DE3826825A1 - Kationisches leimungsmittel fuer papier - Google Patents
Kationisches leimungsmittel fuer papierInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft stabile, wässerige, kolloiddisperse
Lösungen von Copolymeren, die aus den Monomeren N,N-Dimethylaminoethyla
crylat und/oder -methacrylat, sowie aus dem Methacrylsäure- und/oder
Acrylsäureester eines C10 bis C22 Fettalkohols, Acryl- und/oder Metha
crylsäure und Methylacrylat und/oder -methacrylat aufgebaut sind. Gege
benenfalls enthalten die Copolymeren noch n-Butyl(meth)acrylat und/oder
i-Butyl(meth)acrylat. Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung die Her
stellung dieser Copolymeren durch radikalisch initiierte Lösungsmittel
polymerisation und schließlich die Verwendung dieser Copolymeren als ka
tionisches Papierleimungsmittel.
Die Herstellung und Verwendung von wässerigen, kationenaktiven Polymer
dispersionen zur Leimung von Papier ist schon lange bekannt.
So wird in der DE-AS 16 96 326 eine wässerige kationische Kunststoffdis
persion zur Oberflächenleimung beschrieben, die durch Mischpolymerisati
on von in Wasser schwerlöslichen, olefinisch ungesättigten Verbindungen
mit N- oder C-vinylsubstituierten aromatischen Verbindungen oder deren
Salzen, die im Kern oder in den Seitenketten mindestens ein quartäres N-
Atom enthalten, gebildet worden ist. Die Polymerisation wird in Gegen
wart von kationenaktiven und gegebenenfalls von nichtionogenen Disper
giermitteln durchgeführt. Ein Nachteil dieses Leimungsmittels wird in
der schlechten Verträglichkeit mit anionischen Produkten, die bei der
Papierherstellung gleichzeitig eingesetzt werden können, gesehen. So
kann z.B. die Wirksamkeit optischer Aufheller durch die vorbekannten ka
tionischen Polymerisate stark herabgesetzt oder sogar völlig unterbunden
werden.
Ein verbessertes Verfahren zur Oberflächenleimung von Papier wird in der
DE-OS 20 40 692 beschrieben, in der auch wasserlösliche Salze von stati
stischen Copolymerisaten als Leimungsmittel vorgeschlagen werden. Als
Monomere, die in diesem Leimungsmittel enthalten sind, werden genannt:
Acrylsäure und/oder Methacrylsäure als carboxylhaltige Monomere, alpha
Olefine und nicht basische, polymerisierbare Verbindungen wie Methacryl
säuremethylester oder Acrylsäuremethylester, Acrylamid, Acrylnitril u.a.
Die Herstellung der Copolymerisate erfolgt vorzugsweise durch radikali
sche Suspensions- oder Fällungspolymerisation. Die Leimungsmittel gemäß
DE-OS 20 40 692 sollen alkalifest sein und eine gute Füllstoffverträg
lichkeit aufweisen.
In der DE-OS 34 01 573 werden Papierleimungsmittel offenbart, die beson
ders für Schrenzpapier, d. h. für Papier aus einem Recyclingprozeß ge
eignet sein sollen. Ihre Herstellung erfolgt derart, daß man zunächst in
einem wässerigen Medium eine wasserlösliche kationische, chemisch ein
heitlich aufgebaute Terpolymerverbindung aus N,N-Dimethylaminoethylacry
lat und/oder -methacrylat, Styrol und Acrylnitril herstellt, in der die
N,N-Dimethylaminogruppen teilweise quarterniert und die restlichen pro
toniert sind und anschließend in dieser Lösung eine radikalische Emulsi
onspolymerisation von Acrylnitril und/oder - Methacrylnitril mit Styrol
und Acrylsäure - und/oder Methacrylsäureester mit 1 bis 12 Kohlenstoff
atomen im Alkoholrest durchführt. Die N,N-Dimethylaminoethylacrylat
und/oder methacrylat enthaltende Terpolymerverbindung stellt bei der ra
dikalischen Emulsionspolymerisation den kationischen Emulgator dar. Wie
die Praxis gezeigt hat, weist auch dieses Leimungsmittel in vielen Fäl
len eine noch nicht zufriedenstellende Leimungswirkung auf.
Die vorliegende Erfindung hatte die Aufgabe, ein neues kationisches Lei
mungsmittel für Papier zu finden, das bereits in geringer Konzentration
hohe Leimungswirkung zeigt und darüberhinaus einfach und kostengünstig
herstellbar ist.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß die gestellte Aufgabe mit
einem kationischen Leimungsmittel in Form einer stabilen, wässerigen,
kolloiddispersen Lösung des Salzes eines Copolymeren, bestehend aus den
Monomeren a) bis f) gemäß Patentanspruch 1 gelöst werden kann. Der
Stickstoffgehalt des Copolymeren sollte 100 bis 200 mMol pro 100 g der
Gewichtssumme der Monomeren a) bis f) betragen. Das Salz des Copolymeren
kann sowohl das Salz einer anorganischen, als auch einer organischen
Säure sein. Ameisensäure und Essigsäure sind zur Salzbildung besonders
geeignet. Die Neutralisation des Copolymeren kann ganz oder teilweise
erfolgen. Erfindungsgemäß wird mindestens soweit neutralisiert werden,
daß bei Wasserzugabe kolloidale Lösungen entstehen.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Salz des Copo
lymeren mit Epichlorhydrin ganz oder teilweise quarterniert. Das molare
Verhältnis von Epichlorhydrin zu dem Aminstickstoff des N,N-Dimethylami
noethylacrylates bzw. N,N-Dimethylaminoethylmethacrylates kann 0,5 bis 2
zu 1 betragen, wobei ein Molverhältnis von 1 bis 1,5 zu 1 besonders vor
teilhaft ist.
Die kationischen Leimungsmittel gemäß Erfindung sind erhältlich durch
eine radikalisch initiierte Lösungsmittelpolymerisation, wobei das Lö
sungsmittel ein mit wassermischbares Lösungsmittel ist, in dem sich so
wohl die Monomeren , als auch das entstandene Copolymerisat lösen. Vor
zugsweise wird als wassermischbares Lösungsmittel Isopropanol einge
setzt.
Die Lösungsmittelpolymerisation wird durchgeführt in einem Reaktionsge
fäß in das bei Raumtemperatur nacheinander Isopropanol und die Monomeren
a) bis f) eingetragen werden. Der Anteil des Monomeren a) wird so ge
wählt, daß der Stickstoffgehalt 100 bis 200 mMol pro 100 gr. der Ge
wichtssumme der Komponenten a) bis f) beträgt. Diese Mischung wird in
den Beispielen bei einer Rührerdrehzahl von 120 bis 160 U/Min. gerührt und
ca. 10 Minuten mit einem Inertgas, z.B. Stickstoff, gespült. Anschlie
ßend fügt man den in Isopropanol aufgeschlämmten Radikalinitiator hinzu.
Danach wird die Reaktionstemperatur innerhalb von 20 Minuten auf 80 Grad
C eingestellt. Die Inertgaszufuhr wird daraufhin abgestellt. Unter die
sen Bedingungen startet die Polymerisation der Monomeren und erreicht
nach ca. 70 Minuten den gewünschten Polymerisationsgrad. Die Neutralisie
rung erfolgt im Anschluß an die Polymerisation durch Zugabe von Säure,
vorzugsweise durch Ameisen-, Essig- und/oder Salzsäure. Die Quarternie
rung der Stickstoffgruppen wird im Anschluß an die Neutralisation mit
der Säure vorgenommen, vorzugsweise mit Epichlorhydrin, und zwar derart,
daß das molare Verhältnis von Epichlorhydrin zu Aminstickstoff im ferti
gen Copolymerisat 0,5-2,0:1, vorzugsweise 1,0-1,5:1 beträgt.
Das so hergestellte Copolymerisat läßt sich als besonders hochwirksames
Leimungsmittel in der Oberflächenleimung von Papier einsetzen und ist
gegen Elektrolyte stabil. Es zeigt auch gute Wirkung als Masseleimungs
mittel.
Das neue Leimungsmittel ist aufgrund seiner niedrigen Viskosität und der
guten Verdünnbarkeit mit Wasser sehr gut zu handhaben. Die Rheologie der
Stärkeflotte bleibt unbeeinflußt. Aus diesem Grund kann das neue Produkt
auch in schnellaufenden Papiermaschinen mit Vorteil eingesetzt werden.
Die hier herausgestellte gute Stärke- und Elektrolytstabilität des er
findungsgemäßen Leimungsmittels verhindert Ausfällungen und dadurch be
dingte Ablagerungen auf den Walzen der Leimpresse, wodurch Störungen des
Produktionsablaufs verhindert werden.
Die Monomeren a) bis f) sind im Handel erhältliche Verbindungen die in
ihrer Handhabung keinerlei Probleme verursachen. Die radikalisch initi
ierte Lösungsmittelpolymerisation wird unter Zuhilfenahme von bekannten,
in Radikale zerfallenden Initiatoren, durchgeführt. Als Initiatoren kön
nen z.B. Azobisisobutyronitril, Dibenzoylperoxid, Dilaurylperoxid einge
setzt werden. Man verwendet die Initiatoren in Mengen von 0,05-2,0
Gew.%, bezogen auf die Gewichtssumme der Monomeren.
Nach erfolgter Neutralisation und Quarternierung, sowie nach Wasserzuga
be erhält man eine klare bis schwach trübe, nahezu farblose, wässerige,
kolloidale Lösung des erfindungsgemäßen kationischen Oberflächenlei
mungsmittels. In den nachfolgenden Beispielen werden die hervorragende
Leimungswirksamkeit und technische Überlegenheit des neuen kationischen
Oberflächenleimungsmittels aufgezeigt.
Als Reaktionsgefäß dient ein extern beheizbarer Doppelmantelkolben mit
einem Fassungsvermögen von 500 ml, der mit Rührer, Rückflußkühler, Ther
mometer, Gaseinlaß, Blasenzähler und Tropftrichter mit Gasausgleich aus
gestattet ist. Im Kolben werden bei Raumtemperatur nacheinander vorge
legt:
20,0 g Isopropanol
32,0 g Methacrylsäuremethylester (0,32 Mol)
16,5 g Methacrylsäureester eines C 16-C 18-Fettalkohols (0,05 Mol)
15,7 g N,N-Dimethylaminoethylmethycrylat (0,01 Mol) sowie
2,5 g Acrylsäure (0,035 Mol).
32,0 g Methacrylsäuremethylester (0,32 Mol)
16,5 g Methacrylsäureester eines C 16-C 18-Fettalkohols (0,05 Mol)
15,7 g N,N-Dimethylaminoethylmethycrylat (0,01 Mol) sowie
2,5 g Acrylsäure (0,035 Mol).
Die homogene Mischung wird bei einer Drehzahl des Rührers von 150 U/Min.
gerührt und 10 Minuten mit einem Inertgas, z.B. Stickstoff, gespült.
Danach werden 0,25 g Azodiisobutyronitril, aufgeschlämmt in 5 g Isopro
panol, zugefügt. Man heizt innerhalb 20 Minuten auf 80 Grad C auf, und
stellt die Stickstoffzufuhr nach Erreichen der Temperatur ab. Die Copo
lymerisation der Monomeren setzt ein und erreicht nach ca. 70 Minuten
den gewünschten Polymerisationsgrad; (K Wert=12 in Dimethylformamid, bei
25 Grad C und 1,0 g pro 100 ml).
Es wird mit 10 g 98%iger Ameisensäure neutralisiert. Das Polymersalz
wird durch Zugabe von 315 g heißem, demineralisiertem Wasser innerhalb
von 10 Minuten dispergiert. Die Wassertemperatur liegt bei 80 Grad C.
Es entsteht eine nahezu farblose, schwach opaleszierende kolloidale Lö
sung mit einen Feststoffgehalt von 16,0 Gew.%. Die Viskosität der Lösung
gemessen nach Brookfield mit Spindel H 1, Drehzahl 50 U/Min., beträgt 15
m Pa s. Der Gehalt an neutralisiertem Stickstoff ist 150 mMol pro 100 g
Copolymer.
Es wird verfahren wie in Beispiel 1, jedoch werden zur Neutralisation
anstatt Ameisensäure 10,25 g 32%ige Salzsäure eingesetzt (0,09 Mol). Es
entsteht eine helle, schwach opaleszierende Lösung mit einer Viskosität
von 20 m Pa s. Der pH-Wert dieses Leimungsmittels beträgt 4,0.
Das Beispiel beschreibt die zusätzliche Quarternierung des im Beispiel 2
hergestellten Leimungsmittels. 250 g der 16%igen Lösung werden bei 30
Grad C mit 5,5 g Epichlorhydrin versetzt (1,25 Mol pro Mol Aminstick
stoff). Danach wird auf 50 Grad C aufgeheizt und vier Stunden bei dieser
Temperatur gerührt. Hierbei erfolgt eine nahezu vollständige Alkylierung
des tertiären Stickstoffs. Es entsteht ein Leimungsmittel mit einem
Feststoffgehalt von 17,8% und mit einem pH-Wert von 6,4.
In den nachfolgend tabellarisch aufgeführten Beispielen 4 bis 6 sind
weitere Copolymerzusammensetzungen angegeben, die nach der im Beispiel 1
beschriebenen Methode hergestellt worden sind.
Die Beispiele 7 bis 9 zeigen die mit den neuen Leimungsmitteln erzielba
ren anwendungstechnischen Vorteile.
Zu den dabei verwendeten Meßgrößen werden nachstehende Erläuterungen ge
geben:
- 1) Der Leimungsgrad wird gegen Tinte mit dem Leimungsgradprüfer Typ PLG
e der Fa. Schröder, Weinheim, entsprechend der Bedienungsanleitung be
stimmt. Gemessen wird die Zeit in Sekunden, die bis zum Remissionsab
fall auf 80 bzw. 50% des Remissionswertes vom zu prüfenden Papier nach
dem Kontakt mit der Prüftinte vergeht.
Prüftinte: Papier-Prüftinte, blau, nach DIN 53 126. - 2) Cobb-Wert nach DIN 53 132
Angegeben wird hierbei die Wasseraufnahme des Papiers oder Kartons in g
pro qm nach dem Kontakt mit destilliertem Wasser nach einer bestimmten
Zeit (1 Minute, 5 Minuten oder 30 Minuten). Die Leimungswirkung ist
umso besser, je niedriger der Cobb-Wert ist.
Ein ungeleimtes Rohpapier, hergestellt aus 100 Gew.% gebleichtem Nadel
holz-Sulfatzellstoff, mit einem Flächengewicht von 50 g/qm wird in ei
ner Laborleimpresse der Fa. Einlehner mit einer Leimflotte imprägniert,
die 5% enzymatisch abgebaute Weizenstärke und pro Liter dieser Stärke
lösung 8 g Leimungsmittel, hergestellt nach den Beispielen 1 oder 4,
enthält. Das Papier wird anschließend auf einem Phototrockner Typ 64/60
J der Fa. Gerster, Bruchsal) 2 Minuten lang bei 100 Grad C getrocknet. Die
Aufnahme des Papiers an Trockensubstanz in der Leimpresse beträgt 4,5
Gew.%.
Unter gleichen Bedingungen wird eine Oberflächenleimung mit einer Lei
mungsflotte, die ein handelsübliches Leimungsmittel auf Basis eines Co
polymeren aus Styrol, Butylacrylat und Vinylimidazol mit einem Fest
stoffgehalt von 20,5 Gew.% enthält, durchgeführt.
Die am Papier gemessenen Eigenschaften sind in Tabelle 2 zusammenge
faßt.
Die Zusammenstellung zeigt die verbesserte Leimungswirkung der erfin
dungsgemäßen Produkte. Erwähnenswert ist an dieser Stelle weiterhin, daß
die verbesserte Leimungswirkung bei kleinerem Wirkstoffanteil eintritt.
Ein Filterkarton nach DIN 53 106 der Fa. Macherey und Nagel /Düren mit
einem Flächengewicht von 270 g/qm wird mit einer Leimflotte imprägniert,
die 5% enzymatisch abgebaute Weizenstärke und mit 0,06, 0,08 bzw. 0,1
Gew.% atro an Leimungsmittel, hergestellt nach Beispiel 1 oder 3, ent
hält. Die Temperatur der Leimflotte beträgt 60 Grad C. Als Vergleich
dient das im Beispiel 7 genannte Leimungsmittel auf Basis eines Copoly
meren aus Styrol, Butylacrylat und Vinylimidazol. Der Imprägnierungsvor
gang erfolgt auf folgende Weise: Der auf DIN-A4-Format geschnittene
Karton wird in einer 1,5 l fassenden Photoschale für 10 Sekunden mit der
Leimflotte getränkt, danach zwischen Filterkarton mit einer Hartgummi
walze abgepreßt und anschließend auf einem Phototrockner der Fa. Ger
ster/Bruchsal 4 Minuten lang bei 100 Grad C getrocknet. Die Gewichtsauf
nahme des Kartons beträgt dabei 5,7% (Stärke plus Leimungsmittel). An
dem so geleimten Karton werden folgende Werte gemessen, die in der Ta
belle 3 demonstriert sind:
Dieses Beispiel zeigt die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Produkte als
Masseleimungsmittel.
Auf einer Kämmerer-Versuchsmaschine wird ein Papier mit folgender Zusam
mensetzung hergestellt:
40% Nadelholz-Sulfatzellstoff,
40% Buchen-Sulfitzellstoff,
20% Calciumcarbonat.
40% Buchen-Sulfitzellstoff,
20% Calciumcarbonat.
Zusätzlich wurden bei der Papierherstellung 0,3 Gew.% einer kationischen
Stärke, sowie 0,04 Gew.% kationisches Polyacrylamid als Retentionsmittel
in den Dünnstoff kontinuierlich dosiert zugegeben. Der pH-Wert im Stoff
auflauf beträgt 7,8 und die Maschinengeschwindigkeit 2,5 m/min. In der
Trockenpartie betrug die höchste Temperatur 105 Grad C. Als Leimungsmit
tel wurde das im Beispiel 3 hergestellte Produkt eingesetzt und im Ver
gleichsversuch das in den Beispielen 7 und 8 genannte Handelsprodukt.
Die Dosierung des Leimungsmittels erfolgt zwischen kationischer Stärke
und Retentionsmittel. Das Flächengewicht des hergestellten Papiers be
trägt jeweils 80 g/qm. Die mit den verwendeten Leimungsmitteln erzielten
Leimungswerte sind in Tabelle 4 zusammengestellt. Die Prüfung erfolgte
unmittelbar nach Herstellung der Papiere.
Claims (13)
1. Kationisches Papierleimungsmittel in Form einer stabilen wässerigen
kolloiddispersen Lösung des Salzes eines Copolymeren, bestehend aus
- a) 10 bis 30 Gew.-% N,N-Dimethylaminoethylacrylat und/oder -methacrylat
- b) 5 bis 30 Gew.-% Methacrylsäureester und /oder Acrylsäureester eines C10 bis C22 Fettalkohols
- c) 10 bis 60 Gew.-% Methylacrylat und/oder-methacrylat
- d) 0 bis 60 Gew.-% n-Butylacrylat und/oder-methacrylat
- e) 0 bis 60 Gew-% i-Butylacrylat und/oder-methacrylat
- f) 3 bis 15 Gew.-% Methacrylsäure und/oder Acrylsäure, wobei die Summe der Komponenten a) bis f) stets 100% beträgt.
2. Kationisches Papierleimungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Stickstoffgehalt des Copolymeren 100 bis 200 mMol
pro 100 Gramm der Gewichtssumme der Komponenten a) bis f) beträgt.
3. Kationisches Papierleimungsmittel nach den Ansprüchen 1 bis 2, da
durch gekennzeichnet, daß das Salz des Copolymeren das Salz einer
anorganischen Säure ist, insbesondere Salzsäure.
4. Kationisches Papierleimungsmittel nach den Ansprüchen 1 und 2, da
durch gekennzeichnet, daß das Salz des Copolymeren das Salz einer
organischen Säure ist, insbesondere Ameisensäure oder Essigsäure.
5. Kationisches Papierleimungsmittel nach den Ansprüchen 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß das Salz des Copolymeren mit Epichlorhy
drin ganz oder teilweise quarterniert ist.
6. Kationisches Papierleimungsmittel nach den Ansprüchen 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß das molare Verhältnis von Epichlorhydrin
zu Aminstickstoff der Komponente a) 0,5 bis 2 zu 1, vorzugsweise 1
bis 1,5 zu 1, beträgt.
7. Kationisches Papierleimungsmittel nach den Ansprüchen 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß der Feststoffgehalt in der wässerigen kol
loiddispersen Lösung 5 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 25 Gew.%,
beträgt.
8. Kationisches Papierleimungsmittel nach den Ansprüchen 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß die wässerige kolloiddisperse Lösung bis
zu 10 Gew.-% ein mit Wasser mischbares organisches Lösungsmittel,
insbesondere Isopropanol, enthält.
9. Verfahren zur Herstellung eines kationischen Papierleimungsmittels
nach den Ansprüchen 1 bis 4 und 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Komponenten a) bis f) in einem mit Wasser mischbaren Lösungsmit
tel radikalisch polymerisiert werden, das gebildete Copolymere mit
einer Säure ganz oder teilweise neutralisiert und mit Wasserkolloid
dispergiert wird.
10. Verfahren zur Herstellung eines kationischen Papierleimungsmittels
nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als mit Wasser mischba
res Lösungsmittel Isopropanol eingesetzt wird.
11. Verfahren zur Herstellung eines kationischen Papierleimungsmittels
nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Copolymere mit Amei
sensäure, Essigsäure oder Salzsäure neutralisiert wird.
12. Verfahren zur Herstellung eines kationischen Papierleimungsmittels
nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompo
nenten a) bis f) in einem mit Wasser mischbaren Lösungsmittel radi
kalisch polymerisiert werden, das Copolymere mit einer Säure ganz
oder teilweise neutralisiert und mit Epichlorhydrin quarterniert und
das quarternierte Copolymere mit Wasser kolloid dispergiert wird.
13. Verfahren zur Herstellung eines kationischen Papierleimungsmittels
nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompo
nenten a) bis f) in einem mit Wasser mischbaren Lösungsmittel radi
kalisch polymerisiert werden, das Copolymere mit einer Säure ganz
oder teilweise neutralisiert, mit Wasser kolloid dispergiert und mit
Epichlorhydrin quarterniert wird.
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883826825 DE3826825A1 (de) | 1988-03-03 | 1988-08-06 | Kationisches leimungsmittel fuer papier |
DE89106679T DE58906423D1 (de) | 1988-08-06 | 1989-04-14 | Kationische Leimungsmittel für Papier. |
EP89106679A EP0357866B1 (de) | 1988-08-06 | 1989-04-14 | Kationische Leimungsmittel für Papier |
AT89106679T ATE98719T1 (de) | 1988-08-06 | 1989-04-14 | Kationische leimungsmittel fuer papier. |
ES89106679T ES2048779T3 (es) | 1988-08-06 | 1989-04-14 | Agente de apresto cationico para papel. |
Applications Claiming Priority (2)
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---|---|---|---|
DE3806905 | 1988-03-03 | ||
DE19883826825 DE3826825A1 (de) | 1988-03-03 | 1988-08-06 | Kationisches leimungsmittel fuer papier |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3826825A1 true DE3826825A1 (de) | 1989-09-14 |
DE3826825C2 DE3826825C2 (de) | 1991-03-28 |
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ID=25865482
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19883826825 Granted DE3826825A1 (de) | 1988-03-03 | 1988-08-06 | Kationisches leimungsmittel fuer papier |
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DE (1) | DE3826825A1 (de) |
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