel 2 ergab bei jeder Anwendungsmenge das schnellste Absetzverhältnis. Tabelle 2 zeigt, daß die zwei Handelsprodukte gute Klarheit bei diesen Anwendungsmengen mit einer maximalen Wirkung bei 4 ppm ergeben.' Das Produkt aus Beispiel 2 ergab zusätzlich zu den schnellsten Absetzverhältnissen eine wesertlich bessere Klarheit bei gering höheren Anwendungsmengen, ohne eine Abnahme der Wirksamkeit bei höheren Anwendungsmengen. Es zeigte sich eine ausgezeichnet Wirksamkeit über einen weiteren Bereich in den Anwendungsmengen.The product from Example 2 gave the fastest settling ratio at each application level. Table 2 shows that the two commercial products have good clarity at these application levels with a maximum effect at 4 ppm. ' The product from Example 2 gave in addition to the fastest settling conditions a significantly better clarity with slightly higher application quantities, without a decrease in effectiveness with higher application amounts. The effectiveness was excellent over a wider range in the application quantities.
_5 Dieses Beispiel veranschaulicht die Wirksamkeit des_ 5 This example illustrates the effectiveness of the
polyquaternären Ammoniumpfropfcopolymeren beim Ausflocken suspendierter Stoffe, wenn der aufgepfropfte Teil des polymeren Produktes eine Mischung aus Acrylamid und anderen wasserlöslichen Vinyladditionsmonomeren darstellt.polyquaternary ammonium graft copolymers in the flocculation of suspended substances, if the grafted part of the polymeric product is a mixture of acrylamide and others represents water-soluble vinyl addition monomers.
Das Vorgehen gemäß Beispiel 15 wurde wiederholt. Die geprüften Polymerlösungen wurden hergestellt aus den Produkten gemäß den Beispielen 5 bis 10, sowie Beispiel Die Ergebnisse sind in nachstehender Tabelle 3 gezeigt.The procedure according to Example 15 was repeated. The tested polymer solutions were prepared from the Products according to Examples 5 to 10 and Example The results are shown in Table 3 below.
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Bsp. ComonomerE.g. comonomer
Klarheit bei Anwendungsmengen vonClarity in application amounts of
2 Acrylamid alleine2 acrylamide alone
5 Dimethylaminoäthylmethacrylatmethosulfat 5 dimethylaminoethyl methacrylate methosulfate
6 Dimethylaminoäthylmethacrylatmethylchlorid 6 dimethylaminoethyl methacrylate methyl chloride
7 Dimethylaminopropylmethacrylamid7 dimethylaminopropyl methacrylamide
8 Methacrylamidopropyltrimethylamraoniumchlorid 8 methacrylamidopropyl trimethyl ammonium chloride
9 Dimethyldiallylammoniumchlorid 10 N,N-Dimethylacrylamid9 dimethyldiallylammonium chloride 10 N, N-dimethylacrylamide
2 ppm
3,12 ppm
3.1
3,43.4
5 ppm 4,05 ppm 4.0
4,24.2
Sämtliche in der obigen Tabelle aufgeführten Pfropfcopolymere zeigen ausgezeichnete Ausflockungseigenschaften.All of the graft copolymers listed in the table above show excellent flocculation properties.
Dieses Beispiel veranschaulicht die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Pfropfcopolymeren als Flockungsmittel für Abwasserschlamm,This example illustrates the effectiveness of the graft copolymer of the invention as a flocculant for sewage sludge,
Die Vorrichtung bestand aus einem Büchner-Trichter Nr. 1, der direkt über einem graduierten Zylinder, mit 250 ml Inhalt angeordnet war. Ein Stück eines Filtergewebes wurde auf die gleiche Größe wie Filterpapier Nr. 1 geschnitten und dieses Filtergewebe in den ßüchner-Trichter gegeben. Das Filtergewebe war von der gleichen Art,wie es in Schlammentwässerungspressen verwendet wird.The device consisted of a # 1 Buchner funnel fitted directly over a graduated cylinder, 250 ml Content was arranged. A piece of filter cloth was cut to the same size as No. 1 filter paper and put this filter cloth into the ßüchner funnel. The filter cloth was of the same type as it is used in sludge dewatering presses.
5 %ige Verdünnungen der zu prüfenden Polymerlösungen wurden hergestellt. Für jede Prüfung wurden 500 ml Abwasserschlamm (3,4 % Feststoffe) in ein Becherglas gegeben. Die erwünschte Menge an verdünnter Polymerlösung wurde in5% dilutions of the polymer solutions to be tested have been produced. For each test, 500 ml of sewage sludge (3.4% solids) was placed in a beaker. The desired amount of dilute polymer solution was in
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ein zweites Becherglas eingebracht. Der Schlamm wurde dann zwischen den Bechergläsern dreimal hin und hergegossen, um eine vollständige Vermischung sicherzustellen. Die resultierende Mischung wurde dann auf das Filtergewebe in dem Büchner-Trichter gegossen.introduced a second beaker. The mud was then Pour back and forth between the beakers three times to ensure complete mixing. the resulting mixture was then poured onto the filter cloth in the Buchner funnel.
Die Lösung wurde dann durch die Schwerkraft entwässert, das heißt kein Druck oder Vakuum,wurde angewandt. Die Menge an in dem graduierten Zylinder gesammelter Flüssigkeit wurde nach 15, 30, 60 und 120 Sekunden festgehalten. Je besser die Schlammentwässerungswirksamkeit des Polymeren, desto mehr Flüssigkeit sammelt sich bei jeder vorgegebenen Zeit an .The solution was then drained by gravity, that is, no pressure or vacuum was applied. the Amount of liquid collected in the graduated cylinder was recorded after 15, 30, 60 and 120 seconds. The better the polymer's sludge dewatering efficiency, the more liquid that will collect for any given one Time on.
Zwei Pfropfpolymere wurden für eine Prüfung hergestellt. Das Vorgehen gemäß Beispiel 6 wurde zur Herstellung von Lösung D angewandt. Das Reaktionsgefäß wurde mic 147 g Wasser, 250 g des polyquaternären Ammoniumpolymeren aus Beispiel 1, 70 g einer 50 %igen Acrylamidlösung und 30 g einer 80 %igen wäßrigen Lösung von Dimethylaminoäthylmehtacrylatmethosulfat versetzt. Cer-Katalysator wurde neunmal in Anteilen von 3 ml während den nächsten 4 Stunden zugefügt.Two graft polymers were made for testing. The procedure of Example 6 was used to prepare solution D. The reaction vessel was 147 g Water, 250 g of the polyquaternary ammonium polymer Example 1, 70 g of a 50% acrylamide solution and 30 g of an 80% aqueous solution of dimethylaminoethyl methacrylate methosulfate offset. Cerium catalyst was used nine times in 3 ml increments over the next 4 hours added.
Lösung E wurde in einem etwas größeren Maßstab hergestellt. Ein 2 1 Reaktionsgefäß wurde mit 828 g Wasser, 1000 g des polyquaternären Ammoniumpolymeren aus Beispiel 1, 160 g einer 50 % Acrylamidlösung und Ά0 g Isopropanol beschickt. Hierzu wurden 12 ml des Cer-Katalysators zugegeben.Solution E was made on a slightly larger scale. A 2 l reaction vessel was charged with 828 g of water, 1000 g of the polyquaternary ammonium polymer from Example 1, 160 g of a 50% acrylamide solution and Ά0 g of isopropanol. 12 ml of the cerium catalyst were added to this.
Tabelle 4 zeigt die Schlammentwässerungswirksamkeit der Lösungen D und E, verglichen mit der Wirksamkeit eines handelsüblichen, kationischen Polyacrylamidpolymeren, wie es für Schlammentwässerungsbehandlungen verwendet wird.Table 4 shows the sludge dewatering efficiency of Solutions D and E, compared to the effectiveness of a commercially available, cationic polyacrylamide polymer, how it is used for sludge dewatering treatments.
fügter 5%iger
PolymerlösungVolume added
added 5%
Polymer solution
gesamelt nachVolume in milliliters
collected after
Die Tabelle veranschaulicht, daß die erfindungsgemäßen Pfropfcopolymerenwirksam bei der Entwässerung von Abwasserschlämmen sind.The table illustrates that the invention Graft copolymers effective in draining sewage sludge are.
Die erfindungsgemäßen Polymermischungen aus Beispiel wurden auf ihre Wirksamkeit hinsichtlich der Retention an Gesamtfeststoffen in einer Papierpulpenaufschlämmung, unter Verwendung des Verfahrens, wie beschrieben in Beispiel 15 der US-PS 4 250 269, dessen Offenbarung hiermit zu einem Teil dieser Anmeldung gemacht wird, geprüft.The polymer mixtures according to the invention from Example were tested for their effectiveness in terms of retention of total solids in a paper pulp slurry, using the procedure described in Example 15 of U.S. Patent 4,250,269, the disclosure of which is hereby made part of this application.
Ein Fraktionierung der Papierpulpenaufschlämmung zeigte, daß die Aufschlämmung 27 % Feinteile enthielt. Der Prozentsatz an Feinteilretention könnte dann berechnet werden, wenn einmal die Gesamtfeststoffretention und der Prozentgehalt an Feinteilen in der ursprünglichen Aufschlämmung bekannt sind. Tabelle 5 zeigt, daß das polyquaternäre Ammoniumacrylarald-Pfropfcopolymer ausFractionation of the paper pulp slurry indicated that the slurry contained 27% fines. The percentage of fines retention could then be calculated once the total solids retention and percentage of fines in the original slurry were known. Table 5 shows that the polyquaternary ammonium acrylic graft copolymer consists of
Beispiel 2 gegenüber dem ungepfropften, polyquaternären Ammoniumpolymer aus Beispiel 1, einem Produkt, das momentan als Retentionshilfsmittel verwendet wird, vorzüglich ist.Example 2 versus the ungrafted, polyquaternary Ammonium polymer from Example 1, a product currently used as a retention aid, is excellent is.
Pounds pro Tonne
PulpeApplication amount
Pounds per ton
Pulp
an FeinteilenPercent retention
of fine parts
Retentionshilfs
mittelControl without
Retention aid
middle
Dieses Beispiel veranschaulicht die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Pfropfcopolymeren hinsichtlich der Steigerung der Trockenfestigkeit von Papier.This example illustrates the effectiveness of the invention Graft copolymers with regard to increasing the dry strength of paper.
Es wurden Handtücher hergestellt und unter Verwendung eines Scott-Internal-Bond-Testers geprüft» 300 g einer 1,5 %igen Hartholz-Kraftpulpe, die auf einen Canadian-Stand-Mahlungsgrad (Freeness) von 540 ml verfeinert wurden, wurden zu 300 ml Wasser zugegeben. Die erwünschte Menge an verdünnter Polymerlösung wurde zugefügt, um die in nachstehender Tabelle 6 gezeigten Anwendungsmengen zu erhalten. Die geprüften Lösungen bestanden aus dem Produkt aus Beispiel 2, in dem der aufgepfropfte Teil aus-Towels were made and tested using a Scott Internal Bond Tester "300g one 1.5% hardwood kraft pulp made to a Canadian stand grind (Freeness) of 540 ml were added to 300 ml of water. The desired one Amount of dilute polymer solution was added to to obtain the application levels shown in Table 6 below. The solutions tested consisted of the Product from Example 2, in which the grafted part is
schließlich aus Acrylamid besteht, dem Produkt aus Beispiel 7, in dem der aufgepfropfte Teil aus Acrylamid und Dimethylaminoäthylmethacrylatmethylchlorid besteht und dem Produkt aus Beispiel 11, in dem der aufgepfropfte Teil aus Acrylamid und Ν,Ν-Dimethylacrylamid besteht. Die oben aufgeführten Pfropfcopolymeren wurden verglichen mit dem Produkt aus Beispiel 1, einem ungepfropften, polyquaternären Ammoniumpolymeren, welches gegenwärtig in der Papierindustrie zur Steigerung der Bindefestigkeit verwendet wird.finally consists of acrylamide, the product of Example 7 in which the grafted part is made of acrylamide and Dimethylaminoäthylmethacrylatmethylchlorid and the product from Example 11, in which the grafted part consists of acrylamide and Ν, Ν-dimethylacrylamide. The above listed graft copolymers were compared with the product from Example 1, an ungrafted, polyquaternary Ammonium polymers currently used in the paper industry to increase bond strength is used.
zent
Scott-BindefestigkeitIncrease in pro
cent
Scott bond strength
15checked
15th
2
7 :
111·
2
7:
11th
Pounds pro Tonne
PulpeApplication amount
Pounds per ton
Pulp
16
2H
181.4
16
2H
18th
Beispiel
Beispiel
20 Beispielexample
example
example
20 example
Die erfindungsgemäßen Pfropfcopolymeren ergaben eine erhöhte Bindefestigkeit, wobei das Vorliegen kationischer Comonomeren in dem aufgepfropften Teil die beste Steigerung ergibt.The graft copolymers of the invention gave an increased Bond strength, with the presence of cationic comonomers in the grafted part being the best enhancement results.
Claims (16)
Struktur1. Water-soluble, high molecular weight, quaternary ammonium graft copolymer which, as substrate, is a water-soluble, polymeric, quaternary ammonium composition with a large number of hydroxypropylene groups
structure
Stickstoffatom bedeutet, dadurch gekennzeich-wherein A is tertiary or quaternary
Nitrogen atom means, characterized thereby-
25polymer polyacrylamide.
25th
20The papermaking system, the graft copolymer according to claim 1 is added in an amount sufficient to classify (level) the paper and the paperboard.
20th
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