DE69918756T2

DE69918756T2 - Verfahren für die Herstellung von hydrophoben Papier oder hydrophoben Karton und Leimungsmittel

Info

Publication number: DE69918756T2
Application number: DE69918756T
Authority: DE
Inventors: Ari Juppo; Aarto Paren
Original assignee: Kemira Oyj
Current assignee: Kemira Oyj
Priority date: 1998-09-04
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2019-08-21
Also published as: CA2280369A1; DE69918756D1; US6187143B1; FI109220B; ES2226322T3; PT984102E; FI981892A0; EP0984102B1; FI981892L; ATE271629T1; EP0984102A1; CA2280369C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hydrophobem Papier oder hydrophobem Karton mittels Kolophoniumleimung. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Leimzusammensetzung, die Kolophoniumleim enthält.
Kolophoniumharz und Leime auf Basis von Kolophoniumharz werden schon lange für die Leimung von Karton und Papier verwendet, wenn der Papierstoff sauer oder fast neutral ist. Der Leim wird eingesetzt, indem er zum Faserpapierstoff gegeben wird, aus dem später auf dem Sieb eine Bahn gebildet wird. Zweck des Leimzusatzes ist die Erhöhung der Hydrophobizität des Papiers oder Kartons.
Kolophoniumleimung basiert auf der Bildung von elektrostatischen Bindungen zwischen dem Leim und der Cellulose oder anderen Fasern oder Feststoffen im Papierstoff oder der Papierbahn. Mit den heutigen Reaktionsprodukten von Anhydriden und kolophoniumharzhaltigen Stoffen wird ein besseres Leimungsergebnis erzielt als mit Produkten, die nur kolophoniumharzhaltige Stoffe enthalten. Derartige Reaktionsprodukte werden als verstärkte Kolophoniumleime bezeichnet. Im Allgemeinen wird eine wässrige Dispersion der Leime gebildet, um die Dosierung zu erleichtern. Stabile Dispersionen von Kolophoniumharz oder Produkten auf Grundlage von Kolophoniumharz sind wohlbekannt.
Kolophoniumharz ist ein Feststoff, der im Pech von Kiefern vorliegt. Sein Hauptbestandteil ist Abietinsäure, die mit Fumarsäure, Maleinsäure oder ihrem Anhydrid reagieren kann, wodurch der aktive Bestandteil von verstärkten Leimen gebildet wird. Diese verstärkten Leime können mit Formaldehyd und Alkoholen weiter behandelt werden.
Die Herstellung von Kolophoniumleimen zählt zur allgemein bekannten Technik.
Die Herstellung und Formulierung eines Kolophoniumleims wird beispielsweise in dem Patent FI-C-77884 beschrieben.
Die Zugabe eines Komplexbildners zu einer Papierpulpe ist aus EP-A-0 073 872 bekannt.
Kolophoniumleime werden im Allgemeinen mit Substanzen stabilisiert, die ein Schutzkolloid um die Harzpartikel herum bilden. Für gewöhnlich werden zu diesem Zweck eine modifizierte Stärke oder natürliche oder synthetische Polymere verwendet, wie Polyvinylalkohole, Polyvinylpyrrolidone oder Cellulose-Derivate wie Carboxymethylcellulose. Die Verwendung von Stabilisierungsmitteln für Kolophoniumleime zählt zur allgemein bekannten Technik.
Aluminiumsalze, die einem beliebigen Typ angehören können, der allgemein für seine Verwendbarkeit zur Leimung und Hydrophobierung von Cellulose und anderen Fasern bekannt ist, wie Aluminiumsulfat, Aluminiumchlorid, Polyaluminiumchlorid, Polyaluminiumsulfat und Mischungen davon, sind wesentlich für die Verwendung und Leistung eines Kolophoniumleimes. Es ist allgemein bekannt, dass die für Kolophoniumleimung erforderliche Alaunmenge das etwa 1,5-fache der kolophoniumharzhaltigen Substanz beträgt (W. F. Reynolds, The Sizing of Paper, zweite Auflage, 1989, S. 1–31), und die höchstmögliche kationische Ladung erzielt wird, wenn 1–1,5 Äquivalente des Al³⁺-Ions mit dem OH-Ion neutralisiert werden. In diesem Fall liegt der pH-Wert bei 4–5. Es ist bekannt, dass Ca²⁺- und Mg²⁺-Ionen die Leimungswirkung schwächen, da sie die negative Ladung des Kolophoniumleims verringern und nachteilige Ausfällungen bilden. Probleme treten insbesondere dann auf, wenn die Pulpen in hartem Wasser hergestellt werden oder wenn Calciumcarbonat als Füllstoff verwendet wird. Calciumcarbonat puffert die Pulpe in einem pH-Bereich von 7–8. Es wurden Anstrengungen unternommen, die Leistung von Kolophoniumleim in dieser Umgebung durch Verwendung von Dispersionsleimen von sehr geringer Partikelgröße zu verbessern. Dadurch wird erreicht, dass Kolophoniumleime nur im Trockenabschnitt mit Aluminium reagieren, wo Wasser nicht mehr als kontinuierliche Phase dient und der Leim nicht mehr mit dem Carbonat in Kontakt ist. Andererseits wurden Anstrengungen unternommen, die Wechselwirkung zwischen Aluminium und Kolophoniumleim zu steigern, indem sie am selben Ort in den kurzen Zyklus der verdünnten Pulpe eingespeist werden.
Die Qualitätseigenschaften von Karton zur Verpackung von Flüssigkeiten umfassen nicht nur die Hydrophobizität des Kartons, die im Allgemeinen als Cobb-Wert angegeben wird, sondern auch die Resistenz gegen das Eindringen von Milchsäure an der Kante des Kartons (Milchsäure-REP) und Resistenz gegen das Eindringen von Wasserstoffperoxid (Peroxid-REP). Die Werte zeigen das Eindringen der besagten Lösungen von der Kartonkante in Richtung der Querschnittsfläche.
Resistenz gegen Peroxid ist notwendig, da der Karton in einem heißen Wasserstoffperoxidbad behandelt wird, bevor daraus Verpackungen hergestellt werden. Resistenz gegen Milchsäure ist notwendig oder die Verpackung muss resistent gegen Milch oder andere flüssige Lebensmittel sein, die darin gelagert werden. Um eine wirksame Leimung zu erzielen, wird im Allgemeinen ebenfalls ein AKD-Leim (Alkylketendimer-Leim) in der Herstellung von Karton zur Verpackung von Flüssigkeiten verwendet. Ein AKD-Leim, der zusammen mit einem Kolophoniumleim verwendet werden kann, ist für gewöhnlich eine wässrige Dispersion.
Die AKD-Konzentration in den Produkten kann bei 0,5–30 Gew.-% liegen. Im Allgemeinen werden für die Formulierung von AKD verschiedene Stärken verwendet, die im Allgemeinen kationisiert sind, entweder mit quaternären Aminen, wobei in diesem Fall die Stärke ihre kationische Ladung sogar unter alkalischen Bedingungen beibehält, oder mit primären, sekundären oder tertiären Aminen, deren Ladung vom pH-Wert abhängt. Die Stärkemenge kann das 0,1–10-fache des AKD-Anteils betragen. Im Allgemeinen werden zum Dispergieren eines AKD-Wachses verschiedene anionische Verbindungen verwendet wie Lignosulfate, aliphatische oder aromatische Sulfonate, nicht-ionische Tenside, wie Fettsäure- oder Fettalkoholethoxylate, oder kationische Tenside, wie Fettsäureamine oder -imidazoline. Zur Stabilisierung einer AKD-Dispersion können ebenfalls Polymere wie Polyethylenimin-, Polyepiamin-, Polydimethyldiallyl- oder Dicyandiamid-Verbindungen, Polyacrylamid oder Polyacrylsäure und ihre Salze verwendet werden. Es ist allgemein bekannt, dass die Menge an Stabilisierungsmitteln bei 1–200 Gew.-% der AKD-Menge liegt. Durch die Verwendung von Polymeren kann nicht nur die Stabilität des Produkts verbessert werden, sondern auch die Leistung des Produkts bei Papier oder Karton beeinflusst werden. Die Zugabe von Stabilisierungsmitteln zählt zum allgemein in der Formulierung von AKD-Produkten angewandten Stand der Technik.
Es ist allgemein bekannt, dass Kolophoniumleimung insbesondere verwendet wird, um die Resistenz von Karton gegen Peroxid zu beeinflussen, während sich Alkylketendimer (AKD) in erster Linie auf dessen Resistenz gegen Milchsäure auswirkt. AKD-Leim kann in der Kartonmaschine vor, nach oder gleichzeitig mit dem Harzleim zur Pulpe gegeben werden, je nach Betriebsart der Kartonmaschine. Die Reihenfolge der Dosierung hat keinen Einfluss auf die Leistung der Erfindung.
Es wurde überraschenderweise beobachtet, dass die Resistenz gegen Peroxid, die insbesondere auf Kolophoniumleimung zurückzuführen ist, durch Verwendung von Komplexbildnern verstärkt werden kann, die zusammen mit dem Kolophoniumleim dosiert werden oder in das Produkt eingearbeitet werden. Zu diesem Zweck geeignete Komplexbildner umfassen Mittel, die langsam mit Aluminiumverbindungen und schnell mit Erdalkalimetallionen reagieren.
Gemäß der Erfindung wird daher ein Verfahren zur Herstellung von hydrophobem Papier oder Karton durch Verwendung von Kolophoniumleimung bereitgestellt, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass zusammen mit einem Kolophoniumleim ein organischer Komplexbildner in einer Menge von 0,1–20 Gew.-% des aktiven Bestandteils des Kolophoniumleims verwendet wird und zusätzlich zum Kolophoniumleim ein weiteres Mittel zur Verstärkung der Hydrophobizität verwendet wird, das ein Alkylketendimer-Leim ist.
Für Komplexbildner wird ebenfalls der Begriff Chelatbildner verwendet.
Gemäß der Erfindung kann der organische Komplexbildner in den Kolophoniumleim eingearbeitet werden oder an derselben Stelle in der Papier- oder Kartonmaschine dosiert werden wie der Kolophoniumleim.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die Leimung zusammen mit einer Aluminiumverbindung geeignet, wie Aluminiumsulfat, Aluminiumchlorid, Polyaluminiumchlorid, Polyaluminiumsulfat oder ihren Mischungen.
Geeignete Komplexbildner, die gemäß der Erfindung verwendet werden können, umfassen

a) Aminopolycarbonsäuren
b) N-bis- oder -tris-[(1,2-dicarboxylethoxy)ethyl]amine und
c) Phosphonsäuren.

Die oben genannten Komplexbildner können in Form einer Säure oder eines Salzes vorliegen. Geeignete Salze umfassen Alkalimetallsalze und Ammoniumsalz. Natrium- und Kaliumsalze sind bevorzugte Salze.
Bevorzugte Komplexbildner der Gruppe a) umfassen Aminopolycarbonsäuren der folgenden allgemeinen Formel I.
wobei
A gleich -CH₂COOH,
B gleich -CH₂COOH oder -CH₂CH₂OH,
x gleich 0–6, vorzugsweise 0–3,
y gleich 0–6, vorzugsweise 0–2,
a gleich 2–10, vorzugsweise 2–4, und
b gleich 2–10, vorzugsweise 2–6, ist.
Besonders bevorzugte Verbindungen gemäß Formel I umfassen Ethylendiamintetraessigsäure, d. h. EDTA (B = A, x = 0, b = 2 und y = 1),
Diethylentriaminpentaessigsäure, d. h. DTPA (B = A, x = 1, a = 2, b = 2 und y = 1), und
Nitrilotriessigsäure, d. h. NTA (B = A, x = 0 und y = 0).
Bevorzugte Komplexbildner der Gruppe b) umfassen N-bis- oder -tris-[(1,2-dicarboxylethoxy)ethyl]amine der allgemeinen Formel II
wobei
R gleich Wasserstoff,
eine Alkylgruppe mit 1–30 Kohlenstoffatomen,
eine Alkylgruppe mit 1–30 Kohlenstoffatomen und zusätzlich 1–10 Carbonsäuregruppen,
eine Alkylgruppe mit 1–30 Kohlenstoffatomen und zusätzlich 1–10 Carbonsäureestergruppen,
eine (poly)ethoxylierte Kohlenwasserstoffgruppe mit 1–20 Ethoxylgruppen, oder
eine Carbonsäureamidgruppe mit 1–30 Kohlenstoffatomen, bei der dann die N-R-Bindung eine Amidbindung ist.
Besonders bevorzugte Komplexbildner der Formel II umfassen die folgenden Verbindungen gemäß den Formeln A, B und C:
A = N-bis[(1,2-dicarboxylethoxy)ethyl]amin (im Folgenden wird das Akronym BCEEA verwendet)
B = N-bis[(1,2-dicarboxylethoxy)ethyl]asparaginsäure (im Folgenden wird das Akronym BCEEAA verwendet)
C = N-tris[(1,2-dicarboxylethoxy)ethyl]amin (im Folgenden wird das Akronym TCEEA verwendet)
Diese Komplexbildner A, B und C und ihre Zubereitung wurden in der Patentanmeldung FI-962261 beschrieben. Es ist ebenfalls möglich, Gemische der Verbindungen A und B zu verwenden.
Bevorzugte Komplexbildner der Gruppe c) umfassen Phosphonsäuren der allgemeinen Formel III
wobei
R₁ gleich Wasserstoff, ein niederes Alkyl wie -CH₃ oder -(CH₂)_n-CH₃, eine Aminogruppe -NH₂, Hydroxymethyl -CH₂OH, eine niedere Carbonsäuregruppe -(CH₂)_n-COOH, eine niedere Alkylphosphonsäuregruppe -(CH₂)_n-PO₃H₂ oder eine Gruppe der Formel
R₂ gleich Wasserstoff, eine Hydroxylgruppe -OH, eine Phosphonsäuregruppe -PO₃H₂, eine niedere Carbonsäuregruppe -(CH₂)_n-COOH oder eine Gruppe der Formel
R₃ gleich Wasserstoff, eine Hydroxylgruppe -OH, eine Aminogruppe -NH₂, ein niederes Alkyl wie -CH₃ oder -(CH₂)_n-CH₃, eine niedere Carbonsäuregruppe -(CH₂)_n-COOH oder eine Gruppe der Formel
n gleich 0–6, vorzugsweise 0–3, ist.
Komplexbildner oder ihre Mischungen können in ihrer Säureform oder als Salze verwendet werden, wie oben festgestellt wurde. Wenn die Komplexbildner in Salzform verwendet werden, hat das Salz keine wesentliche Bedeutung für die Leistung der Erfindung.
Die Menge des organischen Komplexbildners liegt bei 0,1–20 Gew.-%, vorzugsweise bei 1–10 Gew.-%, der Menge des aktiven Bestandteils des Kolophoniumleims.
Gemäß der Erfindung wird zusätzlich zum Kolophoniumleim ein weiteres Mittel verwendet, das die Hydrophobizität verstärkt, wobei das Mittel Alkylketendimer-Leim (AKD-Leim) ist. Dieses Mittel kann in den Kolophoniumleim eingearbeitet oder zusammen mit dem Kolophoniumleim zugegeben werden oder es kann in der Papier- oder Kartonmaschine an einer anderen Stelle als der Kolophoniumleim zugegeben werden.
Gemäß der Erfindung wird ebenfalls eine Leimzusammensetzung bereitgestellt, die Kolophoniumleim enthält und einen darin eingearbeiteten organischen Komplexbildner in einer Menge von 0,1–20 Gew.-% des aktiven Bestandteils des Kolophoniumleims und zusätzlich ein weiteres Mittel zur Verstärkung der Hydrophobizität, das ein Alkylketendimer-Leim ist, welcher in den Kolophoniumleim eingearbeitet ist. Die geeigneten Komplexbildner wurden oben definiert.
Die Leimzusammensetzung liegt vorzugsweise in Form einer Dispersion vor.
Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung des oben definierten organischen Komplexbildners zusammen mit einem Kolophoniumleim und einem Alkylketendimer-Leim bei der Herstellung von hydrophobem Papier oder Karton.
Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, dass der organische Komplexbildner zusammen mit einem Kolophoniumleim verwendet wird, darin eingearbeitet wird oder an derselben Stelle in die Papier- oder Kartonmaschine zugegeben wird wie der Kolophoniumleim, wobei in diesem Fall das Verhalten der Substanz auf die Bildung eines Kolophoniumharz-Al-Reaktionsproduktes abzielt. Wenn die Substanzen direkt in das Kreislaufwasser dosiert würden, wäre ihre Konzentration so hoch, dass dies den restlichen Betrieb der Maschine stören würde. Wenn der Komplexbildner zusammen mit dem Kolophoniumleim zugegeben wird, liegt die bevorzugte Menge bei 0,01–1 kg pro metrische Tonne Karton oder Papier. In diesem Fall liegt die Konzentration des Komplexbildners im Produkt bei 0,1–20 Gew.-% des aktiven Bestandteils des Kolophoniumleims.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Verwendung für chemische Pulpen, mechanische Pulpen, chemisch-mechanische Pulpen und Mischungen davon geeignet.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe eines Beispiels beschrieben. Die Prozentangaben sind Gewichtsprozente, soweit nicht anders angegeben.
Beispiel
Für einen Blatttest, der gemäß den Vorschriften durch Scan-C 26 : 76 durchgeführt wurde, wurde zu 50% eine chemisch thermomechanische Pulpe (CTMP) und zu 50% eine chemische Weichholzpulpe verwendet. Die Mischung wurde auf einen Schopper-Wert von 38° gemahlen. Zu der Mischung wurde gekochte Stärke in einer Menge von 1 kg/t gegeben.
Der Trockengehalt des Papierstoffs wurde auf 0,3% festgelegt. Die Chemikalien wurden in der folgenden Reihenfolge dosiert: Calciumchlorid, Alaun 1 kg/t, AKD-Leim 2 kg/t, Kolophoniumleim 3,5 kg/t, Komplexbildner, Natriumsulfat, Alaun 2 kg/t, kationische Stärke 5 kg/t. Der Komplexbildner war in der Kolophoniumleimdispersion enthalten. Im Endprodukt lag der pH-Wert bei etwa 6.
In den Versuchen wurde Komplexbildner 1, der BCEEA und BCEEAA in einem Molverhältnis von 2 : 3 enthielt, verwendet.
Das Flächengewicht der Blätter betrug 138 g/m². Vor der Zugabe des ersten Alaun-Batches wurde Calciumchlorid zum Papierstoff gegeben und nach Zugabe des Kolophoniumleims wurde gemäß Tabelle 1 Natriumsulfat zugegeben.
Bestimmung der Peroxid-REP: bandbeschichtete Papierstreifen (2,5 cm × 7,5 cm), deren Ränder frei gelassen wurden, wurden 10 Minuten lang in eine Wasserstoffperoxidlösung einer Konzentration von 30% und einer Temperatur von 70°C getaucht. Die Streifen wurden gewogen und die Menge eingedrungener Flüssigkeit pro Querschnittsfläche des Streifens wurde gemessen.
Bestimmung der Milchsäure-REP: bandbeschichtete Papierstreifen (4,5 cm × 12 cm), deren Ränder frei gelassen wurden, wurden 1 Stunde lang in eine Milchsäurelösung einer Konzentration von 1% bei einer Temperatur von 25°C getaucht. Die Streifen wurden gewogen und die Menge einge drungener Flüssigkeit pro Querschnittsfläche des Streifens wurde gemessen.
Tabelle 1
Die Versuchergebnisse zeigen, dass Komplexbildner 1 (Versuch 2, 4 und 6) insbesondere die Penetration der Peroxidlösung, abhängig von der Kolophoniumleimung, von der Kante des Kartons nach innen deutlich verbessert. Die Zugabe von Sulfat verbessert das Ergebnis ohne Komplexbildner, stört jedoch etwas die Wirkung des Komplexbildners. Die Zugabe von Calcium verschlechtert das Ergebnis.

Claims

Verfahren zur Herstellung von hydrophobem Papier oder Karton unter Anwendung von Kolophoniumleimung, dadurch gekennzeichnet, dass ein organischer Komplexbildner zusammen mit einem Kolophoniumleim verwendet wird in einer Menge von 0,1–20 Gew.-% des aktiven Bestandteils des Kolophoniumleims und dass außer dem Kolophoniumleim ein weiteres Mittel zur Verstärkung der Hydrophobie verwendet wird, das ein Alkylketendimer-Leim ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der organische Komplexbildner in den Kolophoniumleim eingearbeitet ist oder an derselben Stelle in der Papier- oder Kartonmaschine wie der Kolophoniumleim zudosiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumverbindung zum Leimen verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der organische Komplexbildner a) Aminopolycarbonsäure, b) N-bis- oder -tris-[(1,2-dicarboxylethoxy)ethyl]amin oder c) Phosphonsäure ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der organische Komplexbildner der Gruppe a) Diethylentriaminpentaessigsäure (DTPA), Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) oder Nitrilotriessigsäure (NTA) oder ein Salz oder eine Mischung davon ist und der organische Komplexbildner der Gruppe b) N-bis[(1,2-dicarboxylethoxy)ethyl]amin (BCEEA), N-bis[(1,2-dicarboxylethoxy)ethyl]asparaginsäure (BCEEAA) oder N-tris[(1,2-dicarboxylethoxy)ethyl]amin (TCEEA) oder ein Salz oder eine Mischung davon ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des organischen Komplexbildners 1–10 Gew.-% des aktiven Bestandteils des Kolophoniumleims beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkylketendimer-Leim in den Kolophoniumleim eingearbeitet ist oder zusammen mit dem Kolophoniumleim zugegeben oder an einer anderen Stelle in der Papier- oder Kartonmaschine als der Kolophoniumleim zudosiert wird.
Leimzusammensetzung, die einen Kolophoniumleim und einen darin eingearbeiteten organischen Komplexbildner in einer Menge von 0,1–20 Gew.-% des aktiven Bestandteils des Kolophoniumleims und außerdem ein weiteres Mittel zur Verstärkung der Hydrophobie enthält, das ein in den Kolophoniumleim eingearbeiteter Alkylketendimer-Leim ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese in Form einer Dispersion vorliegt.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der organische Komplexbildner ein in Anspruch 4 oder 5 definierter organischer Komplexbildner ist.
Verwendung eines organischen Komplexbildners zusammen mit einem Kolophoniumleim und einem weiteren Mittel zur Verstärkung der Hydrophobie, das ein Alkylketendimer-Leim ist, in der Herstellung von hydrophobem Papier oder Karton, wobei die Menge des Komplexbildners 0,1–20 Gew.-% des aktiven Bestandteils des Kolophoniumleims beträgt.
Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der organische Komplexbildner ein in Anspruch 4 oder 5 definierter Komplexbildner ist.