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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine "One-shot"-Terpentinharz-Emulsion unter Einarbeitung
eines kationischen Stärkederivats
zur Verwendung in der Papierleimung und betrifft außerdem ein
Verfahren zum Papierleimen unter Verwendung der "One-shot"-Zusammensetzung.
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Es
gilt als eine bewährte
Praxis, die Papierleimung unter Verwendung einer Terpentinharz-Emulsion und eines
löslichen
Aluminiumsalzes auszuführen,
wie beispielsweise Aluminiumsulfat (z. B. in Form Papiermacher-Alaun
[Al2(SO4)3·16–18H2O], Aluminiumchlorid, Polyaluminiumchlorid
oder Aluminiumchlorhydrat. (Obgleich der Begriff "Emulsion" üblicherweise zur Beschreibung
des Terpentinharzproduktes verwendet wird, müsste er richtigerweise als
eine Dispersion bezeichnet werden, da die Partikel, obgleich als
eine Emulsion angesetzt, bei Umgebungstemperatur effektiv fest sind).
Die Terpentinharz-Emulsion und das Aluminiumsalz werden in der Regel
als separate Zugaben zu dem Prozess der Papiererzeugung verwendet.
Allerdings ist auch bekannt, sogenannte "One-shot"-Zusammensetzungen anzusetzen, die durch
ein Vormischen einer Terpentinharz-Emulsion und eines Aluminiumsalzes
erzeugt werden. Die Verwendung einer "One-shot"-Zusammensetzung vermeidet die Notwendigkeit
separater Zugaben von Terpentinharz-Emulsion und Aluminiumsalz zu
dem Prozess der Papiererzeugung.
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In
der WO-A-86/02677 (EKA AB) wird eine kationische Dispersion zum
Papierleimen beschrieben, die ein Kunstharz aufweist, ein Polyaluminiumsalz
und eine kationische organische Verbindung. In der WO-A-96/35841
wird eine kationische Dispersion zum Papierleimen beschrieben, die
ein Terpentinharz und ein wasserlösliches alkalisches Metallsalz
aufweist.
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Eine "One-shot"-Zusammensetzung
kann erzeugt werden, indem eine anionische Bewoid-Terpentinharz-Emulsion
(z. B. stabilisiert mit Casein) und ein Aluminiumsalz heftig gerührt werden,
so dass die Bewegung über
die Erzeugung eines ersten Niederschlages hinaus fortgesetzt wird,
um letztere zu einer kationischen Emulsion umzuwandeln. Die Erzeugung
derartiger Emulsionen unter Anwendung dieser Methode wurde in der
GB-A-2050453 offenbart.
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Kationische
Emulsionen, die mit Hilfe dieser Art von Methode hergestellt werden,
finden keine sehr verbreitete Anwendung, obgleich es eine wenige
gibt, die sich immer noch auf dem Markt befinden. Eine Einschränkung derartiger
kationischer Emulsionen besteht darin, dass sie oftmals nicht so
stabil sind wie die anionischen Terpentinharz-Emulsionen, aus denen
sie abgeleitet sind, und das Erzielen einer Reproduzierbarkeit nicht
immer leicht ist. Es ist daher Praxis gewesen, als eine der Komponenten
der Emulsion, die aus der anionischen Bewoid-Emulsion und dem Aluminiumsalz
erzeugt wurde, ein kationisches Stabilisiermittel einzubeziehen.
Beispiele für
derartige kationische Stabilisiermittel schließen quaternisierte und andere
kationisierte Stärken
ein.
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Bei
den bestehenden "One-shot"-Zusammensetzungen
unter Einbeziehung einer konventionellen kationischen Stärke als
Stabilisiermittel gibt es jedoch insofern ein Problem, dass lediglich
relativ geringe Mengen der Stärke
verwendet werden können,
ohne dass die "One-shot"-Zusammensetzung übermäßig viskos
für einen
wirtschaftlichen Gebrauch im Prozess der Papiererzeugung wird. Dieses
ist ein Problem, das auf üblicherweise
verwendete kationische Stärken
zurückzuführen ist,
die einen relativ schwachen "kationischen
Charakter" haben
und daher die Menge der Stärke,
die in der "One-shot"-Zusammensetzung
toleriert werden kann, unzureichend ist, um die Ladungsumkehr der
anfänglich
anionischen Emulsion zustande zu bringen und eine kationische Emulsion
zu ergeben.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten
Nachteile zu umgehen oder zu mildern.
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Nach
einem ersten Aspekt gewährt
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer "One-shot"-Zusammensetzung
für die
Verwendung in der Papierleimung, wobei das Verfahren die Herstellung einer
Zumischung einer Terpentinharz-Emulsion und eines kationischen Stärkederivats
umfasst, die einen Ladungszustand von 0,5 bis 5,0 mval pro Gramm
hat und die mit Hilfe eines Prozesses erzeugt worden ist, in dem
die Stärkestruktur
vor dem Schritt der Kationisierung aufgespalten wurde und ein lösliches
Aluminiumsalz der Zumischung zugesetzt und eine Homogenisierung
herbeigeführt
wurden.
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Nach
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine "One-shot"-Zusammensetzung
zur Verwendung in der Papierleimung gewährt, die eine Zumischung einer
Terpentinharz-Emulsion aufweist, ein lösliches Aluminiumsalz und ein
kationisches Stärkederivat,
das einen Ladungszustand von 0,5 bis 5,0 mval pro Gramm hat und
das mit Hilfe eines Prozesses hergestellt worden ist, in dem die
Stärkestruktur
vor dem Schritt des Kationisierens aufgespalten worden ist und die
zubereitet worden ist, indem eine Zumischung der Terpentinharz-Emulsion
und der Stärke
hergestellt wird und das Aluminiumsalz der Zumischung zugegeben wird
und eine Homogenisierung herbeigeführt wird.
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Die
Zusammensetzung der Erfindung umfasst damit ein kationisches Polymer,
das von einer abgebauten Stärke
deriviert ist und eine Ladungsdichte (d. h. die mittlere Zahl der
Millival von kationisierten Atomen pro Gramm Polymer) von 0,5 bis
50 hat. Dieses ist etwas höher
als bei konventionellen kationischen Stärken, denen man im Allgemeinen
eine Ladungsdichte im Bereich von 0,1 bis 0,3 mval pro Gramm zuordnet.
Darüber hinaus
bedeutet die Tatsache, dass das kationische Polymer aus einer abgebauten
Stärke
erzeugt worden ist, dass es (d. h. das kationische Polymer) eine
geringere relative Molekülmasse
hat als konventionelle kationische Stärken mit dementsprechender
Verringerung der Viskosität.
Die geringe Viskosität
und die höhere
Ladung des kationischen Polymers erlaubt, dass die Ladung einer
anionischen Terpentinharz-Emulsion bei geringen Konzentrationen
des kationischen Polymers umgekehrt werden kann, um die verwendbare
kationische Emulsion zu erzeugen und einen Bereich eines kationischen
Charakters zu erzeugen, der auf die speziellen Anforderungen einer
Papiermühle
zugeschnitten werden kann.
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Vorzugsweise
hat das kationische Polymer eine Ladungsdichte von 0,5 bis 4,5 und
mehr bevorzugt von 1 bis 3,5 mval pro Gramm.
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Aus
abgebauter Stärke
erzeugte kationische Polymere zur Verwendung in der Erfindung lassen
sich mit einem innerhalb eines Bereichs von Molmassen und eines
Kationisierungsgrades herstellen. Darüber hinaus ist es möglich, Lösungen solcher
Polymere herzustellen, die bis zu 55 Gew.-% des Polymers enthalten, ohne übermäßig viskos
zu sein. Daher ist es nach der vorliegenden Erfindung möglich, eine
Reihe von kationischen "One-shot"-Zusammensetzungen
zu erzeugen, die über
einen ausreichend kationischen Charakter für eine spezielle Anwendung
verfügen,
ohne zu viskos zu sein.
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Das
in der vorliegenden Erfindung zum Einsatz gelangende kationische
Polymer ist vorzugsweise ein quaternisiertes Derivat einer abgebauten
Stärke.
Ein solches Derivat hat vorzugsweise einen Substitutionsgrad von
mindestens 0,15, mehr bevorzugt 0,15 bis 1,30 und noch mehr bevorzugt
0,20 bis 1,10 quaternäre Gruppen
pro Glucoseeinheit. Im idealen Fall beträgt der Substitutionsgrad 0,20
bis 0,80 und am meisten bevorzugt 0,50 bis 0,80.
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Die
in der vorliegenden Erfindung zur Anwendung gelangenden kationischen
Polymere lassen sich durch Behandeln von Stärke mit einem Mittel erzeugen,
das die Polysaccharidkette teilweise "fragmentiert" (z. B. unter Verwendung eines oxidierenden
Mittels, wie beispielsweise Wasserstoffperoxid) und anschließend das "fragmentierte" Produkt in einer
Reaktion kationisiert, in der der Feststoffgehalt ein Minimum von
50 Gew.-% hat (mehr bevorzugt mindestens 55 Gew.-%). Das Mittel
zum Kationisieren kann in einer Menge von 20% bis 160 Gew.-% und
mehr bevorzugt 80% bis 120 Gew.-% der Menge an abgebauter Stärke verwendet werden,
wodurch es möglich
ist, den Grad der Kationisierung leicht zu kontrollieren.
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Die
bevorzugte chemische Substanz zum Quaternisieren ist 2,3-Epoxypropyltrimethylammoniumchlorid
obgleich andere Mittel zum Kationisieren ebenfalls zur Anwendung
gelangen können.
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Bevorzugte
kationische Polymere zur Anwendung in der Erfindung haben einen
Stickstoffgehalt im Bereich von näherungsweise 1 bis 5% (wobei
die chemische Substanz zum Kationisieren 2,3-Epoxypropyltrimethylammoniumchlorid
ist). Besonders bevorzugt, dass kationische, oxidierte Stärkederivate
zur Verwendung in der Erfindung einen Stickstoffgehalt von 3 bis
5%, mehr bevorzugt 3 bis 4% und im Idealfall etwa 3,5% haben (wobei
die chemische Substanz zum Kationisieren 2,3-Epoxypropyltrimethylammoniumchlorid
ist).
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Die
Beziehung zwischen dem Stickstoffgehalt des kationischen Polymers
(quaternisiert unter Verwendung von 2,3-Epoxypropyltrimethylammoniumchlorid)
und dem Substitutionsgrad pro Glucoseeinheit ist in 1 der beigefügten Zeichnungen veranschaulicht.
Aus der graphischen Darstellung von 1 kann
entnommen werden, dass die vorgenannten Polymere mit einem Gehalt
von 3 bis 4% Stickstoff einen Substitutionsgrad im Bereich von etwa
0,53 bis etwa 0,8 haben.
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Vorzugsweise
hat das kationische Polymer zur Verwendung in der Erfindung eine
mittlere relative Molekülmasse
im Bereich von 100.000 bis 500.000 Dalton und mehr bevorzugt 150.000
bis 450.000.
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Weitere
Einzelheiten über
die Art und Weise, in der die kationischen Polymere hergestellt
werden können,
sind in den WO-A-95/18157 und den FI-P-94135 und 94128 ausgeführt (alle
im Namen der Raisio Chemicals).
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Besonders
geeignete, quaternisierte, oxidierte Stärkederivate zur Verwendung
für das
Zubereiten der Emulsionen der Erfindung sind unter dem Warenzeichen
RAIFIX verfügbar,
womit eine Reihe von Produkten mit unterschiedlichem kationischen
Charakter und Molmasse angegeben wird.
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Typische
RAIFIX-Produkte haben einen Substitutionsgrad (durch das Mittel
zum Kationisieren) von 0,1 bis 1,1, was einem Stickstoffgehalt im
Bereich von näherungsweise
1 bis 5% entspricht (bei der kationisierenden Substanz von 2,3-Epoxypropyltrimethylammoniumchlorid).
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RAIFIX-Produkte
sind unter den folgenden 5-ziffrigen Produktkennzeichen verfügbar:
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In
diesen Produktkennzeichnungen stehen die ersten drei Ziffern für die Molmasse
(je höher
die Zahl um so größer ist
die relative Molmasse) und die letzten zwei Zeichen sind näherungsweise
das 10fache des Stickstoffgehaltes. Schätzwerte für die relative Molmasse der
RAIFIX-Produkte sind 100.000 Dalton für die Bezeichnungen 010xx und
500.000 Dalton für
die Bezeichnungen 250xx.
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Der
Bereich des Substitutionsgrades und der relativen Molmasse, die
in den Produkten der RAIFIX-Reihe verfügbar ist, erlaubt den Ansatz
von "One-shot"-Zusammensetzungen,
die so zugeschnitten sind, dass sie den kationischen Anforderungen
an einer speziellen Oberflächenbehandlung
genügen,
für die
sie verwendet werden sollen, und (bis zu einem bestimmten Umfang)
den Retentions- und Ablaufbedingungen der Maschine für die Papiererzeugung,
auf der die Zusammensetzung zur Anwendung gelangen soll.
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Das
in der Emulsion der Erfindung verwendete Terpentinharz kann beispielsweise
ein Holzharz sein, Balsamharz, ein Tallölharz oder Mischungen davon.
Das Terpentinharz kann maleiert sein, verstärkt, unverstärkt, hydriert
oder disproportioniert sein. Das Terpentinharz kann wahlweise verestert
sein. Bei Verwendung eines Tallölharzes
wird die Vorbehandlung mit p-Formaldehyd bevorzugt.
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Das
bevorzugte Terpentinharz zur Verwendung in der Erfindung ist ein
maleiertes oder fumariertes Terpentinharz.
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Nach
Erfordernis kann das Terpentinharz mit Tallölfettsäuren compoundiert sein, wie
in der GB-A-2268941
vorgeschlagen wurde. Tallölfettsäuren sind
beispielsweise unter der Bezeichnung CENTURY MO6 (ex Union Camp
Chemicals Limited) verfügbar.
Alternativ lässt
sich jedes andere Terpentinharz als Streckmittel (z. B. ein Kohlenwasserstoffharz)
verwenden.
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Die
Terpentinharz-Emulsion, aus der die "One-shot"-Zusammensetzung erzeugt ist, kann beispielsweise
einen Feststoffgehalt von 30% bis 50 Gew.-% haben. Diese Emulsion
kann ein Terpentinharz sein, das mit Maleinsäureanhydrid oder Fumarsäure verstärkt worden
ist. Die Emulsion kann eine anionische Terpentinharz-Emulsion sein,
z. B. eine mit Casein stabilisierte Bewoir-Terpentinharz-Emulsion.
Innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung kann diese Terpentinharz-Emulsion
(aus der die "One-shot"-Zusammensetzung erzeugt wird) jedoch
auch eine kationische Terpentinharz-Emulsion sein (z. B. entsprechend
der Beschreibung in der EP-A-0406461).
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Das
Aluminiumsalz kann beispielsweise Aluminiumsulfat sein (z. B. Papiermacher's Alaun), Aluminiumchlorid,
Polyaluminiumchlorid oder Aluminiumchlorhydrat.
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Das
Stärkederivat
ist, wie bereits ausgeführt,
vorzugsweise ein Produkt, wie es unter dem Warenzeichen RAIFIX verfügbar ist.
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Die "One-shot"-Zusammensetzung
wird in der Regel einen Feststoffgehalt von mindestens 10% und noch
eher mindestens 20% haben. Im typischen Fall liegt der Feststoffgehalt
im Bereich von 20% bis 35 Gew.-%, z. B. 27% bis 34 Gew.-%.
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Vorzugsweise
wird die "One-shot"-Zusammensetzung
so angesetzt, dass die relativen Mengen an Terpentinharz, Aluminiumsalz
und Stärkederivat
im Bereich eines Verhältnisses
von 1 : (1–1,5,
z. B. etwa 1,4) : (0,1–0,5,
z. B. etwa 0,3) liegen.
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Die
erfindungsgemäßen Zusammensetzungen
werden durch eine Zumischung der verschiedenen Komponenten, gefolgt
von einer Homogenisierung hergestellt, um eine glatte Emulsion mit
geringer Viskosität zu
erzeugen (was ein anfängliches
Mischen von Terpentinharz und Stärkederivaten
vor dem Mischen mit dem Aluminiumsalz bedeutet).
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Erfindungsgemäße "One-shot"-Zusammensetzungen
können
zum Leimen von Papier verwendet werden, weshalb nach einem zweiten
Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von
Papier gewährt
wird, worin ein Leimen der Fasern des Papiers unter Verwendung einer "One-shot"-Zusammensetzung nach dem ersten Aspekt
der Erfindung herbeigeführt
wird.
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Die "One-shot"-Zusammensetzung
wird an der Nasspartie des Prozesses zur Papierherstellung zugegeben
(d. h. zu einer Dispersion des Papierfaserstoffes, bevor die Dispersion
auf dem Papiersieb abgelegt wird) oder an einer Leimungspresse nach
der Erzeugung der Papierbahn.
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Die
Menge der zum Leimen des Papiers verwendeten Zusammensetzung wird
im typischen Fall so groß sein,
dass die Terpentinharzmenge 0,2 bis 3% Trockenmasse bezogen auf
das Gewicht der Fasern beträgt.
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Die
Erfindung wird anhand des folgenden nicht einschränkenden
Beispiels veranschaulicht.
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BEISPIEL
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Die
in Tabelle 1 angegebenen Zubereitungen A bis G wurden hergestellt
aus der Terpentinharz-Emulsion,
wie sie nachfolgend unter (1) angegeben ist, aus mindestens einem
der Aluminiumsalze, wie sie unter (2) angegeben sind, und aus einem
der Stärkederivate,
wie sie unter (3) angegeben sind.
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(1) TERPENTINHARZ-EMULSION
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Die
Terpentinharz-Emulsion, die zur Anwendung gelangt, war die unter
dem Warenzeichen NEUSIZE 3 von Roe Lee Paper Chemicals Co. verfügbar. Hierbei
handelte es sich um eine angereicherte Balsamharz-Emulsion mit Casein
als Stabilisiermittel und einem Feststoffgehalt von 30 Gew.-%.
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(2) ALUMINIUMVERBINDUNG
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Bei
der zur Anwendung gelangenden Aluminiumverbindung handelte es sich
mindestens um eine der Folgenden:
- (a) Papiermacher's Alaun (8% Al2O3)
- (b) Aluminiumchlorid (10,5% Al2O3)
- (c) OULUPAC 180 (Polyaluminiumchlorid (18% Al2O3)
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(3) STÄRKEDERIVAT
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Bei
dem zur Anwendung gelangenden Stärkederivat
handelt es sich um eines der Folgenden:
- (a)
RAIFIX 25035 (20% Feststoffe) (3,5 mval pro Gramm)
- (b) RAIFIX 01015 (20% Feststoffe) (1,5 mval pro Gramm)
- (c) RAIFIX 01035 (40% Feststoffe) (3,5 mval pro Gramm)
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Sämtliche
Zubereitungen (d. h. A bis G) wurden hergestellt, indem die angegebenen
Komponenten in der angegebenen Reihenfolge mit einem Laborrührwerk gemischt
wurden und anschließend
die resultierende Suspension durch einen pneumatischen Mikrofluidiser,
Christisen Scientific Equipment Ltd., H5000, geschickt wurde, um
eine glatte Emulsion mit geringer Viskosität zu erzeugen.
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Die
mittlere Partikelgröße der resultierenden
Emulsion und ihre Stabilität
sind in Tabelle 1 gezeigt.
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Es
wurden bestimmte Zubereitungen im Bezug auf ihre Leimungseigenschaften
getestet. Für
diese Aufgabe wurde für
das 10. Blatt in einer mit wiederaufbereitetem Rückwasser erzeugten Serie der
1-Minuten-Cobb-Wert
erhalten. Bei dieser Methode hat sich in anderen Untersuchungen
gezeigt, dass sie Ergebnisse liefert, die näher an denjenigen einer großtechnischen
Papiermaschine lagen, als die Ergebnisse von einem einzelnen handgeschöpften Bogen.
Bei dem verwendeten Faserstoff handelte es sich um einen gemischten Hartholz-,
Weichholz-Faserstoff mit einem Gehalt von 70% Birke und 30% gebleichtem
Kraft-Weichholzzellstoff.
Zum Vergleich der Wirksamkeit der getesteten Zubereitungen wurde
ein ähnlicher
Test unter Verwendung von NEUSIZE 3 und Papiermacher's Alaun ausgeführt, die
eine ähnliche
Menge an Terpentinharzzugabe hatten und zu einem Korb-Wert von 20,8
führten.
Während
all dieser Versuche wurde Polyacrylamid (Percol 63) mit einer Menge
von 300 g/t zugesetzt.
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Aus
Tabelle 1 kann entnommen werden, dass die Zubereitung B ein stabiles
Produkt war, das einen ähnlichen
Cobb-Wert wie der Vergleichstest der Leimung unter Verwendung von
NEUSIZE 3 und Papiermacher's
Alaun ergab. Die Zubereitung B war daher die in Tabelle 1 bevorzugte
Zubereitung.
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Ein
Vergleich der Zubereitungen A und B veranschaulicht, dass die Methode
der Zugabe von Bedeutung ist, da beide Zubereitungen aus den gleichen
Komponenten erzeugt wurden, wobei jedoch eine unterschiedliche Reihenfolge
der Zugabe angewendet wurde. Die Zubereitung A war gegenüber einer
Eindickung und Absetzung empfindlich, während die Zubereitung B ausgesprochen
stabil war.
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Die
kombinierte Verwendung von OULUPAC 180 und Papiermacher's Alaun in der Zubereitung
C führte
zu der besten Wirksamkeit der Leimung, jedoch führte die Kombination dieser
2 Aluminiumverbindungen (wie sie in den Zubereitungen C und D verwendet
wurden) zu einer gewissen Thixotropie.
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Die
Zubereitungen E und F zeigten eine gewisse Thixotropie, allerdings
ließ sich
diese durch Änderung
der Menge und des Typs von RAIFIX unter Kontrolle behalten.
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