DE3703551A1 - Leimungsmittel fuer papier - Google Patents
Leimungsmittel fuer papierInfo
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Description
Die Erfindung betrifft anionische Leimungsmittel, insbesondere
Oberflächenleimungsmittel, für Papier oder papierähnliche
Materialien, wie Karton oder Pappe, auf
Basis statistisch aufgebauter Copolymerisate aus Styrol
und Maleinsäure(anhydrid).
Die neuen Leimungsmittel weisen ein sehr breites Anwendungsspektrum
auf, da sie auf Papiersorten sehr unterschiedlicher
Zusammensetzung eine ausgezeichnete Leimungswirkung
ergeben.
Die Leimungswirkung von Produkten auf Basis von Copolymerisaten
des MAH mit α-Olefinen und Styrol ist schon
seit langem bekannt und in zahlreichen Patentanmeldungen
dargelegt (siehe z. B. US-PS 33 68 987). In allen Fällen
handelt es sich dabei jedoch um alternierende Copolymerisate,
wobei die Monomeren im Molverhältnis 1 : 1 in
die Polymerkette eingebaut sind und das Polymere somit
die Struktur . . ABABABAB . . aufweist. Diese Produkte
liegen meist in Form einer wäßrigen Zubereitung vor, wobei
die Anhydridgruppen der Copolymerisate mit organischen
oder anorganischen Basen zu den entsprechenden
Salzen umgesetzt worden sind. Im Falle der Umsetzung mit
primären oder sekundären Monoaminen sowie mit wäßrigem
Ammoniak werden die Halbamid-Halbammoniumsalze erhalten.
Diese Produkte zeigen auf bestimmten Papiersorten, z. B.
alaunhaltigen oder vorgeleimten Papieren, die Clay als
Füllstoff enthalten, eine gute bis sehr gute Leimungswirkung.
Von Nachteil ist jedoch, daß sie auf alaunfreien Papieren,
insbesondere solchen, die Kreide als Füllstoff
enthalten, nur eine geringe oder manchmal überhaupt
keine Leimung aufweisen. Diese Tatsache stellt einen
gravierenden Mangel dar, da in den letzten Jahren der
Trend bei der Papierherstellung zur Neutralleimung und
zum Einsatz von Kreide als Füllstoff geht.
Diese Vorgehensweise bietet sowohl qualitative als auch
wirtschaftliche Vorteile. Zwar können kreidehaltige und
alaunfreie Papiere mit kationisch geladenen Leimungsmitteln
in der Oberfläche geleimt werden, jedoch ergeben
diese beim Einsatz auf alaunhaltigen Papieren keine gute
Leimungswirkung.
Es wäre deshalb von großem technischem und wirtschaftlichem
Interesse ein Leimungsmittel zu haben, das sowohl
im sauren pH-Bereich bei alaunhaltigen Papieren als auch
im neutralen bis schwach alkalischen pH-Bereich bei
alaunfreien und kreidehaltigen Papieren eingesetzt
werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft Leimungsmittel, insbesondere
Oberflächenleimungsmittel für Papier und papierähnliche
Materialien, wie Karton oder Pappe, enthaltend
wasserhaltige, vorzugsweise wäßrige oder wäßrig-alkoholische
Lösungen, von Salzen von statistisch aufgebauten
Copolymerisaten aus Styrol und Maleinsäure(anhydrid)
mit Maleinsäure(anhydrid)-Gehalten zwischen etwa
20 und etwa 40 Gew.-%, bevorzugt etwa 25 bis 40 Gew.-%,
und Grenzviskositäten [η ] zwischen etwa 0,1 und etwa
0,6 (dl/g), gemessen in DMF bei 25°C, oder von partiellen
Estern und/oder partiellen Amiden dieser Copolymerisate.
Vorzugsweise sind die Copolymerisate chemisch weitestgehend
einheitlich aufgebaut.
Bei den Salzen handelt es sich bevorzugt um Alkali-,
z. B. Natrium- oder Kalium- oder Ammoniumsalze, die sich
z. B. von Ammoniumhydroxid, primären oder sekundären aliphatischen
Aminen, wie Methylamin, Dimethylamin, Ethanolamin,
Diethanolamin, oder tertiären Aminen, wie Triethylamin
oder Triethanolamin, ableiten.
Die wäßrig-alkoholischen Lösungen enthalten vorzugsweise
Methanol, Ethanol und/oder i-Propanol.
Unter den partiellen Amiden sind vorzugsweise vollständig
oder teilweise mit Ammoniak oder primären oder sekundären
Aminen, z. B. den vorstehend genannten, monoamidierte
oder teilweise bisamidierte Copolymerisate zu
verstehen. Von besonderem Interesse sind die Halbamid-Halbammoniumsalze.
Unter partiellen Estern sind vollständig oder teilweise
mit vorzugsweise primären aliphatischen Monoalkoholen
mit 1-12 C-Atomen monoveresterte oder teilweise bisveresterte
Copolymerisate zu verstehen.
Die neuen Leimungsmittel zeichnen sich vor allem durch
ihr breites Anwendungsspektrum aus. Dies bedeutet, daß
sie auf Papieren unterschiedlicher Zusammensetzung eine
ausgezeichnete Leimungswirkung ergeben. So können mit
diesen Produkten sowohl alaunhaltige als auch alaunfreie,
sowohl Clay-haltige als auch calciumcarbonathaltige,
sowohl im sauren pH-Bereich als auch im neutralen
bis schwach alkalischen pH-Bereich hergestellte
Papiere in der Oberfläche geleimt werden.
Dies bedeutet für den Papierhersteller einen großen
Vorteil, da er bei einer Umstellung der Produktion auf
eine andere Papiersorte nicht auch das Leimungsmittel
wechseln muß. Die Herstellung der Styrol/MAH-Copolymerisate
erfolgt in an sich bekannter Weise nach einem
radikalisch initiierten Massecopolymerisationsprozeß,
wie er z. B. in DE-OS 25 13 253 (Beispiel 6), DE-OS
31 40 565 oder DE-OS 27 24 360 beschrieben ist. Dabei
werden die Monomeren Styrol und MAH kontinuierlich in
ein Polymerisationsgefäß eingebracht und gleichzeitig
dieselbe Menge des Polymerisationsgemisches aus dem Gefäß
abgezogen (s. a. A. W. Hanson, R. L. Zimmermann, Ind.
Eng. Chem. 49, 803, (1957)). Die erhaltenen Produkte besitzen
Grenzviskositätszahlen zwischen
gemessen in DMF bei 25°C.
Im allgemeinen weisen die Copolymerisate Erweichungspunkte
zwischen 130 und 170°C auf.
Die in den erfindungsgemäßen Leimungsmitteln enthaltenen
Lösungen von Salzen können aus den statistischen Copolymeren
z. B. in der Weise erhalten werden, daß man aus
ihnen durch Umsetzung mit wäßrigem Ammoniak- und/oder
primären oder sekundären aliphatischen Monoaminen die
entsprechenden Halbamid-Halbammoniumsalze herstellt. Die
Herstellung der Halbamid-Halbammoniumsalze erfolgt durch
Umsetzung der Copolymerisate mit wäßrigen Lösungen von
Ammoniak oder primären oder sekundären Aminen, wie Methylamin,
Dimethylamin, Ethanolamin und Diethanolamin.
Man kann aber auch die wasserlöslichen Salze als Leimungsmittel
einsetzen, die durch Umsetzung mit den Hydroxiden
von Alkalimetallen, wie Natrium- oder Kaliumhydroxid,
oder tertiären Aminen, wie Triethylamin oder
Triethanolamin, erhalten werden.
Die wäßrigen Lösungen dieser Halbamid-Halbammoniumsalze
dienen als Leimungsmittel für Papiere unterschiedlicher
Zusammensetzung sowie bei solchen Papieren, die unter
verschiedenen Bedingungen hergestellt wurden.
Außer dem ursprünglichen Copolymerisat können zur Herstellung
der Leimungsmittel auch modifizierte Copolymerisate
eingesetzt werden, z. B. die partiell mit
aliphatischen C₁-C₆-Monoalkoholen mono- und/oder bisveresterten
Copolymerisate. Auch diese Produkte können
nach Überführung in wasserhaltige Lösungen ihrer Salze
bzw. in wasserhaltige Lösungen der Halbamidsalze als
Leimungsmittel für Papiere unterschiedlicher Zusammensetzung
verwendet werden.
Zur Herstellung der veresterten Copolymerisate werden
die Styrol/MAH-Copolymeren in Lösung oder Suspensionen
in Gegenwart eines Schleppmittels für das Reaktionswasser,
z. B. Benzol, Toluol oder Xylol, bei der Siedetemperatur
des jeweiligen Schleppmittels mit den Alkoholen
umgesetzt.
Setzt man zur Veresterung niedrigsiedende Alkohole ein,
dann wird die Reaktion unter Druck fortgeführt. Der
Temperaturbereich der Veresterungsreaktion liegt im
allgemeinen zwischen 80 und 170°C. Zur Beschleunigung
der Veresterungsreaktion können dem Reaktionsgemisch
saure Katalysatoren, z. B. Schwefelsäure, p-Toluolsulfonsäure,
Methansulfonsäure, Perfluorbutansäure oder
Perfluoroctansäure, in Mengen zwischen 0,1 und 5 Gew.-%,
bezogen auf das eingesetzte Polymerisat, zugesetzt
werden. Bevorzugt ist dabei Methansulfonschwefelsäure oder p-Toluolsulfonsäure
in Mengen zwischen 0,2 und 5 Gew.-%.
Als Beispiele für die einzusetzenden Monoalkohole seien
genannt:
Methanol, Ethanol, n-Propanol, i-Propanol, n-Butanol,
Isobutanol, sec.-Butanol, n-Pentanol, Isoamylalkohol,
n-Hexanol, n-Octanol, n-Dodecanol und 2-Ethylhexanol.
Es können aber auch Gemische dieser Alkohole zum Einsatz
gelangen. Die Veresterungsreaktion kann aber auch in der
Weise durchgeführt werden, daß zunächst der Monoester
aus Styrol und Maleinsäureanhydrid und dem aliphatischen
Monoalkohol gebildet und anschließend durch Zugabe von
weiterem Monoalkohol zusammen mit dem sauren Katalysator
ein Teil der Carboxylgruppen unter Wasserabspaltung zum
Bisester umgesetzt wird. Die Monoesterbildung kann dabei
entweder in Substanz, Suspension oder einem Lösungsmittel
bei Temperaturen zwischen 80 und 160°C, bevorzugt
bei 100-140°C, durchgeführt werden. Die sich an diese
Reaktion anschließende Bisveresterung wird dann unter
den o. g. Reaktionsbedingungen durchgeführt. Die Veresterungszeit
liegt zwischen 4 und 24 Stunden. In der
Regel wird sie aber dann als beendet betrachtet, wenn
kein Reaktionswasser mehr abgespalten wird.
Die wasserhaltigen, vorzugsweise wäßrigen oder wäßrig-alkoholischen
Lösungen der erfindungsgemäßen Copolymerisate
eignen sich vorzüglich als Papieroberflächenleitungsmittel.
Durch ihren besonderen Aufbau können sie
bei der Herstellung von alaunhaltigen, alaunfreien,
vorgeleimten und holzhaltigen Papieren, die sowohl im
sauren als auch im neutralen bis alkalischen pH-Bereich
hergestellt werden, als Oberflächenleimungsmittel eingesetzt
werden.
Als Füllstoffe können dabei Kaolin, Kreide und Titandioxid
eingesetzt werden. Ein besonders hervorzuhebender
Vorteil der erfindungsgemäßen Leimungsmittel ist die
Tatsache, daß sie als Produkte mit anionischer Ladung
auch zur Oberflächenleimung von kreidehaltigen Papieren,
die ja üblicherweise ohne Alaunzusatz hergestellt werden,
eingesetzt werden können und hierbei ausgezeichnete
Leimungswerte ergeben.
Eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung ergibt
sich dadurch, daß man die Leimungsmittel als wasserhaltige
Lösungen in Mischung mit Harnstoff und Harnstoffderivaten
einsetzt. Durch diese Abmischung erhält
man eine starke Verminderung der Lösungsviskosität sowie
eine Reduzierung der unter bestimmten Anwendungsbedingungen
auftretenden Neigung des Leimungsmittels zur
Schaumbildung. Vorzugsweise eingesetzte Harnstoffderivate
sind solche, bei denen eines oder beide N-Atome mit
C₁-C₄-Alkylgruppen oder C₁-C₄-Hydroxyalkylgruppen, wie
z. B. Hydroxymethylgruppen, substituiert sind. Als Beispiele
für solche Derivate seien Diemthylharnstoff,
Tetramethylharnstoff und Dimethylolharnstoff genannt.
Die Menge an zugesetztem Harnstoff bzw. Harnstoffderivat
beträgt dabei im allgemeinen 10 bis 200 Gew.-%,
vorzugsweise 20 bis 100 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht
der Salze der statistisch aufgebauten Copolymerisate aus
Styrol und Maleinsäure(anhydrid) bzw. der daraus hergestellten
Amide oder Ester.
40 g eines gemäß der DE-OS 27 24 360 hergestellten
statistisch aufgebauten Copolymerisats aus Styrol und
Maleinsäureanhydrid mit einem Maleinsäureanhydridgehalt
von 27 Gew.-% und einer Grenzviskosität
- gemessen in DMF bei 25°C - werden
in einem Gemisch aus 20 g wäßrigem Ammoniak, das eine
Konzentration von 25 Gew.-% besitzt, und 340 g entmineralisiertem
Wasser 12 Stunden bei einer Temperatur
von 50°C gerührt. Dabei entsteht eine wasserklare Lösung
mit einem pH-Wert von 9,1 und einem Festgehalt von
10,9%.
Diese Lösung wird nach entsprechender Verdünnung mit
Wasser als solche direkt zur Oberflächenleimung von
Papier eingesetzt.
Die Herstellung von Leimungsmittel II erfolgte auf die
gleiche Art wie die von Leimungsmittel I mit einem
statistisch aufgebauten Styrol/Maleinsäureanhydrid-Copolymerisat
mit der Grenzviskosität
und einem Maleinsäureanhydridgehalt
von 27 Gew.-%. Festgehalt; 10,8%; pH-Wert: 8,7.
65 g eines Styrol/Maleinsäureanhydrid-Copolymerisats
32,5 g Harnstoff, 30 g wäßrige Ammoniaklösung (25%ig)
und 410 g entmineralisiertes Wasser werden 21 Stunden
bei 70°C gerührt. Es entsteht dabei eine klare wäßrige
Lösung mit einem Festgehalt von 18,2%, die als solche
direkt zur Papierleimung eingesetzt wird.
Die Herstellung von Leimungsmittel IV erfolgte auf
dieselbe Art wie die von Leimungsmittel III unter
Verwendung eines statistisch aufgebauten Styrol/Maleinsäureanhydrid-Copolymerisats
mit der Grenzviskositätszahl
und einem Maleinsäureanhydridgehalt
von 27 Gew.-%. Festgehalt: 18,4%.
Die Leimungswirkung der erfindungsgemäßen Leimungsmittel
wurde auf fünf verschiedenen Papiersorten geprüft,
welche folgende Zusammensetzung hatten:
50% Nadelholzzellstoff, 50% Laubholzzellstoff,
9,5% Clay-Asche, pH-Wert im Stoffauflauf: 7,5;
Naßaufnahme in einer Laborleimpresse: ca. 85%;
Papiergewicht: 80 g/m².
50% Nadelholzzellstoff, 50% Laubholzzellstoff,
1% Alaun, 11,2% Clay-Asche, pH-Wert im Stoffauflauf:
4,4; Naßaufnahme: ca. 80%; Papiergewicht:
80 g/m².
50% Nadelholzzellstoff, 50% Laubholzzellstoff,
1% Alaun, 0,1% Bewoid-Leim, 11,1% Clay-Asche,
pH-Wert im Stoffauflauf: 4,5; Naßaufnahme: ca.
70%; Papiergewicht: 80 g/m².
50% gebleichtes Birkensulfat, 50% gebleichtes
Kiefernsulfat, 15% Kreide, Mahlgrad: 35° SR,
Naßaufnahme: 80%, pH-Wert im Stoffauflauf: 7,0;
Papiergewicht: 75 g/m².
40% Nadelholzzellstoff, 60% Holzschliff, 14,1%
Clay-Asche, pH-Wert im Stoffauflauf: 4,5; Naßaufnahme:
ca. 50%; Papiergewicht: 75 g/m².
Die Leimung der Papiere erfolgte auf einer Laborleimpresse
der Firma Mathis, Zürich, Schweiz, Type HF. Als
Leimungsflotte wurde eine Lösung aus 5 Gew.-Tln. handelsüblicher
Stärke und 0,21, 0,25, 0,26, 0,32 und
0,40 Tln. des zu prüfenden Leimungsmittels verwendet,
die mit entmineralisiertem Wasser bis auf 100 Teile
ergänzt wurde. Die Trocknung der oberflächengeleimten
Papiere erfolgte auf einem Trockenzylinder innerhalb
einer Minute bei ca. 100°C. Vor der Leimungsprüfung
wurden die Papiere 2 Stunden bei Raumtemperatur klimatisiert.
Zur Beurteilung des Leimungsgrades der oberflächengeleimten
Papiere wurden die Cobb-Werte (nach DIN 53 132)
bei unterschiedlichen Einsatzmengen des Leimungsmittels
bestimmt.
Die folgende Tabelle zeigt die Cobb-Werte einer
Ausführung der Erfindung, wobei das Leimungsmittel durch
Umsetzung eines statistisch aufgebauten Copolymerisats
aus Styrol und Maleinsäureanhydrid mit einem Gehalt an
Maleinsäureanhydrid von 27% und einer Grenzviskositätszahl
mit einer wäßrigen Ammoniaklösung erhalten wurde
(Leimungsmittel I).
In Tabelle 2 sind die Cobb-Werte aufgeführt, die ebenfalls
durch Umsetzung eines statistischen Styrol/MAH-Copolymerisats
mit wäßrigem Ammoniak (MAH-Gehalt: 27%
[η ]-Wert: 0,6 (dl/g); Erweichungspunkt: 145°C) auf 5
verschiedenen Papiersorten erzielt wurden (Leimungsmittel
II):
Beide Beispiele zeigen sehr deutlich das breite Anwendungsspektrum
der erfindungsgemäßen Leimungsmittel. So
ergeben sich sowohl auf saurem (alaunhaltiges, vorgeleimtes,
holzhaltiges Papier) als auch auf neutralen
(alaunfreies und kreidehaltiges Papier) Papieren gute
Werte für die Wasseraufnahme. Außerdem ist die Leimungswirkung
unabhängig von dem verwendeten Füllstoff
Kreide bzw. Clay.
Die nächsten beiden Tabellen 3 und 4 zeigen, daß die
beiden o. g. Leimungsmittel auch dann ihre guten Eigenschaften beibehalten
- wiederum nachgewiesen durch die
Cobb-Werte - wenn ihre wäßrigen Lösungen zusätzlich noch
50 Gew.-% Harnstoff, bezogen auf den Gehalt an polymerer
Wirksubstanz, enthalten (Leimungsmittel III und IV):
Durch den Zusatz an Harnstoff wird außerdem die Neigung
zur Schaumbildung, die u. U. bei diesen Produkten auftreten
kann, stark reduziert und ihre Lösungsviskosität
herabgesetzt.
Die folgenden 5 Vergleichsbeispiele zeigen deutlich das
breitere Anwendungsspektrum der erfindungsgemäßen Leimungsmittel
gegenüber einem Leimungsmittel gemäß
US-PS 33 68 987, das aus einem alternierend aufgebauten
Copolymerisat aus Styrol und Maleinsäureanhydrid hergestellt
wurde. Dabei ergeben auf allen 5 geprüften Papiersorten
die erfindungsgemäßen Leimungsmittel I und II
im Vergleich zu einem Produkt auf Basis eines alternierenden
Copolymerisats aus Styrol und Maleinsäureanhydrid
mit der Grenzviskosität
wesentlich geringere Cobb-Werte.
Am deutlichsten zeigen sich die Unterschiede zum Vergleichsprodukt
auf alaunfreiem und vorgeleimtem Papier,
was als ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen
Leimungsmittel anzusehen ist. Doch auch auf den übrigen
3 Papiersorten, die alle Al-Ionen enthalten, werden
über den gesamten Zusatzbereich der erfindungsgemäßen
Leimungsmittel bessere Leimungseigenschaften erhalten.
a) Alaunfreies Papier
b) Alaunhaltiges Papier
c) Vorgeleimtes Papier
d) Kreidehaltiges Papier
e) Holzhaltiges Papier
In einem weiteren Anwendungsbeispiel soll die im Vergleich
zu einem Leimungsmittel, das aus einem alternierend
aufgebauten Maleinsäureanhydrid/Styrol-Copolymerisat
erhalten wurde (Vergleichsprodukt aus a-e),
geringere Schaumneigung der erfindungsgemäßen Produkte
aufgezeigt werden.
Das Schaumverhalten wurde dabei auf folgende Weise
untersucht:
0,25 bzw. 0,4 Gew.-% Wirksubstanz werden in einer Leimungsflotte
aus 5 Gew.-% handelsüblicher Stärke (Perfectamyl
A 4692®) gelöst und auf 60°C erwärmt. 200 ml
dieser Leimungsflotte werden aus einem Aluminiumgefäß,
das an seiner Unterseite eine kreisförmige Öffnung von
4 mm Durchmesser (Ford-Becher) besitzt, aus einer Höhe
von 60 cm in ein graduiertes Becherglas im freien Fall
geleitet. Das Schaumvolumen in ml, das sich über der
Flüssigkeitsoberfläche bildet, wird einmal sofort sowie
nach 1minütigem Stehen an der Luft bestimmt.
Der erste Meßwert gibt dabei Aufschluß über die Schaumbildungstendenz
des Leimungsmittels und der zweite Wert
über die Schnelligkeit des Schaumabbaus bzw. die Schaumstabilität.
Die gefundenen Werte machen deutlich, daß die erfindungsgemäßen
Leimungsmittel neben ihren besseren
Leimungseigenschaften auch ein wesentlich günstigeres
Schaumverhalten im Vergleich zu Produkten auf Basis von
alternierend aufgebauten Styrol/Maleinsäureanhydrid-Copolymerisaten
aufweisen.
Claims (10)
1. Leimungsmittel, insbesondere Oberflächenleimungsmittel,
für Papier und papierähnliche Materialien
enthaltend wasserhaltige Lösungen von Salzen von
statistisch aufgebauten Copolymerisaten aus Styrol
und Maleinsäure(anhydrid) mit Maleinsäure(anhydrid)-Gehalten
zwischen etwa 20 und etwa 40 Gew.-%
und Grenzviskositätszahlen [η ] zwischen etwa 0,1
und etwa 0,6 dl/g, gemessen in DMF bei 25°C, oder
von partiellen Estern oder partiellen Amiden dieser
Copolymerisate.
2. Leimungsmittel gemäß Anspruch 1 enthaltend wäßrige
oder wäßrig-alkoholische Lösungen.
3. Leimungsmittel gemäß den Ansprüchen 1-2 enthaltend
Lösungen von Alkali- oder Ammoniumsalzen.
4. Leimungsmittel gemäß den Ansprüchen 1-3 enthaltend
Halbamid-Halbammoniumsalze.
5. Leimungsmittel gemäß den Ansprüchen 1-4 auf Basis
statistisch aufgebauter, chemisch weitestgehend
einheitlicher Copolymerisate.
6. Leimungsmittel gemäß den Ansprüchen 1-5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Copolymerisat etwa 25 bis
etwa 40 Gew.-% Maleinsäure(anhydrid) enthält.
7. Leimungsmittel gemäß den Ansprüchen 1-6, dadurch
gekennzeichnet, daß sie Harnstoff oder ein Harnstoffderivat
enthalten.
8. Leimungsmittel gemäß den Ansprüchen 1-6, dadurch
gekennzeichnet, daß sie N-Mono- oder N-Di-C₁-C₄-Alkyl-
oder N-Mono- oder N-Di-C₁-C₄-hydroxyalkyl
substituierten Harnstoff enthalten.
9. Leimungsmittel gemäß den Ansprüchen 1-8, dadurch
gekennzeichnet, daß sie 10-200 Gew.-% Harnstoff
oder Harnstoffderivat, bezogen auf das Gewicht der
Salze, enthalten.
10. Oberflächenleimungsmittel für kreidehaltige Papiere
ohne Alaunzusatz gemäß den Ansprüchen 1-9.
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