DE69930005T2

DE69930005T2 - Verfahren zur herstellung von fasern oder gruppen von fasern die mit polymeren beschichtet sind, die untereinander wechselwirken.

Info

Publication number: DE69930005T2
Application number: DE69930005T
Authority: DE
Inventors: Sven Forsberg; Lars Wagberg
Original assignee: SCA Hygiene Products AB
Current assignee: Essity Hygiene and Health AB
Priority date: 1998-11-30
Filing date: 1999-11-23
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2019-11-24
Also published as: HUP0104488A2; SE9804123L; SE9804123D0; HU225401B1; ES2259242T3; BR9915750A; PL348462A1; AU1903500A; SE521591C2; US20020088579A1; HUP0104488A3; EP1137719A1; EP1137719B1; JP2002531714A; ATE318289T1; DE69930005D1; CO5121087A1; WO2000032702A1; ZA200103812B

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Faser oder einer Gruppe von Fasern mit einer Beschichtung aus mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei, außerhalb voneinander liegenden dünnen Schichten wechselwirkender Polymere, bei dem die Faser oder die Gruppe von Fasern in aufeinanderfolgenden Schritten mit Lösungen der wechselwirkenden Polymere behandelt wird. Solch eine Beschichtung modifiziert die Eigenschaften der Fasern sowie die Eigenschaften der Produkte, z.B. Papier und Vlies, in denen die behandelten Fasern enthalten sind.
Hintergrund der Erfindung
Die vermehrte Verwendung von wiedergewonnenen Fasern bei der Papierherstellung und die Verwendung von Komponenten mit schlechteren Verbindungseigenschaften, wie Mineralfüllstoffen, haben das Bedürfnis nach wirksameren Trockenfestigkeitsmitteln in dem Papier gesteigert. Traditionell wurden zwei unterschiedliche Verfahren zur Zugabe von die Festigkeit verbessernden Chemikalien zu dem Papier verwendet, nämlich Zugabe von Chemikalien am Nassende des Papierverfahrens oder Oberflächenauftragung mittels einer Leimpresse. Die Nassendzugabe ist, gezählt pro kg-verwendetes Produkt, gewöhnlich effektiver als der Oberflächenauftrag. Um die am nassen Ende gemachte Zugabe in dem Papierblatt zu halten, sind Nassendchemikalien hauptsächlich ausschließlich kationisch, und um sie gegenüber gelösten und kolloidalen Materialien und gegenüber der erhöhten Konzentration an Elektrolyten, hervorgerufen durch das verstärkte Abschließen der Systeme, weniger anfällig zu machen, wird ihre kationische Ladung gewöhnlich erhöht. Dies wiederum führt zu einer erniedrigten Sättigungsadsorption der Additivchemikalien an den Fasern, was zu einem reduzierten Maximaleffekt der Additivchemikalien führt. Dies bringt mit sich, dass es ein Bedürfnis, sowohl nach neuen Verfahren des Auftragens von festigkeitsverbessernden Chemikalien auf das Papier, als auch nach neuen Chemikaliensystemen gibt.
Daneben gibt es ein erhöhtes Bedürfnis nach der Verbesserung der Opazität des fertiggestellten Papiers. Da die heute am häufigsten verwendeten Festigkeitsmittel negativ zur Opazität beitragen, wird das Bedürfnis nach neuen Verfahren des Entwickelns von Festigkeit in dem Papier weiter verstärkt.
Solch ein Weg wäre es, in höherem Ausmaß Leimpressen einzusetzen, aber dies würde jedoch zu starken Reduktionen der Herstellungskapazität und der Herstellungsökonomie führen, da das Papier abhängig von der Wiederanfeuchtung, der es in der Leimpresse ausgesetzt wird, einmal mehr getrocknet werden muss.
Dies bringt mit sich, dass es ein großes Bedürfnis nach neuen Wegen der Behandlung von Fasern am Nassende der Papiermaschinen gibt.
Auch die Behandlung mit einem ähnlichen Verfahren, wie Leimpressen, kann von Interesse sein, wenn die Qualität des hergestellten Papiers dadurch in einer zufriedenstellenden Weise erhöht wird, so dass die oben erwähnten Nachteile von geringerer Bedeutung werden.
Es ist bekannt, dünne Mehrfachschichten von elektroaktiven Polymeren auf einem elektrostatisch geladenen Substrat zur Verwendung in der Optik, wie Sensoren, Reibungsreduktion usw., aufzubauen. Dies wird z.B. in Thin Solid Films, 210/211 (1992) 831–835 und in Thin Solid Films 244 (1994) 806–809 beschrieben. Das Substrat wird dabei abwechselnd in verdünnte Lösungen eines Polykations eingetaucht mit einem Zwischenspülen, um die Reste des vorherigen Polyions, die nicht an das Substrat gebunden sind, zu entfernen. Von der Dicke jeder abgeschiedenen Schicht wird beschrieben, dass sie zwischen 5 bis 20 Å liegt. Es gibt keinen Hinweis darauf, dass die behandelten Substrate Teilchen, wie Fasern, sein könnten.
In US 5,338,407 wird ein Verfahren zur Verbesserung der Trockenfestigkeitseigenschaften von Papier offenbart, bei dem ein anionischer Carboxymethylguar oder Carboxymethylhydroxyethylguar und ein kationischer Guar zu dem Faserstoff zugegeben werden. Diese zwei Komponenten werden entweder in Mischung oder getrennt zugegeben. Es gibt keinen Hinweis darauf, dass die Behandlung unter solchen Bedingungen durchgeführt wird, dass eine Doppelschicht mit einer Komponente in einer Schicht und der anderen Komponente in der anderen Schicht auf den Fasern aufgebaut wird.
In den US-Patenten 5,507,914 und 5,185,062 sind Verfahren zur Verbesserung der Entwässerungseigenschaften und der Retention von Papier durch Zugabe von anionischen und kationischen Polymeren zu der Pulpe offenbart. Es gibt keinen Hinweis darauf, dass die Behandlung unter solchen Bedingungen stattfindet, dass eine Doppel- oder Mehrfachschicht mit der anionischen Komponente in einer Schicht und der kationischen Komponente in der anderen Schicht auf den Pulpefasern gebildet wird.
Doppeloberflächenbehandlung von Füllstoffteilchen mit anionischen und kationischen Polymeren ist in EP-A-O 850 879, WO 95/32335, US-A-4,495,245 und US-A-4,925,530 offenbart. Es gibt keinen Hinweis darauf, dass die Behandlung unter solchen kontrollierten Bedingungen stattfindet, dass eine Doppel- oder Mehrfachschicht mit der anionischen Komponente in einer Schicht und der kationischen Komponente in der anderen Schicht auf den Pulpefasern gebildet wird.
Das Ziel und die wichtigsten Merkmale der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ziel ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Fasern oder Gruppen von Fasern mit einer Beschichtung von mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, außerhalb voneinander angeordneten dünnen Schichten wechselwirkender Polymere bereitzustellen, bei dem die Faser oder Gruppe von Fasern in aufeinanderfolgenden Schritten mit Lösungen der wechselwirkenden Polymeren behandelt wird. Dieses wurde durch die Tatsache bereitgestellt, dass der Überschuss des vorherigen Polymers zwischen jedem Behandlungsschritt entfernt wird, alternativ dadurch, dass das jeweilige Polymer nur in einer solchen Menge in jedem Schritt zugegeben wird, dass im wesentlichen das ganze Polymer auf der Faseroberfläche adsorbiert wird.
Die Fasern oder Gruppen von Fasern können von optionaler Art sein, jedoch sind z.B. Cellulosefasern, regenerierte Fasern, und unterschiedliche Arten von synthetischen Fasern hauptsächlich betroffen.
Die wechselwirkenden Polymere sind bevorzugt abwechselnd kationische und anionische Polyelektrolyte, aber sie können auch sogenannte Zwitterionen sein.
Die Dicke jeder der besagten dünnen Schichten liegt bevorzugt zwischen 3 und 100 Å, bevorzugter zwischen 7 und 20 Å.
Die Erfindung betrifft weiter ein Papier- oder Vliesprodukt, das durch das oben beschriebene Verfahren hergestellte Fasern enthält.
Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in Form von Säulendiagrammen den Zugfestigkeitsindex von Blättern, hergestellt aus Cellulosefasern mit unterschiedlicher Anzahl an aufgetragenen Polymerschichten.
2 zeigt in Form eines Säulendiagramms den Anstieg der Zugfestigkeit von Papier enthaltenden Pulpefasern, die mit einem anionischen und einem kationischen Polymer, zugegeben zur gleichen Zeit und zugegeben getrennt in sechs aufeinanderfolgenden Schritten, wobei der Überschuss des Polymers zwischen jedem Schritt weggespült wird, beschichtet sind.
Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden Fasern oder Gruppen von Fasern mit wechselwirkenden Polymeren behandelt, um dünne Mehrfachschichten der wechselwirkenden Polymere auf der Faseroberfläche aufzubauen. Im Prinzip wird im Falle, dass alternierend kationische und anionische Polyelektrolyte als wechselwirkende Polymere verwendet werden, die z.B. in den oben erwähnten Artikeln aus Thin Solid Films beschriebene Technik verwendet, mit dem Unterschied, dass erfindungsgemäß das Substrat Fasergruppen oder Fasern sind.
Die Fasern werden in aufeinanderfolgenden Schritten mit Lösungen der wechselwirkenden Polymere behandelt, wobei die Behandlungszeit für jeden Schritt ausreichend ist, um eine Schicht der gewünschten molekularen Dicke, bevorzugt in der Größenordnung 5 bis 100 Å, zu bilden. Die Wechselwirkung zwischen den Fasern kann in Form von elektrostatischen Kräften sein, wobei die Polymere aus alternierend kationischen und anionischen Polyelektrolyten bestehen, oder durch Wechselwirkung zwischen nicht-ionischen Polymeren mittels z.B. Dispersionskräften oder Wasserstoffbindungen. Beispiele dieser Art von Wechselwirkung zwischen nichtionischen Polymeren sind Adsorption von Polyethylenoxid auf ungebleichten Cellulosefasern und Komplexbildung zwischen Polyethylenoxid und Polyacrylsäure.
In dem Fall, dass die wechselwirkenden Polymere alternierend kationische und anionische Polyelektrolyten sind, sollte die erste Schicht für Teilchen oder Gruppen von Teilchen mit einer anionischen Oberfläche, was z.B. für Cellulosefasern der Fall ist, ein kationisches Polymer sein und umgekehrt. Ein möglicher Überschuss des vorherigen Polyelektrolyts kann zwischen jedem Behandlungsschritt z.B. durch Spülen mit Wasser entfernt werden. Alternativ wird die Zugabe auf so eine Weise kontrolliert, dass keine überschüssige Menge des entsprechenden Polymers in jedem Schritt zugegeben wird, so dass im wesentlichen das ganze Polymer auf der Faseroberfläche adsorbiert wird.
Das Verfahren basiert auf elektrostatischer Anziehung zwischen entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten zum Aufbau der gewünschten Mehrfachschichten. Dadurch, dass man die Fasern in aufeinanderfolgenden Schritten mit einer Lösung, enthaltend Polyionen von entgegengesetzter Ladung, behandelt und diesen erlaubt, spontan an der Teilchenoberfläche zu adsorbieren, werden Mehrfachschichten der genannten Art aufgebaut. Im Prinzip können alle Arten von Polyelektrolyten verwendet werden.
Durch solch eine Behandlung von Fasern oder Gruppen von Fasern ist es möglich, neue Arten von deren Oberflächenmodifikationen herzustellen. Zum Beispiel durch Behandeln von Fasern mit aufeinanderfolgenden Schichten von hydrophoben, geladenen Polyelektrolyten, wäre es z.B. möglich, neue Arten von hydrophobisierenden Chemikalien für die Hydrophobisierung von Papier zu entwickeln. Es wäre auch möglich, "intelligente" Oberflächenschichten auf Fasern aufzubauen, die die Eigenschaften mit Temperatur, pH, Salzgehalt usw. verändern. Diese Veränderungen könnten z.B. auf Grundlagenwissen zu modernen Theorien über die Wechselwirkung zwischen Polymeren und Tensiden basieren.
Weitere Anwendungen sind ionenaustauschende Fasern, wo "Membranen" mit ionenaustauschenden Eigenschaften auf der Faseroberfläche bereitgestellt werden, Nassfestigkeitsmittel, wo die zugegebenen Polymeren mit den Fasern und miteinander reaktiv sind, um permanente Bindungen zwischen den Fasern bereitzustellen, und für die Herstellung von stark quellenden Oberflächenschichten zur Verwendung in absorbierenden Hygieneprodukten, wo die zugegebenen Chemikalien gequollene Gelstrukturen auf der Faseroberfläche bilden. Eine andere mögliche Anwendung sind neue Arten von Fasern für Druckpapier, wo die adsorbierten Polymeren die Farbe wechseln, wenn sie einem elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Feld ausgesetzt werden. Solche Polymere sind heute erhältlich.
Die Fasern, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden, können von optionaler Art sein, natürliche sowie synthetische Fasern. Hauptsächlich sind Cellulosefasern betroffen. Es wäre jedoch möglich, synthetische Fasern zu behandeln, z.B. um ihnen eine hydrophilere Oberfläche zu verleihen.
Gruppen von Fasern können auch gemäß dem Verfahren behandelt werden.
Beispiele geeigneter anionischer und kationischer Polyelektrolyte, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können, sind unten angegeben.
Anionische Polyelektrolyte: Anionische Stärke mit unterschiedlichen Substitutionsgraden, Polystyrolsulfonat, Carboxymethylcellulose mit unterschiedlichen Substitutionsgraden, anionisches Galactoglucomannan, Polyphosphorsäure, Polymethacrylsäure, Polyvinylsulfat, Alginat, Copolymere von Acrylamid und Acrylsäure oder 2-Acrylamid-2-alkylpropansulfonsäure.
Kationische Polyelektrolyte: Kationisches Galactoglucomannan, Polyvinylamin, Polyvinylpyridin und seine N-Alkylderivate, Polyvinylpyrrolidon, Chitosan, Alginat, modifizierte Polyacrylamide, Polydiallyldialkyl, kationische Amidamine, Kondensationsprodukte zwischen Dicyandiamiden, Formaldehyd und einem Ammoniumsalz, Reaktionsprodukte zwischen Epichlorhydrin, Polyepichlorhydrin und Ammoniak, primäre und sekundäre Amine, Polymere, gebildet durch Reaktion zwischen ditertiären Aminen oder sekundären Aminen oder Dihalogenalkanen, Polyethylenimine und Polymere, gebildet durch Polymerisation von N-(Dialkylaminoalkyl)acrylamid-Monomeren.
Beispiel 1
Das Beispiel unten zeigt den Anstieg der Zugfestigkeit von in einem dynamischen Blattbildner hergestellten Blättern. Die Pulpe, die verwendet wird, war gebleichtes SWK (Weichholz-Sulfat-Pulpe), geschlagen gemäß SCAN-C 18:65, verdünnt auf 3 g/l und pH-eingestellt auf 8. PVAm (Polyvinylamin), ein kationisches Polymer, wurde im Überschuss zugegeben und ihm wurde Zeit gegeben, zu reagieren, wonach der Überschuss an Polymer aus der Fasersuspension mittels Wasser weggewaschen wurde. Danach wurde CMC (Carboxymethylcellulose), ein anionisches Polymer, im Überschuss zugegeben, und nach 10 min wurde nicht-adsorbiertes Polymer durch Waschen entfernt. Das Zumischen von PVAm und CMC wurde in mehreren Schritten wiederholt. Nach jeder Zugabe von CMC wurde der sogenannte dynamische Blattbildner verwendet, um Blätter mit einem Basisgewicht von 80 g/m² herzustellen. Diese Blätter wurden in Bezug auf die Zugfestigkeit gemäß SCAN-P 67:93 getestet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 unten gezeigt und beweisen klar eine Verbesserung des Zugfestigkeitsindexes mit der Anzahl an aufgebrachten Polymerschichten.
Tabelle 1
Die Ergebnisse sind auch in 1 in den Zeichnungen gezeigt.
Beispiel 2
Zwei Arten von Polymeren wurden verwendet: ein anionisches Polyacrylamid (A-PAM), Percol 155 von Ciba, und ein kationisches Polydimethyldiallylammoniumchlorid (DMDAAC), auch von Ciba. Die Pulpe, die verwendet wurde, war unraffinierte, vollständig gebleichte Langfaserpulpe, pH 8, in allen Tests. Die Dosierung der Polymere wurde auf zwei verschiedene Weisen durchgeführt:

A) Alle zur selben Zeit und in diesem Fall wurden zuerst 3,9 kg/Tonne A-PAM zugegeben, und dann wurden 6,6 kg/Tonne PolyDMDAAC zugegeben.
B) Sechs Schichten von 1,1 kg/Tonne PolyDMDAAC und 0,65 kg/Tonne A-PAM in den entsprechenden Schichten wurden zugegeben. Der Überschuss an Polymer wurde zwischen den Dosierungen entfernt.

Handtücher wurden dann hergestellt, und die Festigkeit (Zugfestigkeitsindex) wurde gemessen. In 2 ist der Festigkeitsanstieg in % für die zwei unterschiedlichen Fälle gezeigt. Wie klar gesehen werden kann, ist es sehr viel wirksamer, die Polymere in Schichten auf kontrollierte Weise zuzugeben.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Faser oder einer Gruppe von Fasern, die eine Beschichtung von mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei, ausserhalb voneinander gelegenen dünnen Schichten wechselwirkender Polymere aufweist, worin die Faser oder die Gruppe von Fasern in aufeinanderfolgenden Schritten mit Lösungen der wechselwirkenden Polymere behandelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Überschuss des vorherigen Polymers zwischen jedem Behandlungsschritt entfernt wird, alternativ, dass das jeweilige Polymer nur in einer solchen Menge in jedem Schritt zugegeben wird, dass im wesentlichen das ganze Polymer auf der Faseroberfläche adsorbiert wird.
Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser eine cellulosische Faser ist.
Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser eine synthetische oder regenerierte Faser ist.
Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wechselwirkenden Polymere alternierende kationische und anionische Polyelektrolyte oder Ampholyte sind.
Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der dünnen Schichten eine Dicke zwischen 1 und 100 Å aufweist.
Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der dünnen Schichten eine Dicke zwischen 7 und 20 Å aufweist.
Papier oder Vliesprodukt, dadurch gekennzeichnet, dass es Fasern enthält, die gemäss dem Verfahren von irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt wurden.