EP2888404B1 - Verfahren zur herstellung von papier, pappe und karton - Google Patents

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EP2888404B1
EP2888404B1 EP13745049.0A EP13745049A EP2888404B1 EP 2888404 B1 EP2888404 B1 EP 2888404B1 EP 13745049 A EP13745049 A EP 13745049A EP 2888404 B1 EP2888404 B1 EP 2888404B1
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EP
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acrylamide
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methacrylamide
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Definitions

  • the invention relates to a process for the production of paper, paperboard and paperboard comprising dewatering a filler-containing paper stock containing at least one water-soluble polymer which is obtainable by the Hofmann degradation of an acrylamide and / or methacrylamide-containing polymer, with sheet formation in the wire section and subsequent Pressing the paper in the press section.
  • a limiting factor on the way to further increasing the speed of paper machines is the initial wet texture strength. It limits the maximum applicable force that can be exerted on a sheet just formed in the paper machine that has passed through the wire and press sections of the machine and is being transferred to the dryer section. In this case, the sheet must be removed from the press rollers. In order to be able to reliably ensure tear-free operation of a paper machine, the applied peel force at this point must be significantly smaller than the initial wet texture strength of the wet paper. An increase in the initial wet structure strength allows the use of higher take-off forces and thus a faster operation of the paper machine, cf. EP-B-0 780 513 ,
  • Initial wet web strength refers to the strength of a wet paper that has never been dried. This is the strength of a wet paper, as is the case in papermaking after passing through the wire and press section of the paper machine.
  • the wet nonwoven fabric is doffed onto the press felt by a suction cup (suction roll or static vacuum element).
  • the task of the press felt is the transport of the fibrous web by press nips of various modifications.
  • the dry content of the web is up to a maximum of 55%.
  • the dry content increases with the pressure exerted on the continuous paper web in the press. Printing and thus the dry content of the paper web can be varied over a relatively large range in many paper machines.
  • the initial wet structural strength can be increased by increasing the solids content of the paper at the point between the press and dryer sections in the manufacturing process.
  • the solids content improve this point of the process through additives to increase drainage. But there are limits to this possibility.
  • the WO 2009/156274 teaches the use of amphoteric copolymers obtainable by copolymerization of N-vinylcarboxamide with anionic comonomers and subsequent hydrolysis of the vinylcarboxamide as a stock additive to increase the initial wet strength of paper.
  • the treatment takes place, for example, in thick matter or in thin paper during the papermaking process.
  • the older registration WO 2012/175392 teaches the use of acrylamide-based amphoteric copolymers obtainable by copolymerizing acrylamide with anionic comonomers as a stock additive to increase the initial wet strength of paper.
  • the treatment takes place in the thick matter in the papermaking process.
  • the press section of the paper machine must be set so that the dry content of the wet paper web after leaving the press section exceeds a minimum value dependent on the composition of the material.
  • the invention has for its object to increase in the production of paper, the initial wet structural strength of the still wet paper web before the transition to the dryer section, in order to achieve higher machine speeds compared to known methods in the papermaking process.
  • pulp a mixture of water and pulp is understood below, which additionally contains, depending on the stage in the manufacturing process of the paper, paperboard or cardboard, the water-soluble polymer, filler and optionally paper auxiliaries.
  • the dry content of the paper is understood as meaning the solids content of paper, board, cardboard and fibrous material with the heat-barrier method as determined in accordance with DIN EN ISO 638 DE.
  • pigment is used synonymously with the term filler, since in the production of paper the pigments are used as fillers. Under filler is, as usual in papermaking, inorganic pigment to understand.
  • the inventive method is used to produce paper, cardboard and cardboard comprising dewatering a filler-containing paper stock.
  • the filler content (x) of the paper, paperboard and cardboard can be 5 to 40% by weight, based on the paper, paperboard or cardboard.
  • a process for the production of paper is preferred whose filler content is 20 to 30 wt .-%.
  • Such papers are, for example, wood-free papers.
  • a process for the production of paper is preferred whose filler content is 10 to 20 wt .-%.
  • Such papers are used primarily as packaging papers.
  • a process for the production of paper is preferred whose filler content is 5 to 15 wt .-%. Such papers are used primarily for newspaper printing.
  • the aqueous paper pulp containing at least one water-soluble polymer, pulp and filler is dewatered in the wire section to form a sheet and the sheet is pressed in the press section, that is, further dehydrated.
  • the dewatering in the press section takes place up to a minimum solids content, but can also go beyond that.
  • This lower limit of the solids content up to which the product must be pressed is also referred to hereinafter as the limit dry content or else as the minimum solids content G (x) and is based on the pressed sheet which is a mixture of paper stock and water.
  • a solids content of at least 54% by weight is pressed in the press section in order to obtain paper with good initial wet structural strength.
  • the fibers are treated according to the invention by metering the water-soluble polymer into the pulp at a pulp concentration in the range from 20 to 40 g / l.
  • a pulp concentration of 20 to 40 g / l corresponds to a pulp concentration of 2 to 4 wt .-% based on the aqueous pulp
  • the stock is diluted with water to a pulp concentration in the range of 5 to 15 g / l.
  • native and / or recovered fibers can be used as the fibrous material.
  • All fibers of coniferous and hardwoods commonly used in the paper industry can be used, for example.
  • Wood pulp includes, for example, groundwood, thermomechanical pulp (TMP), chemothermomechanical pulp (CTMP), pressure groundwood, semi-pulp, high yield pulp, and refiner mechanical pulp (RMP).
  • pulp for example, sulphate, sulphite and soda pulps come into consideration.
  • unbleached pulp also referred to as unbleached kraft pulp
  • Suitable annual plants for the production of fibrous materials are for example rice, wheat, sugarcane and kenaf.
  • Waste paper may also be used to make the pulps, either alone or blended with other pulps.
  • the waste paper can come from a deinking process. But it is not necessary that the waste paper to be used is subjected to such a process. Furthermore, it is also possible to start from fiber blends of a primary material and recycled coated broke.
  • a pulp having a freeness of 20 to 30 SR can be used.
  • a pulp with a freeness of about 30 SR is used, which is ground during the production of the pulp.
  • pulp is used which has a freeness of ⁇ 30 SR.
  • the treatment of the pulp with the water-soluble polymer is carried out in aqueous suspension, preferably in the absence of other process chemicals commonly used in papermaking. It takes place in the papermaking process by adding at least one water-soluble polymer to an aqueous paper stock having a pulp concentration of 20 to 40 g / l. Particularly preferred is a process variant in which a water-soluble polymer is added to the aqueous paper stock at a time which is prior to the addition of the filler. Very particularly preferably, the addition takes place after the addition of the dry strength agent, for example the starch.
  • the water-soluble polymers are preferably added in an amount of 0.05 to 5.00 wt .-%, based on pulp (solid).
  • Typical application rates are, for example, 0.5 to 50 kg, preferably 0.6 to 10 kg of at least one water-soluble polymer, per ton of dry pulp. Particularly preferably, the amounts of water-soluble polymer used is 0.6 to 3 kg of polymer (solid), based per ton of dry pulp.
  • the exposure time of the water-soluble polymer to a pure pulp after metering to sheet formation is, for example, 0.5 second to 2 hours, preferably 1.0 second to 15 minutes, more preferably 2 to 20 seconds.
  • inorganic pigment is added as a filler to the pulp.
  • Suitable inorganic pigments are all pigments customarily usable in the paper industry on the basis of metal oxides, silicates and / or carbonates, in particular of pigments from the group consisting of calcium carbonate which is in the form of ground (GCC) lime, chalk, marble or precipitated calcium carbonate ( PCC), talc, kaolin, bentonite, satin white, calcium sulfate, barium sulfate and titanium dioxide. It is also possible to use mixtures of two or more pigments.
  • inorganic pigments having an average particle size (volume average) ⁇ 10 ⁇ m, preferably from 0.3 to 5 ⁇ m, in particular from 0.5 to 2 ⁇ m, are used.
  • the determination of the average particle size (volume average) of the inorganic pigments and of the particles of the powder composition is carried out in the context of this document generally by the method of quasi-elastic light scattering (DIN-ISO 13320-1), for example with a Mastersizer 2000 from. Malvern Instruments Ltd. ,
  • the inorganic pigment is preferably metered after the addition of the water-soluble polymer.
  • the addition takes place in the stage in which the pulp is already present as a thin material, ie at a pulp concentration of 5 to 15 g / l.
  • the inorganic pigment is metered both in the thin and in the thick matter, wherein the ratio of the two addition amounts (adding thick matter / adding thin material) is preferably 5/1 to 1/5.
  • conventional paper auxiliaries may optionally be admixed with the paper stock, generally at a pulp concentration of 5 to 15 g / l.
  • Conventional paper auxiliaries are, for example, sizing agents, wet strength agents, synthetic cationic or anionic retention aids Polymers as well as dual systems, dehydrating agents, other dry strength agents, optical brighteners, defoamers, biocides and paper dyes. These conventional paper additives can be used in the usual amounts.
  • the sizing agents include alkylketene dimers (AKD), alkenylsuccinic anhydrides (A-SA) and rosin size.
  • Suitable retention agents are, for example, anionic microparticles (colloidal silicic acid, bentonite), anionic polyacrylamides, cationic polyacrylamides, cationic starch, cationic polyethyleneimine or cationic polyvinylamine.
  • anionic microparticles colloidal silicic acid, bentonite
  • anionic polyacrylamides cationic polyacrylamides
  • cationic starch cationic polyethyleneimine or cationic polyvinylamine
  • any combination thereof is conceivable, for example, dual systems consisting of a cationic polymer with an anionic microparticle or an anionic polymer with a cationic microparticle.
  • retention aids of this kind which can be added to the thick material, for example, but also to the thin material.
  • Dry strength agents are synthetic dry strength agents such as polyvinylamine, polyethyleneimine, glyoxylated polyacrylamide (PAM), amphoteric polyacrylamides or natural dry strength agents such as starch.
  • synthetic dry strength agents such as polyvinylamine, polyethyleneimine, glyoxylated polyacrylamide (PAM), amphoteric polyacrylamides or natural dry strength agents such as starch.
  • these dry contents are set when passing through the press section.
  • the wet nonwoven fabric is doffed onto the press felt by a suction cup (suction roll or static vacuum element).
  • the task of the press felt is the transport of the fibrous web by press nips of various modifications.
  • the dry content of the web is, depending on the design of the press section and the composition of the pulp, up to a maximum of 55%.
  • the dry content increases with the pressure exerted on the continuous paper web in the press. Printing and thus the dry content of the paper web can be varied over a relatively large range in many paper machines.
  • the water-soluble polymer used according to the invention is obtainable by the Hofmann degradation of an acrylamide- and / or methacrylamide-containing polymer and optionally a subsequent postcrosslinking.
  • acrylamide- and / or methacrylamide-containing polymers are obtainable by free-radical copolymerization of a monomer mixture comprising acrylamide and / or methacrylamide.
  • the monomers acrylamide and methacrylamide are based on the monomer composition of the prepolymer individually or as a mixture in proportions of 10 mol% to 100 mol%, preferably in proportions of 20 to 90 mol%, more preferably in proportions of 30 to 80 mol% in copolymerized Form included.
  • Monoethylenically unsaturated monomers whose corresponding structural units in the polymer are stable under the reaction conditions of Hofmann degradation are, for example, nitriles of ⁇ , ⁇ -ethylenically unsaturated mono- and dicarboxylic acids, such as acrylonitrile and methacrylonitrile, amides of ⁇ , ⁇ -ethylenically unsaturated monocarboxylic acids and their N Alkyl and N, N-dialkyl derivatives, N-vinyl lactams, nitrogen-containing heterocycles, vinyl aromatics, C 2 -C 8 monoolefins, ⁇ , ⁇ -ethylenically unsaturated mono- and dicarboxylic acids and their salts, anhydrides of ⁇ , ⁇ -ethylenically unsaturated mono - and dicarboxylic acids, ethylenically unsaturated sulfonic acids and their salts, ethylenically unsaturated phosphonic acids and
  • members of this group (b) are e.g. N-methyl (meth) acrylamide, N-ethyl (meth) acrylamide, n-propyl (meth) acrylamide, N- (n-butyl) (meth) acrylamide, tert-butyl (meth) acrylamide, n-octyl (meth ) acrylamide, 1,1,3,3-tetramethylbutyl (meth) acrylamide, ethylhexyl (meth) acrylamide, N, N-dimethylacrylamide, N, N-dimethylmethacrylamide, N-vinylformamide, N-vinylacetamide, N-methyl-N-vinylacetamide and mixtures thereof.
  • Suitable monomers (b) are N- [2- (dimethylamino) ethyl] acrylamide, N- [2- (dimethylamino) ethyl] methacrylamide, N- [3- (dimethylamino) propyl] acrylamide, N- [3- ( Dimethylamino) propyl] methacrylamide, N- [4- (dimethylamino) butyl] acrylamide, N- [4- (dimethylamino) butyl] methacrylamide, N- [2- (diethylamino) ethyl] acrylamide, N- [2- (diethylamino) ethyl] methacrylamide and mixtures thereof.
  • Suitable monomers (b) are furthermore N-vinyllactams and derivatives thereof which may have, for example, one or more C 1 -C 6 -alkyl substituents (as defined above).
  • N-vinylpyrrolidone N-vinylpiperidone, N-vinylcaprolactam
  • N-vinyl-5-methyl-2-pyrrolidone N-vinyl-5-ethyl-2-pyrrolidone
  • N-vinyl-6-methyl-2-piperidone N-vinyl-6-ethyl-2-piperidone
  • N-vinyl-7-methyl-2-caprolactam N-vinyl-7-ethyl-2-caprolactam and mixtures thereof.
  • N-vinylimidazoles and alkylvinylimidazoles are also suitable as monomers (b) are N-vinylimidazoles and alkylvinylimidazoles, in particular methylvinylimidazoles such as, for example, 1-vinyl-2-methylimidazole, 3-vinylimidazole N-oxide, 2- and 4-vinylpyridine N-oxides and betaine derivatives and quaternization products thereof monomers.
  • DMAC diallyldimethylammonium chloride
  • Additional monomers are ethylene, propylene, isobutylene, butadiene, styrene, ⁇ -methylstyrene, vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl chloride, vinylidene chloride, vinyl fluoride, vinylidene fluoride and mixtures thereof.
  • monomers which carry at least one acid function ie at least one sulfonic acid group, phosphonic acid group or carboxylic acid group.
  • This group of monomers includes, for example, acrylic acid, methacrylic acid, dimethacrylic acid, ethacrylic acid, ⁇ -chloroacrylic acid, maleic acid, maleic anhydride, fumaric acid, itaconic acid, mesaconic acid, citraconic acid, glutaconic acid, aconitic acid, methylenemalonic acid, allylacetic acid, vinylacetic acid and crotonic acid.
  • the acid group-carrying monomers can be present in unneutralized, partially neutralized or completely neutralized form, wherein the phosphonic acids one or both protons can be neutralized by suitable bases.
  • Suitable bases for the partial or complete neutralization of the acid groups of the monomers are, for example, alkali metal or alkaline earth metal bases, ammonia, amines and / or alkanolamines.
  • alkali metal or alkaline earth metal bases ammonia, amines and / or alkanolamines.
  • Examples are sodium hydroxide, potassium hydroxide, Sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogencarbonate, potassium hydrogencarbonate, magnesium hydroxide, magnesium oxide, calcium hydroxide, calcium oxide, triethanolamine, ethanolamine and morpholine.
  • the monomers of this group (b) can be used alone or in a mixture.
  • Preferred monoethylenically unsaturated monomers whose corresponding structural units are stable in the polymer reaction conditions of Hofmann degradation are, for example, nitriles of ⁇ , ⁇ -ethylenically unsaturated mono- and dicarboxylic acids, such as acrylonitrile and methacrylonitrile, amides of ⁇ , ⁇ -ethylenically unsaturated monocarboxylic acids and their N- Alkyl and N, N-dialkyl derivatives, N-vinyl lactams and DADMAC.
  • the prepolymers preferably contain at least 5 mol%, preferably at least 10 mol% and preferably at most 90 mol%, preferably at most 70 mol% and in a particularly preferred form at most 50 mol% of one or more monoethylenically unsaturated monomers, the corresponding structural unit in the polymer is stable under the reaction conditions of Hofmann degradation, (monomers b) copolymerized, based on the total moles of monomers (a and b).
  • the prepolymers can be used in amounts of up to 5% by weight, preferably up to 3% by weight, in particular up to 1% by weight, very particularly preferably up to 1% by weight and at least 0.0001% by weight, in particular at least 0.001% by weight, based on the total weight of the monomers a and b used for the polymerization, of compounds having two or more ethylenically unsaturated radicals whose corresponding structural units in the polymer are stable under the reaction conditions of Hofmann degradation, in copolymerized form DADMAC is not included (monomers c).
  • Such modification of the prepolymers by copolymerizing compounds having two or more ethylenically unsaturated radicals whose corresponding structural units in the polymer are stable under the reaction conditions of Hofmann degradation is achieved, for example, with methylenebisacrylamide, triallylamine, tetraallylammonium chloride or N, N'-divinylpropyleneurea.
  • the monomer mixture used to prepare the prepolymer has the following composition: 30 to 95 mol% Acrylamide and / or methacrylamide (monomers a) and 5 to 70 mol% one or more monoethylenically unsaturated monomers whose corresponding structural unit in the polymer is stable under the reaction conditions of Hofmann degradation and / or diallyldimethylammonium chloride (monomers b) and up to 1.0 wt .-% based on the total weight of the monomers a and b of one or more compounds having two or more ethylenically unsaturated radicals whose corresponding structural units in the polymer are stable under the reaction conditions of Hofmann degradation.
  • the monomer mixture used to prepare the prepolymer has the following composition: 50 to 90 mol% Acrylamide and / or methacrylamide and 10 to 50 mol% one or more monoethylenically unsaturated monomers whose corresponding structural unit in the polymer is stable under the reaction conditions of Hofmann degradation and / or diallyldimethylammonium chloride (monomers b) and up to 1.0 wt .-% based on the total weight of the monomers a and one or more compounds having two or more ethylenically unsaturated radicals whose corresponding structural units in the polymer are stable under the reaction conditions of Hofmann degradation.
  • a monomer mixture of the following composition is preferred for the production of the prepolymer: 60 to 80 mol% Acrylamide and / or methacrylamide (monomer a) 20 to 40 mol% Diallyldimethylammonium chloride (monomer b) and optionally from 0.001 to 0.1% by weight, based on the total amount of monomer a and monomer b, of one or more compounds selected from methylenebisacrylamide, triallylamine, tetraallylammonium chloride, N, N'-divinylpropyleneurea.
  • the prepolymers can be prepared by solution, precipitation, suspension, gel or emulsion polymerization. Preference is given to solution polymerization in aqueous media.
  • aqueous media are water and mixtures of water and at least one water-miscible solvent, e.g. an alcohol such as methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, etc.
  • the polymerization temperatures are preferably in a range of about 30 to 200 ° C, more preferably 40 to 110 ° C.
  • the polymerization is usually carried out under atmospheric pressure, but it can also proceed under reduced or elevated pressure.
  • a suitable pressure range is from 0.1 to 10 bar.
  • the acid group-containing monomers (b) are preferably used in the salt form.
  • the monomers can be polymerized by means of free-radical initiators.
  • the peroxo and / or azo compounds customary for this purpose can be used, for example alkali or ammonium peroxydisulfates, diacetyl peroxide, dibenzoyl peroxide, succinyl peroxide, di-tert-butyl peroxide, tert-butyl perbenzoate, tert-butyl perpivalate, tert-butyl peroxy-2-ethylhexanoate, tert-butyl permalate, cumene hydroperoxide, diisopropyl peroxydicarbamate, bis (o-toluoyl) peroxide, didecanoyl peroxide, dioctanoyl peroxide, dilauroyl peroxide, tert-butyl perisobutyrate, tert-butyl peracetate, di-tert-amyl peroxide tert-butyl hydroperoxide
  • initiator mixtures or redox initiator systems such as, for example, ascorbic acid / iron (II) sulfate / sodium peroxodisulfate, tert-butyl hydroperoxide / sodium disulfite, tert-butyl hydroperoxide / sodium hydroxymethanesulfinate, H 2 O 2 / CuI.
  • the polymerization can be carried out in the presence of at least one regulator.
  • a regulator the usual compounds known in the art, such.
  • B. sulfur compounds for. As mercaptoethanol, 2-ethylhexyl thioglycolate, thioglycolic acid, sodium hypophosphite, formic acid or dodecyl mercaptan and Tribromchlormethan or other compounds which act regulating the molecular weight of the polymers obtained, are used.
  • the molecular weight of the water-soluble prepolymer is, for example, at least 50,000, preferably at least 100,000 daltons and in particular at least 500,000 daltons.
  • the molecular weights of the prepolymer are then e.g. 50,000 to 10 million, preferably 100,000 to 5 million (as determined by light scattering).
  • This molar mass range corresponds, for example, to K values of 50 to 300, preferably 70 to 250 (determined according to H. Fikentscher in 5% strength aqueous sodium chloride solution at 25 ° C. and a polymer concentration of 0.1% by weight).
  • Hofmann degradation also referred to as Hofmann rearrangement
  • Hofmann degradation is understood by one skilled in the art to be the degradation of primary acid amides to amines with the loss of one carbon atom (Rompp Online, version 3.12).
  • the amide groups of the prepolymer are reacted with hypohalites under alkaline conditions and then the carbamates formed are decarboxylated by acidification to give amino groups.
  • Such polymers are for example made EP-A-0 377 313 and WO-A-2006/075115 known.
  • the preparation of polymers containing vinylamine groups is described, for example, in WO-A-2006/075115 , Page 4, line 25 to page 10, line 22 and in the examples on pages 13 and 14, the contents of which are expressly incorporated by reference.
  • the Hofmann degradation is preferably carried out in aqueous solution.
  • 0.1 to 2.0, preferably 0.8 to 1.1, particularly preferably 1.0 molar equivalents of hypohalite are used per mole equivalent of amide group.
  • the strong base is used in amounts of 1.0 to 4.0 molar equivalents per molar equivalent of amide group, preferably 1.5 to 3.0 molar equivalents, more preferably 2.0 to 2.5 molar equivalents.
  • sodium hypochlorite (NaOCl) and sodium hypobromite (NaOBr) are used as hypohalites, with NaOCl being preferred.
  • Alkali hydroxides, alkaline earth hydroxides and alkaline earth oxides are used as the strong base.
  • Hofmann degradation of the polymer occurs e.g. in the temperature range of -15 to 90 ° C, preferably -5 to 40 ° C optionally in the presence of quaternary ammonium salts as a stabilizer to prevent side reaction of the resulting amino groups with the amide groups of the starting polymer.
  • the aqueous reaction solution is passed into a reactor in which an acid is introduced for the decarboxylation of the reaction product.
  • the pH of the reaction product containing vinylamine units is adjusted to a value of 2 to 7.
  • the water-soluble polymer obtained by the Hofmann degradation of an acrylamide- and / or methacrylamide-containing polymer can be used in the process according to the invention.
  • the polymer obtained by the Hofmann degradation of an acrylamide- and / or methacrylamide-containing polymer is additionally postcrosslinked.
  • the Hofmann degraded polymer can be post-reacted with crosslinkers.
  • Crosslinkers are compounds which carry at least two reactive groups which can react with the primary amino groups of the Hofmann product.
  • Suitable crosslinkers are, for example, multifunctional epoxides, such as bisglycidyl ethers of oligo- or polyethyleneoxides or other multifunctional alcohols, such as glycerol or sugars, multifunctional carboxylic acid esters, polyfunctional isocyanates, polyfunctional acrylic or methacrylic acid esters, polyfunctional acrylic or methacrylic acid amides, epichlorohydrin, multifunctional acid halides, multifunctional nitriles, a, ⁇ -chlorohydrin ethers of oligo- or polyethylene oxides or other multifunctional alcohols such as glycerol or sugars, divinylsulfone, maleic anhydride or ⁇ -halocarboxylic acid, multifunctional haloalkanes in particular ⁇ , ⁇ -dichloroalkanes and carbonates such as ethylene carbonate or propylene carbonate into consideration.
  • Other crosslinkers are in WO 97/25367 , Pages 8 to 16 described.
  • Preferred crosslinkers are multifunctional epoxides such as bisglycidyl ethers of oligo- or polyethylene oxides or other multifunctional alcohols such as glycerol or sugars.
  • the crosslinkers are optionally used in amounts of up to 5.0% by weight, preferably from 20 ppm to 2% by weight, based on the polymer obtained by the Hofmann degradation.
  • the method according to the invention enables a tear-free operation of the paper machine.
  • the resulting in the process paper web or paper sheet shows a significantly increased wet structural strength.
  • a 2 l glass apparatus with anchor stirrer, reflux condenser, internal thermometer and nitrogen inlet tube was charged with 295.5 g of distilled water, 189.6 g of a 65% strength by weight aqueous solution of DADMAC and 1.0 g of 75% strength by weight phosphoric acid.
  • the pH was adjusted to 3.
  • the template was deoxygenated while being heated to the polymerization temperature of 75 ° C.
  • Feed 1 Mixture of 253.0 g of a 50% strength by weight acrylamide solution, 60.0 g of distilled water and 0.9 g of sodium hydroxide
  • Feed 2 100g of a 0.6% wt .-% aqueous bisulfite solution
  • Feed 3 100g of a 0.88% by weight aqueous sodium persulfate solution
  • Feed 1 was metered in over a period of 2 hours while feeds 2 and 3 were metered in over a period of 5 hours. Subsequently, the temperature of the mixture was raised to 85 ° C. After the end of feeds 2 and 3, the batch was held at 85 ° C. for a further hour and then cooled.
  • the following feed was prepared: 234.5 g of a 14.1% strength by weight aqueous NaOCl solution and 20.5 g of distilled water were placed in a beaker and cooled to 5 ° C. using an ice bath. While stirring continuously, 71.1 g of a 50% strength by weight sodium hydroxide solution were slowly added dropwise so that the temperature could be kept below 10 ° C.
  • This feed was added dropwise from a cooled dropping funnel ( ⁇ 10 ° C) in 80 minutes to the cooled prepolymer sample so that the temperature during the addition was kept in the range 8-10 ° C. Subsequently, the reaction mixture was heated to 20 ° C within 10 minutes and kept at 20 ° C for 30 minutes. Subsequently, 558.1 g of this mixture were added dropwise with constant stirring to 135 g of 37% hydrochloric acid, with a strong evolution of gas was observed. Finally, the pH of the resulting solution was adjusted to pH 3.5 with 10.0 g of 25% strength by weight sodium hydroxide solution.
  • Feed 1 0.5 g of triallylamine was dissolved in 160.0 g of distilled water with the addition of 0.75 g of 75 wt .-% phosphoric acid. Subsequently, 253.0 g of a 50 wt .-% strength acrylamide solution was added and the pH was adjusted to 4.0 by means of 0.4 g of 25 wt .-% sodium hydroxide solution.
  • Feed 2 120 g of a 0.6 wt .-% aqueous bisulfite solution
  • Feed 3 120.6 g of a 0.88% by weight aqueous sodium persulfate solution
  • Feed 1 was added in 3 hours while feeds 2 and 3 were fed in 6 hours. After the end of the addition of feed 2, the temperature was raised to 85 ° C and held for a further hour at this temperature and then cooled.
  • the following feed was prepared: For this purpose, 234.5 of a 14.1 wt .-% aqueous NaOCl solution and 20.5 g of distilled water were placed in a beaker, and cooled by means of an ice bath to 5 ° C. With constant stirring, 71.1 g of a 50% strength by weight sodium hydroxide solution were slowly added dropwise so that the temperature could be kept ⁇ 10 ° C.
  • Feed 2 120 g of a 0.6 wt .-% aqueous bisulfite solution
  • Feed 3 120.6 g of a 0.88% by weight aqueous sodium persulfate solution
  • Polymer VII (85 mol% acrylamide and 15 mol% acrylic acid)
  • Polymer VIII (not according to the invention) (comparative example corresponds to polymer I from EP application no. 11170740.2)
  • Feed 1 In a beaker, the following components were mixed: 250 g of deionized water 95.6 g 50% strength by weight aqueous acrylamide solution 121.9 g 80 wt .-%, aqueous solution of acryloyloxyethyltrimethylammonium chloride 148.1 g 32 wt .-%, aqueous sodium acrylate solution 0.2 g of 1% strength by weight aqueous solution of diethylenetriaminepentaacetic acid.
  • Feed 2 60.0 g of a 1 wt .-% aqueous solution of 2,2'-azobis (2-amide inopropane) di hydrochloride
  • Feed 3 16.5 g of a 1 wt .-% aqueous solution of 2,2'-azobis (2-amide inopropane) -di hydrochloride
  • the original was heated to 63 ° C and the pressure was lowered by means of a water jet pump so far that the water just started to boil.
  • the feeds 1 and 2 were started simultaneously, the feed 1 in 2 hours and the feed 2 in 3 hours at a constant internal temperature to the template.
  • the reaction was held at 63 ° C. for a further hour, then the mixture was heated to 72 ° C. and the vacuum was reduced correspondingly.
  • the reaction mixture was kept at 72 ° C for a further 2 hours, then feed 3 was added all at once and postpolymerized at 72 ° C for a further 2 hours. Then the vacuum was released, the batch was diluted with 500 g of deionized water and cooled to room temperature. During the entire polymerization, 208 g of water were distilled off.
  • Feed 1 In a beaker, the following components were mixed: 250 g of deionized water 119.5 g of 50% strength by weight aqueous acrylamide solution 113.8 g 80% strength by weight aqueous solution of acryloyloxyethyltrimethylammonium chloride 108.6 g 32 wt .-%, aqueous sodium acrylate solution 0.2 g of 1% strength by weight aqueous solution of diethylenetriaminepentaacetic acid.
  • the original was heated to 66 ° C and the pressure was lowered by means of a water jet pump so far that the water just started to boil.
  • the feeds 1 and 2 were started simultaneously, the feed 1 in 2 hours and the feed 2 in 3 hours at a constant internal temperature to the template.
  • the reaction was held for a further hour at 66 ° C, then was heated to 78 ° C and correspondingly reduced the vacuum.
  • the reaction mixture was kept for a further 2 hours at 78 ° C, then feed 3 was added all at once and postpolymerized at 78 ° C for a further 2 hours.
  • the vacuum was released, the batch was diluted with 500 g of deionized water and cooled to room temperature. During the entire polymerization, 200 g of water were distilled off.
  • Polymer X (not according to the invention) (corresponds to polymer III from EP application no. 11170740.2)
  • Feed 1 In a beaker, the following components were mixed: 250 g of deionized water 71.7 g 50% strength by weight aqueous acrylamide solution 130.1 g 80% strength by weight aqueous solution of acryloyloxyethyltrimethylammonium chloride 187.8 g 32 wt .-%, aqueous sodium acrylate solution 0.2 g of 1% strength by weight aqueous solution of diethylenetriaminepentaacetic acid.
  • the pH was adjusted to 4.1 by adding about 34 g of a 37% strength hydrochloric acid
  • Feed 2 60.3 g of a 1 wt .-% aqueous solution of 2,2'-azobis (2-amide inopropane) -di hydrochloride
  • Feed 3 16.0 g of a 1 wt .-% aqueous solution of 2,2'-azobis (2-amide inopropane) -di hydrochloride
  • the original was heated to 63 ° C and the pressure was lowered by means of a water jet pump so far that the water just started to boil.
  • the feeds 1 and 2 were started simultaneously, the feed 1 in 2 hours and the feed 2 in 3 hours at a constant internal temperature to the template.
  • the reaction was held at 63 ° C. for a further hour, then the mixture was heated to 72 ° C. and the vacuum was reduced correspondingly.
  • the reaction mixture was kept at 72 ° C for a further 2 hours, then feed 3 was added all at once and postpolymerized at 72 ° C for a further 2 hours. Then the vacuum was released, the batch was diluted with 500 g of deionized water and cooled to room temperature. During the entire polymerization, 200 g of water were distilled off.
  • the pulp concentration of the thin material in the examples must be set at 3.5 g / l.
  • Bleached birch sulphate was beaten open at a pulp concentration of 4% in the laboratory pulper until a freeness of 30 ° SR was reached.
  • An optical brightener (Blankophor® PSG) and a fully digested cationic starch (HiCat® 5163 A) were then added to the open material and allowed to act for 5 minutes.
  • the digestion of the cationic starch was previously carried out as a 10% starch slurry in a jet cooker at 130 ° C and 1 minute residence time.
  • the metered amount of the optical brightener was 0.5 wt .-% commercial goods, based on the solids content of the pulp suspension.
  • the dosage of the cationic starch was 0.8% starch (solid), based on the solids content of the pulp suspension.
  • the pulp content of the pulp suspension after addition of starch and optical brightener was 3.5% (35 g / l).
  • the pulp suspensions were processed two minutes after the pigment addition to a Rapid-Köthen sheet former according to ISO 5269/2 to sheets of a basis weight of 100 g / qm.
  • the wet leaves were then removed from the screen frame and placed between two Saugfilze.
  • the package consisting of absorbent felts and the wet paper was then pressed in a static press at a press pressure of 6 bar. It was pressed in each case up to a solids content of 50 wt .-% of the wet leaves.
  • the pulp suspensions were processed two minutes after the pigment addition to a Rapid-Köthen sheet former according to ISO 5269/2 to sheets of a basis weight of 100 g / qm.
  • the wet leaves were then removed from the screen frame and placed between two Saugfilze.
  • the package consisting of absorbent felts and the wet paper was then pressed in a static press at a press pressure of 6 bar. By adjusting the residence time within the press arrangement, in each case up to a solids content of the wet leaves was pressed, which is shown in Table 1.
  • the pulp suspensions were processed two minutes after the pigment addition to a Rapid-Köthen sheet former according to ISO 5269/2 to sheets of a basis weight of 100 g / qm.
  • the wet leaves were then removed from the screen frame and placed between two Saugfilze.
  • the package consisting of absorbent felts and the wet paper was then pressed in a static press at a press pressure of 6 bar. It was pressed in each case up to a solids content of 50 wt .-% of the wet leaves.
  • Example 14 15 and 16 (not according to the invention - dosage in the thin material)
  • the pulp suspension was processed two minutes after the pigment addition to a Rapid-Köthen sheet former according to ISO 5269/2 to sheets of a basis weight of 100 g / qm.
  • the wet leaves were then removed from the screen frame and placed between two Saugfilze.
  • the package consisting of absorbent felts and the wet paper was then pressed in a static press at a press pressure of 6 bar. By adjusting the reference time of the papers within the press arrangement, in each case up to a solids content of 50% by weight of the wet leaves was pressed.
  • the wet strength and the initial wet strength of paper are to be distinguished from the initial wet texture strength because both properties are measured on papers which are moistened again to a defined water content after drying.
  • the initial wet strength is an important parameter in the assessment of non-permanent wet-strength papers. A dried and then moistened paper has a very different wet strength than a damp paper directly after passing through the wire and press section of a paper machine is present.
  • the initial wet texture strength at 50% dry content was determined using an adjustment method described in the above reference.
  • the actual measurement of the initial wet structural strength was made on a vertical tensile testing machine with a special clamping device.
  • the force determined in the tractor was converted into the area-mass-independent so-called INF index.
  • INF index For a detailed description of the clamping device, the measuring procedure, the determination of the dry content in the paper and the data processing, the reference cited above can be used.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Papier, Pappe und Karton umfassend das Entwässern eines füllstoffhaltigen Papierstoffes der wenigstens ein wasserlösliches Polymer enthält, welches durch den Hofmannabbau eines Acrylamid- und/oder Methacrylamid-haltigen Polymers erhältlich ist, unter Blattbildung in der Siebpartie und anschließendes Pressen des Papiers in der Presspartie.
  • Die Entwicklung von neuen Verfahren zur Herstellung von Papier findet an verschiedenen Stellen im Verfahren statt. Verbesserte Papiere werden durch neue Einsatzstoffe oder auch abgewandelte Dosierverfahren erzielt. Doch auch durch immer schnellere Papiermaschinen werden neue Anforderungen an das Herstellverfahren gestellt.
  • Ein limitierender Faktor auf dem Weg zu einer weiteren Steigerung der Geschwindigkeit von Papiermaschinen ist die initiale Nassgefügefestigkeit. Sie begrenzt die maximal anwendbare Kraft, die auf ein gerade in der Papiermaschine gebildetes Blatt ausgeübt werden kann, das die Sieb- und die Pressenpartie der Maschine passiert hat und in die Trockenpartie übergeben wird. Hierbei muss das Blatt von den Presswalzen abgezogen werden. Um einen abrissfreien Betrieb einer Papiermaschine sicher gewährleisten zu können, muss an dieser Stelle die angewendete Abzugskraft deutlich kleiner sein als die initiale Nassgefügefestigkeit des feuchten Papiers. Eine Erhöhung der initialen Nassgefügefestigkeit erlaubt die Anwendung höherer Abzugskräfte und damit ein schnelleres Betreiben der Papiermaschine, vgl. EP-B-0 780 513 .
  • Unter initialer Nassgefügefestigkeit (engl.: initial wet web strength) wird die Festigkeit eines nassen Papiers verstanden, das niemals getrocknet wurde. Es handelt sich hierbei um die Festigkeit eines nassen Papiers, wie es bei der Papierherstellung nach Durchlaufen der Sieb- und Pressenpartie der Papiermaschine vorliegt.
  • In der Pressenpartie wird das feuchte Faservlies von einem Abnahmesauger (Saugwalze oder statisches Unterdruckelement) auf den Pressfilz abgegautscht. Die Aufgabe des Pressfilzes ist der Transport der Faserstoffbahn durch Pressnips verschiedener Modifikationen. Der Trockengehalt der Bahn beträgt je nach Auslegung der Pressenpartie und der Zusammensetzung des Papierstoffes bis zu maximal 55 %. Dabei steigt der Trockengehalt mit dem in der Presse auf die durchlaufende Papierbahn ausgeübten Druck. Druck und damit der Trockengehalt der Papierbahn kann in vielen Papiermaschinen über einen relativ großen Bereich variiert werden.
  • Es ist bekannt, dass die initiale Nassgefügefestigkeit dadurch gesteigert werden kann, dass der Feststoffgehalt des Papiers an der Stelle zwischen Press- und Trockenpartie im Herstellprozess erhöht wird. Es besteht auch die Möglichkeit, den Feststoffgehalt an dieser Stelle des Prozesses durch Additive zur Steigerung der Entwässerung zu verbessern. Dieser Möglichkeit sind aber Grenzen gesetzt.
  • Die WO 2009/156274 lehrt die Verwendung von amphoteren Copolymeren, die erhältlich sind durch Copolymerisation von N-Vinylcarbonsäureamid mit anionischen Comonomeren sowie anschließender Hydrolyse des Vinylcarbonsäureamids als Papierstoffadditiv zur Erhöhung der initialen Nassgefügefestigkeit von Papier. Die Behandlung erfolgt z.B. im Dickstoff oder im Dünnstoff im Papierherstellungsprozess.
  • Die ältere Anmeldung WO 2012/175392 lehrt die Verwendung von amphoteren Copolymeren auf Basis von Acrylamid, die erhältlich sind durch Copolymerisation von Acrylamid mit anionischen Comonomeren als Papierstoffadditiv zur Erhöhung der initialen Nassgefügefestigkeit von Papier. Die Behandlung erfolgt im Dickstoff im Papierherstellungsprozess. Außerdem muss die Pressenpartie der Papiermaschine so eingestellt sein, dass der Trockengehalt der nassen Papierbahn nach Verlassen der Pressenpartie einen von der Stoffzusammensetzung abhängenden Minimalwert übersteigt.
  • Weiterhin ist beispielsweise der Einsatz von Polymeren, die durch den Hofmannabbau eines Acrylamid- und/oder Methacrylamid-haltigen Polymers erhalten werden, zur Verfestigung bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Herstellung von Papier die initiale Nassgefügefestigkeit der noch feuchten Papierbahn vor dem Übergang in die Trockenpartie zu erhöhen, um gegenüber bekannten Verfahren im Papierherstellungsprozeß höhere Maschinengeschwindigkeiten zu erreichen.
  • Demgemäß wurde ein Verfahren zur Herstellung von Papier, Pappe und Karton gefunden umfassend das Entwässern eines füllstoffhaltigen Papierstoffes, der wenigstens ein wasserlösliches Polymer enthält, unter Blattbildung in der Siebpartie und anschließendem Pressen des Papiers in der Pressenpartie, wobei man zu einem Papierstoff mit einer Faserstoffkonzentration im Bereich von 20 bis 40 g/l das wenigstens eine wasserlösliche Polymer dosiert, anschließend den Papierstoff auf eine Faserstoffkonzentration im Bereich von 5 bis 15 g/l verdünnt, den verdünnten Papierstoff unter Bildung eines Blattes entwässert und das Blatt in der Pressenpartie auf einen Feststoffgehalt G(x) Gew.-% oder größer presst und sich G(x) berechnet nach G x = 48 + x − 15 ⋅ 0,4
    Figure imgb0001
    • wobei x für den Zahlwert des Füllstoffgehalt des trockenen Papier, Pappe oder Kartons (in Gew.-%)
    • und G(x) für den Zahlwert des minimalen Feststoffgehalt (in Gew.-%), auf den das Blatt gepresst wird, steht,
    • wobei das wasserlösliche Polymer durch den Hofmannabbau eines Acrylamid- und/oder Methacrylamid-haltigen Polymers und gegebenenfalls einer anschließenden Nachvernetzung erhältlich ist,
    • mit der Maßgabe, dass bei einem Füllstoffgehalt von 15 Gew.-% oder kleiner in der Presspartie auf mindestens einen Feststoffgehalt von 48 Gew.-% gepresst wird,
    • wobei das wasserlösliche Polymer dem Papierstoff mit einer Faserstoffkonzentration im Bereich von 20 bis 40 g/l und vor Zugabe eines Füllstoffs zugesetzt wird.
  • Unter Papierstoff, wird nachfolgend eine Mischung aus Wasser und Faserstoff verstanden, der je nach Stufe in Herstellungsprozess des Papiers, der Pappe oder des Kartons zusätzlich das wasserlösliche Polymer, Füllstoff und gegebenenfalls Papierhilfsmittel enthält.
  • Unter Trockengehalt des Papiers versteht man den Feststoffgehalt von Papier, Pappe, Karton und Faserstoff mit dem Wärmeschrankverfahren, wie er gemäß DIN EN ISO 638 DE bestimmt wird.
  • Im Rahmen dieser Anmeldung wird der Begriff Pigment gleichbedeutend mit dem Begriff Füllstoff gebraucht, da bei der Herstellung von Papier die Pigmente als Füllstoffe eingesetzt werden. Unter Füllstoff ist dabei, wie in der Papierherstellung üblich, anorganisches Pigment zu verstehen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Herstellung von Papier, Pappe und Karton umfassend das Entwässern eines füllstoffhaltigen Papierstoffes. Der Füllstoffgehalt (x) des Papiers, der Pappe und des Kartons kann dabei 5 bis 40 Gew.-% bezogen auf das Papier, die Pappe oder den Karton betragen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung von Papier bevorzugt, dessen Füllstoffgehalt 20 bis 30 Gew.-% beträgt. Derartige Papiere sind beispielsweise holzfreie Papiere.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung von Papier bevorzugt, dessen Füllstoffgehalt 10 bis 20 Gew.-% beträgt. Derartige Papiere werden vor allem als Verpackungspapiere eingesetzt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung von Papier bevorzugt, dessen Füllstoffgehalt 5 bis 15 Gew.-% beträgt. Derartige Papiere werden vor allem für den Zeitungsdruck eingesetzt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung von Papier bevorzugt, dessen Füllstoffgehalt 25 bis 40 Gew.-% beträgt, beispielsweise SC-Papiere.
  • Der erfindungsgemäß wenigstens ein wasserlösliches Polymer, Faserstoff sowie Füllstoff enthaltende wässrige Papierstoff wird in der Siebpartie unter Bildung eines Blattes entwässert und das Blatt in der Presspartie gepresst, also weiter entwässert. Die Entwässerung in der Presspartie erfolgt dabei bis zu einem minimalen Feststoffgehalt, kann jedoch auch darüber hinausgehen. Diese Untergrenze des Feststoffgehaltes bis zu dem gepresst werden muss, wird nachfolgend auch als Grenztrockengehalt oder auch als minimaler Feststoffgehalt G(x) bezeichnet und ist auf das gepresste Blatt bezogen, dass eine Mischung aus Papierstoff und Wasser ist. Dieser Grenztrockengehalt bis zu dem mindestens entwässert wird, ist dabei abhängig von der Füllstoffmenge. So berechnet sich der Grenztrockengehalt G(x) für ein Papier mit einem Füllstoffgehalt von 30 bzw. 15 Gew.-% nach der Formel G x = 48 + x − 15 ⋅ 0,4
    Figure imgb0002
     zu G 30 = 48 + 30 − 15 ⋅ 0,4 = 54
    Figure imgb0003
     bzw. zu G 15 = 48 + 15 − 15 ⋅ 0,4 = 48.
    Figure imgb0004
  • Mit anderen Worten, bei der Herstellung von Papier mit einem Füllstoffgehalt von 30 Gew.-% wird erfindungsgemäß in der Presspartie auf einen Feststoffgehalt von mindestens 54 Gew.-% gepresst, um Papier mit guter initialer Nassgefügefestigkeit zu erhalten.
  • Dagegen wird erfindungsgemäß bei der Herstellung von Papier mit einem Füllstoffgehalt von 15 oder kleiner in der Presspartie auf einen Feststoffgehalt von mindestens 48 Gew.-% gepresst, um Papier mit guter initialer Nassgefügefestigkeit zu erhalten.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird zur Herstellung von Papier, Pappe und Karton mit einem Füllstoffgehalt von 17 bis 32 Gew.-% in der Presspartie auf mindestens einen Feststoffgehalt im Bereich von 49 bis 55 Gew.-% gepresst.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird zur Herstellung von Papier, Pappe und Karton mit einem Füllstoffgehalt von 15 Gew.-% oder kleiner in der Presspartie auf mindestens einen Feststoffgehalt von 48 Gew.-% gepresst.
  • Die Behandlung der Fasern erfolgt erfindungsgemäß durch Dosierung des wasserlöslichen Polymers zum Papierstoff bei einer Faserstoffkonzentration im Bereich von 20 bis 40 g/l. Unter einer Faserstoffkonzentration von 20 bis 40 g/l (entspricht einer Faserstoffkonzentration von 2 bis 4 Gew.-% bezogen auf den wässrigen Faserstoff) versteht man in der Papierherstellung üblicherweise den Dickstoff. Dieser wird unterschieden vom Dünnstoff, unter dem im Folgenden eine Faserstoffkonzentration im Bereich von 5 bis 15 g/l zu verstehen ist. Im Anschluss an die Behandlung mit wasserlöslichem Polymer wird der Papierstoff mit Wasser auf eine Faserstoffkonzentration im Bereich von 5 bis 15 g/l verdünnt.
  • Erfindungsgemäß können als Faserstoff native und/oder zurückgewonnene Fasern eingesetzt werden. Verwendung finden können alle in der Papierindustrie üblicherweise eingesetzte Fasern aus Nadel- und Laubhölzern z.B. Holzstoff, gebleichter und ungebleichter Zellstoff sowie Faserstoffe aus allen Einjahrespflanzen. Zu Holzstoff gehören beispielsweise Holzschliff, thermomechanischer Stoff (TMP), chemothermomechanischer Stoff (CTMP), Druckschliff, Halbzellstoff, Hochausbeute-Zellstoff und Refiner Mechanical Pulp (RMP). Als Zellstoff kommen beispielsweise Sulfat-, Sulfit- und Natronzellstoffe in Betracht. Vorzugsweise verwendet man ungebleichten Zellstoff, der auch als ungebleichter Kraftzellstoff bezeichnet wird. Geeignete Einjahrespflanzen zur Herstellung von Faserstoffen sind beispielsweise Reis, Weizen, Zuckerrohr und Kenaf. Zur Herstellung der Pulpen kann auch Altpapier verwendet werden, das entweder allein oder in Mischung mit anderen Faserstoffen eingesetzt wird. Das Altpapier kann beispielsweise aus einem Deinking-Prozess stammen. Es ist aber nicht erforderlich, dass das einzusetzende Altpapier einem solchen Prozess unterworfen wird. Weiterhin kann man auch von Fasermischungen aus einem Primärstoff und zurückgeführtem gestrichenem Ausschuss ausgehen.
  • Im Falle von gebleichtem oder ungebleichtem Zellstoff kann ein Faserstoff mit einem Mahlgrad von 20 bis 30 SR eingesetzt werden. In der Regel wird ein Faserstoff mit einem Mahlgrad von ca. 30 SR eingesetzt, der während der Herstellung der Pulpe gemahlen wird. Bevorzugt wird Faserstoff eingesetzt, der einen Mahlgrad von ≤30 SR aufweist.
  • Die Behandlung des Faserstoffs mit dem wasserlöslichen Polymer wird in wässriger Suspension durchgeführt, vorzugsweise in Abwesenheit anderer Prozesschemikalien, die üblicherweise bei der Papierherstellung eingesetzt werden. Sie erfolgt im Papierherstellungsprozess, indem man zu einem wässrigen Papierstoff mit einer Faserstoffkonzentration 20 bis 40 g/l wenigstens ein wasserlösliches Polymer zusetzt. Besonders bevorzugt ist eine Verfahrensvariante, bei der man ein wasserlösliches Polymer dem wässrigen Papierstoff zu einem Zeitpunkt zusetzt, der vor der Zugabe des Füllstoffes liegt. Ganz besonders bevorzugt erfolgt die Zugabe nach der Zugabe des Trockenverfestigers beispielsweise der Stärke.
  • Die wasserlöslichen Polymere werden bevorzugt in einer Menge von 0,05 bis 5,00 Gew.-%, bezogen auf Faserstoff (fest), zugesetzt.
  • Typische Aufwandmengen sind beispielsweise 0,5 bis 50 kg, vorzugsweise 0,6 bis 10 kg mindestens eines wasserlöslichen Polymers, pro Tonne eines trockenen Faserstoffs. Besonders bevorzugt beträgt die eingesetzten Mengen an wasserlöslichem Polymer 0,6 bis 3 kg Polymer (fest), bezogen pro Tonne trockenen Faserstoff.
  • Die Einwirkzeit des wasserlöslichen Polymers auf einen reinen Faserstoff bzw. Papierstoff nach der Dosierung bis zur Blattbildung beträgt beispielsweise 0,5 Sekunden bis 2 Stunden, bevorzugt 1,0 Sekunden bis 15 Minuten, besonders bevorzugt 2 bis 20 Sekunden.
  • Zusätzlich zu dem wasserlöslichen Polymer wird dem Faserstoff anorganisches Pigment als Füllstoff zugesetzt. Als anorganischer Pigmente kommen alle üblicherweise in der Papierindustrie einsetzbaren Pigmente auf Basis von Metalloxiden, Silikaten und/oder Carbonaten in Frage insbesondere von Pigmenten aus der Gruppe bestehend aus Calciumcarbonat, das in Form von gemahlenen (GCC) Kalk, Kreide, Marmor oder präzipitiertem Calciumcarbonat (PCC) eingesetzt werden kann, Talkum, Kaolin, Bentonit, Satinweiß, Calciumsulfat, Bariumsulfat und Titandioxid. Man kann auch Mischungen aus zwei oder mehreren Pigmenten einsetzen.
  • Erfindungsgemäß werden anorganische Pigmente mit einer mittleren Teilchengröße (Volumen-Mittel) ≤10 µm, bevorzugt von 0,3 bis 5 µm, insbesondere von bis 0,5 bis 2 µm eingesetzt. Die Bestimmung der mittleren Teilchengröße (Volumen-Mittel) der anorganischen Pigmente sowie der Teilchen der Pulverzusammensetzung erfolgt im Rahmen dieser Schrift generell nach der Methode der quasielastischen Lichtstreuung (DIN-ISO 13320-1) beispielsweise mit einem Mastersizer 2000 der Fa. Malvern Instruments Ltd..
  • Das anorganische Pigment wird bevorzugt nach der Zugabe des wasserlöslichen Polymers dosiert. Dabei erfolgt die Zugabe gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in der Stufe, in dem der Faserstoff bereits als Dünnstoff vorliegt, also bei einer Faserstoffkonzentration von 5 bis 15 g/l.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das anorganische Pigment sowohl im Dünnstoff wie auch im Dickstoff dosiert, wobei das Verhältnis der beiden Zugabemengen (Zugabe Dickstoff/Zugabe Dünnstoff) bevorzugt 5/1 bis 1/5 beträgt.
  • Zusätzlich zu dem wasserlöslichen Polymer können dem Papierstoff, in der Regel bei einer Faserstoffkonzentration von 5 bis 15 g/l, gegebenenfalls übliche Papierhilfsmittel beigemischt werden. Konventionelle Papierhilfsmittel sind beispielsweise Leimungsmittel, Nassfestmittel, kationische oder anionische Retentionsmittel auf Basis synthetischer Polymere sowie duale Systeme, Entwässerungsmittel, andere Trockenverfestiger, optische Aufheller, Entschäumer, Biozide und Papierfarbstoffe. Diese konventionellen Papieradditive können in den üblichen Mengen eingesetzt werden.
  • Als Leimungsmittel sind Alkylketendimere (AKD), Alkenylbernsteinsäureanhydride (A-SA) und Harzleim zu nennen.
  • Als Retentionsmittel kommen beispielsweise anionische Mikropartikel (kolloidale Kieselsäure, Bentonit), anionische Polyacrylamide, kationische Polyacrylamide, kationische Stärke, kationisches Polyethylenimin oder kationisches Polyvinylamin in Frage. Darüber hinaus sind beliebige Kombinationen davon denkbar, beispielsweise duale Systeme, die aus einem kationischen Polymer mit einem anionischen Mikropartikel oder einem anionischen Polymer mit einem kationischen Mikropartikel bestehen. Um eine hohe Füllstoffretention zu erreichen, empfiehlt sich die Zugabe von derartigen Retentionsmitteln, die beispielsweise zum Dickstoff aber auch zu dem Dünnstoff zugegeben werden können.
  • Unter Trockenverfestiger sind synthetische Trockenverfestiger wie Polyvinylamin, Polyethylenimin, glyoxyliertes Polyacrylamid (PAM), amphotere Polyacrylamide oder natürliche Trockenverfestiger wie Stärke zu verstehen.
  • In der Papiermaschine werden diese Trockengehalte bei dem Durchlaufen der Pressenpartie eingestellt. In der Pressenpartie wird das feuchte Faservlies von einem Abnahmesauger (Saugwalze oder statisches Unterdruckelement) auf den Pressfilz abgegautscht. Die Aufgabe des Pressfilzes ist der Transport der Faserstoffbahn durch Pressnips verschiedener Modifikationen. Der Trockengehalt der Bahn beträgt, je nach Auslegung der Pressenpartie und der Zusammensetzung des Papierstoffes, bis zu maximal 55 %. Dabei steigt der Trockengehalt mit dem in der Presse auf die durchlaufende Papierbahn ausgeübten Druck. Druck und damit der Trockengehalt der Papierbahn kann in vielen Papiermaschinen über einen relativ großen Bereich variiert werden.
  • Das erfindungsgemäß eingesetzte wasserlösliche Polymer ist erhältlich durch den Hofmannabbau eines Acrylamid- und/oder Methacrylamid-haltigen Polymers und gegebenenfalls einer anschließenden Nachvernetzung.
    • Präpolymer
  • Diese Acrylamid- und/oder Methycrylamid-haltigen Polymere, nachfolgend auch als Präpolymere bezeichnet, sind erhältlich durch radikalische Copolymerisation einer Monomermischung umfassend Acrylamid und/oder Methacrylamid.
  • Die Monomere Acrylamid und Methacrylamid sind bezogen auf die Monomerzusammensetzung des Präpolymer einzeln oder als Gemisch in Anteilen von 10 Mol-% bis 100 Mol-%, bevorzugt in Anteilen von 20 bis 90 Mol% besonders bevorzugt in Anteilen von 30 bis 80 Mol% in einpolymerisierter Form enthalten.
  • Bevorzugt hat die Monomermischung die folgende Zusammensetzung umfassend:
    • a) Acrylamid und/oder Methacrylamid (Monomere a)
    • b) gegebenenfalls ein oder mehrere monoethylenisch ungesättigte Monomer, deren korrespondierende Struktureinheit im Polymer unter den Reaktionsbedingungen des Hofmann-Abbaus stabil ist, und/oder DADMAC (Diallyldimethylammoniumchlorid) (Monomere b),
    • (c) gegebenenfalls einer oder mehrerer Verbindungen mit zwei oder mehr ethylenisch ungesättigten Resten, und deren korrespondierende Struktureinheiten im Polymer unter den Reaktionsbedingungen des Hofmann-Abbaus stabil sind, wobei DADMAC nicht umfasst ist (Monomere c).
  • Monoethylenisch ungesättigte Monomere, deren korrespondierende Struktureinheiten im Polymer unter den Reaktionsbedingungen des Hofmann-Abbaus stabil sind, sind beispielsweise Nitrile von α,β-ethylenisch ungesättigten Mono- und Dicarbonsäuren, wie Acrylnitril und Methacrylnitril, Amide α,β-ethylenisch ungesättigter Monocarbonsäuren und deren N-Alkyl- und N,N-Dialkylderivaten, N-Vinyllactamen, stickstoffhaltigen Heterocyclen, Vinylaromaten, C2-C8-Monoolefinen, α,β-ethylenisch ungesättigten Mono- und Dicarbonsäuren sowie deren Salze, Anhydride von α,β-ethylenisch ungesättigten Mono- und Dicarbonsäuren, ethylenisch ungesättigte Sulfonsäuren sowie deren Salze, ethylenisch ungesättigte Phosphonsäuren sowie deren Salze.
  • Beispiele für Vertreter dieser Gruppe (b) sind z.B. N-Methyl(meth)acrylamid, N-Ethyl(meth)acrylamid, n-Propyl(meth)acrylamid, N-(n-Butyl)(meth)acrylamid, tert.-Butyl(meth)acrylamid, n-Octyl(meth)acrylamid, 1,1,3,3-Tetramethylbutyl(meth)acrylamid, Ethylhexyl(meth)acrylamid, N,N-Dimethylacrylamid, N,N-Dimethylmethacrylamid, N-Vinylformamid, N-Vinylacetamid, N-Methyl-N-Vinylacetamid und Mischungen davon. Weiterhin sind als Monomere (b) geeignet N-[2-(Dimethylamino)ethyl]acrylamid, N-[2-(Dimethylamino)ethyl]methacrylamid, N-[3-(Dimethylamino)propyl]acrylamid, N-[3-(Dimethylamino)propyl]methacrylamid, N-[4-(Dimethylamino)butyl]acrylamid, N-[4-(Dimethylamino)butyl]methacrylamid, N-[2-(Diethylamino)ethyl]acrylamid, N-[2-(Diethylamino)ethyl]methacrylamid und Mischungen davon geeignet.
  • Geeignete Monomere (b) sind weiterhin N-Vinyllactame und deren Derivate, die z.B. einen oder mehrere C1-C6-Alkylsubstituenten (wie oben definiert) aufweisen können.
  • Dazu zählen N-Vinylpyrrolidon, N-Vinylpiperidon, N-Vinylcaprolactam, N-Vinyl-5-methyl-2-pyrrolidon, N-Vinyl-5-ethyl-2-pyrrolidon, N-Vinyl-6-methyl-2-piperidon, N-Vinyl-6-ethyl-2-piperidon, N-Vinyl-7-methyl-2-caprolactam, N-Vinyl-7-ethyl-2-caprolactam und deren Mischungen.
  • Weiterhin sind als Monomere (b) N-Vinylimidazole und Alkylvinylimidazole geeignet, insbesondere Methylvinylimidazole wie beispielsweise 1-Vinyl-2-methylimidazol, 3-Vinylimidazol-N-oxid, 2- und 4-Vinylpyridin-N-oxide sowie betainische Derivate und Quaternisierungsprodukte dieser Monomere.
  • Weiterhin geeignet ist Diallyldimethylammoniumchlorid (DADMAC).
  • Geeignete zusätzliche Monomere sind weiterhin Ethylen, Propylen, Isobutylen, Butadien, Styrol, α-Methylstyrol, Vinylacetat, Vinylpropionat, Vinylchlorid, Vinylidenchlorid, Vinylfluorid, Vinylidenfluorid und Mischungen davon.
  • Weiterhin geeignet sind Monomere, die mindestens eine Säurefunktion tragen d.h. mindestens einer Sulfonsäuregruppe, Phosphonsäuregruppe oder Carbonsäuregruppe. Geeignet sind weiterhin die Salze der zuvor genannten Verbindungen. Beispielhaft können genannt werden:
    Vinylsulfonsäure, Allylsulfonsäure, Methallylsulfonsäure, Styrolsulfonsäure, Acrylamidomethylenphosphonsäure, 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure, Vinylphosphonsäure, CH2=CH-NH-CH2-PO3H, Vinylphosphonsäuremonomethylester, Allylphosphonsäure, Allylphosphonsäuremonomethylester, Acrylamidomethylpropylphosphonsäure.
  • Ebenfalls geeignet sind monoethylenisch ungesättigte Carbonsäuren mit 3 bis 8 C-Atomen sowie die wasserlöslichen Salze wie Akalimetall-, Erdalkalimetall- oder Ammoniumsalze dieser Carbonsäuren und die monoethylenisch ungesättigten Carbonsäureanhydride in Betracht. Zu dieser Gruppe von Monomeren gehören beispielsweise Acrylsäure, Methacrylsäure, Dimethacrylsäure, Ethacrylsäure, α-Chloracrylsäure, Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure, Itaconsäure, Mesaconsäure, Citraconsäure, Glutaconsäure, Aconitsäure, Methylenmalonsäure, Allylessigsäure, Vinylessigsäure und Crotonsäure.
  • Die Säuregruppen tragenden Monomere können in nicht neutralisierter, teilneutralisierter oder vollständig neutralisierter Form vorliegen, wobei den Phosphonsäuren ein oder beide Protonen durch geeignete Basen neutralisiert werden können.
  • Geeignete Basen zur teilweisen oder vollständigen Neutralisation der Säuregruppen der Monomere sind beispielsweise Alkalimetall- oder Erdalkalimetallbasen, Ammoniak, Amine und/oder Alkanolamine. Beispiele hierfür sind Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat, Natriumhydrogencarbonat, Kaliumhydrogencarbonat, Magnesiumhydroxid, Magnesiumoxid, Calciumhydroxid, Calciumoxid, Triethanolamin, Ethanolamin und Morpholin.
  • Die Monomeren dieser Gruppe (b) können allein oder in Mischung eingesetzt werden.
  • Bevorzugte monoethylenisch ungesättigte Monomere, deren korrespondierende Struktureinheiten im Polymer Reaktionsbedingungen des Hofmann-Abbaus stabil sind, sind beispielsweise Nitrile von α,β-ethylenisch ungesättigten Mono- und Dicarbonsäuren, wie Acrylnitril und Methacrylnitril, Amide α,β-ethylenisch ungesättigter Monocarbonsäuren und deren N-Alkyl- und N,N-Dialkylderivaten, N-Vinyllactamen und DADMAC.
  • Die Präpolymere enthalten bevorzugt mindestens 5 Mol-%, bevorzugt mindestens 10 Mol-% sowie bevorzugt höchstens 90 Mol-%, vorzugsweise höchstens 70 Mol-% und in besonders bevorzugter Form höchstens 50 Mol-% eines oder mehrerer monoethylenisch ungesättigter Monomere, dessen korrespondierende Struktureinheit im Polymer unter den Reaktionsbedingungen des Hofmann-Abbaus stabil ist, (Monomere b) einpolymerisiert, bezogen auf die Gesamtmolzahl der Monomere (a und b).
  • Daneben können die Präpolymere in Mengen bis 5 Gew.-%, bevorzugt bis zu 3 Gew.-%, insbesondere bis zu 1 Gew.-% ganz besonderes bevorzugt bis zu 1 Gew.-% und mindestens 0,0001 Gew.-%, insbesondere mindestens 0,001 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der zur Polymerisation eingesetzten Monomere a und b, Verbindungen mit zwei oder mehr ethylenisch ungesättigten Resten, deren korrespondierende Struktureinheiten im Polymer unter den Reaktionsbedingungen des Hofmann-Abbaus stabil sind, in einpolymerisierter Form enthalten, wobei DADMAC nicht umfasst ist (Monomere c).
  • Eine derartige Modifizierung der Präpolymere durch Copolymerisieren von Verbindungen mit zwei oder mehr ethylenisch ungesättigten Resten, deren korrespondierende Struktureinheiten im Polymer unter den Reaktionsbedingungen des Hofmann-Abbaus stabil sind, wird beispielsweise mit Methylenbisacrylamide, Triallylamin, Tetraallylammoniumchlorid oder N,N'-Divinylpropylenharnstoff erreicht.
  • Besonders bevorzugt hat die zur Herstellung des Präpolymers eingesetzte Monomermischung die folgende Zusammensetzung:
    30 bis 95 Mol-% Acrylamid und/oder Methacrylamid (Monomere a) und
    5 bis 70 Mol-% eines oder mehrerer monoethylenisch ungesättigter Monomere, dessen korrespondierende Struktureinheit im Polymer unter den Reaktionsbedingungen des Hofmann-Abbaus stabil ist, und/oder Diallyldimethylammoniumchlorid (Monomere b)
    sowie bis zu 1,0 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Monomere a und b einer oder mehrerer Verbindungen mit zwei oder mehr ethylenisch ungesättigten Resten, deren korrespondierende Struktureinheiten im Polymer unter den Reaktionsbedingungen des Hofmann-Abbaus stabil sind.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat die zur Herstellung des Präpolymers eingesetzte Monomermischung die folgende Zusammensetzung:
    50 bis 90 Mol-% Acrylamid und/oder Methacrylamid und
    10 bis 50 Mol-% eines oder mehrerer monoethylenisch ungesättigter Monomere, dessen korrespondierende Struktureinheit im Polymer unter den Reaktionsbedingungen des Hofmann-Abbaus stabil ist, und/oder Diallyldimethylammoniumchlorid (Monomere b)
    sowie bis zu 1,0 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Monomere a und beiner oder mehrerer Verbindungen mit zwei oder mehr ethylenisch ungesättigten Resten, deren korrespondierende Struktureinheiten im Polymer unter den Reaktionsbedingungen des Hofmann-Abbaus stabil sind.
  • Insbesondere wird zur Herstellung des Präpolymers eine Monomermischung der folgende Zusammensetzung bevorzugt:
    60 bis 80 Mol-% Acrylamid und/oder Methacrylamid (Monomer a)
    20 bis 40 Mol-% Diallyldimethylammoniumchlorid (Monomer b)
    sowie gegebenenfalls 0,001 bis 0,1 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge Monomer a und Monomer b einer oder mehrerer Verbindungen ausgewählt unter Methylenbisacrylamide, Triallylamin, Tetraallylammoniumchlorid, N,N'-Divinylpropylenharnstoff.
  • Die Herstellung der Präpolymere kann durch Lösungs-, Fällungs-, Suspensions-, Gel- oder Emulsionspolymerisation erfolgen. Bevorzugt ist die Lösungspolymerisation in wässrigen Medien. Geeignete wässrige Medien sind Wasser und Gemische aus Wasser und mindestens einem wassermischbaren Lösungsmittel, z.B. einem Alkohol, wie Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol etc..
  • Die Polymerisationstemperaturen liegen vorzugsweise in einem Bereich von etwa 30 bis 200 °C, besonders bevorzugt 40 bis 110 °C. Die Polymerisation erfolgt üblicherweise unter atmosphärischem Druck, sie kann jedoch auch unter vermindertem oder erhöhtem Druck ablaufen. Ein geeigneter Druckbereich liegt von 0,1 bis 10 bar.
  • Die Säuregruppen-haltigen Monomere (b) werden vorzugsweise in der Salzform eingesetzt.
  • Zur Herstellung der Polymerisate können die Monomeren mit Hilfe von Radikale bildenden Initiatoren polymerisiert werden.
  • Als Initiatoren für die radikalische Polymerisation können die hierfür üblichen Peroxo- und/oder Azo-Verbindungen eingesetzt werden, beispielsweise Alkali- oder Ammoniumperoxidisulfate, Diacetylperoxid, Dibenzoylperoxid, Succinylperoxid, Di-tert.-butylperoxid, tert.-Butylperbenzoat, tert.-Butylperpivalat, tert.-Butylperoxy-2-ethylhexanoat, tert.-Butylpermaleinat, Cumolhydroperoxid, Diisopropylperoxidicarbamat, Bis-(o-toluoyl)-peroxid, Didecanoylperoxid, Dioctanoylperoxid, Dilauroylperoxid, tert.-Butylperisobutyrat, tert.-Butylperacetat, Di-tert.-Amylperoxid, tert.-Butylhydroperoxid, Azo-bis-isobutyronitril, Azo-bis-(2-amidonopropan)dihydrochlorid oder 2-2'-Azo-bis-(2-methyl-butyronitril). Geeignet sind auch Initiatormischungen oder Redox-Initiator-Systeme, wie z.B. Ascorbinsäure/Eisen(II)sulfat/Natriumperoxodisulfat, tert.-Butylhydroperoxid/Natriumdisulfit, tert.-Butylhydroperoxid/Natriumhydroxymethansulfinat, H2O2/CuI.
  • Zur Einstellung des Molekulargewichts kann die Polymerisation in Gegenwart wenigstens eines Reglers erfolgen. Als Regler können die üblichen, dem Fachmann bekannten Verbindungen, wie z. B. Schwefelverbindungen, z. B. Mercaptoethanol, 2-Ethylhexylthioglycolat, Thioglycolsäure, Natriumhypophosphit, Ameisensäure oder Dodecylmercaptan sowie Tribromchlormethan oder andere Verbindungen, die regelnd auf das Molekulargewicht der erhaltenen Polymerisate wirken, eingesetzt werden.
  • Die Molmasse des wasserlöslichen Präpolymers beträgt beispielsweise mindestens 50 000, vorzugsweise mindestens 100 000 Dalton und insbesondere mindestens 500 000 Dalton. Die Molmassen der Präpolymer betragen dann z.B. 50 000 bis 10 Millionen, vorzugsweise 100 000 bis 5 Millionen (z.B. bestimmt durch Lichtstreuung). Dieser Molmassenbereich entspricht beispielsweise K-Werten von 50 bis 300, vorzugsweise 70 bis 250 (bestimmt nach H. Fikentscher in 5%iger wässriger Kochsalzlösung bei 25 °C und einer Polymerkonzentration von 0,1 Gew.-%).
    • Hofmann-Abbau
  • Unter dem Hofmann-Abbau (auch als Hofmann-Umlagerung bezeichnet) versteht der Fachmann den Abbau von primären Säureamiden zu Aminen unter Verlust eines Kohlenstoff-Atoms (Römpp Online, Version 3.12). Beim Hofmann Abbau werden die AmidGruppen der Präpolymer unter alkalischen Bedingungen mit Hypohalogenite umgesetzt und anschließend die gebildeten Carbamate durch Ansäuern decarboxyliert unter Erhalt von Aminogruppen.
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  • Solche Polymere sind beispielsweise aus EP-A-0 377 313 und WO-A-2006/075115 bekannt. Die Herstellung von Vinylamingruppen enthaltenden Polymeren wird beispielsweise in WO-A-2006/075115 , Seite 4, Zeile 25 bis Seite 10, Zeile 22 sowie in den Beispielen auf den Seiten 13 und 14 ausführlich behandelt, auf deren Inhalt ausdrücklich Bezug genommen wird.
  • Der Hofmann Abbau erfolgt vorzugsweise in wässriger Lösung. Pro Moläquivalent Amidgruppe werden 0,1 bis 2,0, vorzugsweise 0,8 bis 1,1, besonders bevorzugt 1,0 Moläquivalente Hypohalogenit eingesetzt. Die starke Base wird in Mengen von 1,0 bis 4,0 Moläquivalente pro Moläquivalent Amid-Gruppe eingesetzt, bevorzugt 1,5 bis 3,0 Moläquivalent, besonders bevorzugt 2,0 bis 2,5 Moläquivalente.
  • Als Hypohalogenite werden beispielsweise Natriumhypochlorit (NaOCl) und Natriumhypobromit (NaOBr) angewendet, wobei NaOCl bevorzugt ist. Als starke Base finden Alkalihydroxyde, Erdalkalihydroxyde und Erdalkalioxyde Verwendung.
  • Der Hofmann-Abbau des Polymeren erfolgt z.B. in dem Temperaturbereich von -15 bis 90 °C, vorzugsweise -5 bis 40 °C gegebenenfalls in Gegenwart von quaternären Ammoniumsalzen als Stabilisator, um eine Nebenreaktion der entstehenden Aminogruppen mit den Amidgruppen des Ausgangspolymeren zu verhindern. Nach Beendigung der Umsetzung mit Alkalilauge/Alkalimetallhypochlorit wird die wässrige Reaktionslösung in einen Reaktor geleitet, in dem eine Säure für die Decarboxylierung des Umsetzungsprodukts vorgelegt ist. Der pH-Wert des Vinylamineinheiten enthaltenden Reaktionsprodukts wird auf einen Wert von 2 bis 7 eingestellt.
  • Das durch den Hofmann-Abbau eines Acrylamid- und/oder Methacrylamid-haltigen Polymers erhaltene wasserlösliche Polymer kann im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden.
  • Gemäß einer weiteren Variante wird das durch den Hofmannabbau eines Acrylamid- und/oder Methacrylamid-haltigen Polymers erhaltene Polymer zusätzlich nachvernetzt.
    • Nachvernetzung
  • Um das Molekulargewicht des Hofmann-abgebauten Polymers zu erhöhen und um verzweigte Polymerstrukturen zu erreichen kann das Hofmann-abgebaute Polymer nachträglich mit Vernetzern umgesetzt werden. Unter Vernetzer sind hierbei Verbindungen zu verstehen, die mindestens zwei reaktive Gruppen tragen, die mit den primären Aminogruppen des Hofmann-Produktes reagieren können.
  • Als Vernetzer kommen z.B. multifunktionelle Epoxide wie Bisglycidylether von Oligo- oder Polyethylenoxiden oder anderen multifunktionellen Alkoholen wie Glycerin oder Zuckern, multifunktionelle Carbonsäureester, multifunktionelle Isocyanate, multifunktionelle Acrylsäure- oder Methacrylsäureester, multifunktionelle Acrylsäure - oder Methacrylsäureamide, Epichlorhydrin, multifunktionelle Säurehalogenide, multifunktionelle Nitrile, a, ω-Chlorhydrinether von Oligo- oder Polyethylenoxiden oder von anderen multifunktionellen Alkoholen wie Gylcerin oder Zuckern, Divinylsulfon, Maleinsäureanhydrid oder ω-Halogencarbonsäurechloride, multifunktionelle Halogenalkane insbesondere α,ω-Dichloralkane und Carbonate wie Ethylencarbonat oder Porpylencarbonat in Betracht. Weitere Vernetzer sind in WO-A-97/25367 , Seiten 8 bis16 beschrieben.
  • Bevorzugt werden als Vernetzer multifunktionelle Epoxide wie Bisglycidylether von Oligo- oder Polyethylenoxiden oder anderen multifunktionellen Alkoholen wie Glycerin oder Zuckern.
  • Die Vernetzer werden gegebenenfalls in Mengen bis 5,0 Gew% vorzugsweise 20 ppm bis 2 Gew.-% bezogen auf das durch den Hofmann-Abbau erhaltene Polymer eingesetzt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen abrissfreieren Betrieb der Papiermaschine. Die im Verfahren entstehende Papierbahn bzw. Papierblatt zeigt eine deutlich erhöhte Nassgefügefestigkeit.
  • Die nachfolgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung näher erläutern. Die Prozentangaben in den Beispielen sind Gewichtsprozent, sofern nichts anderes angegeben ist.
    • Beispiele
  • Die Herstellung der Polymere erfolgt in den drei aufeinanderfolgenden Schritten:
    1. a) Herstellung des Präpolymers
    2. b) Hofmann Abbau des Präpolymers
      und gegebenenfalls einer Nachvernetzung.
    Herstellung von Polymer I a) Herstellung des Präpolymers I (70 mol% Acrylamid und 30 mol% DADMAC (Diallyldimethylammoniumchlorid) - unverzweigt)
  • In einer 2 I Glasapparatur mit Ankerrührer, Rückflusskühler, Innenthermometer und Stickstoffeinleitungsrohr wurden 295,5 g destilliertes Wasser, 189,6 g einer 65 gew.-%igen wässrigen Lösung von DADMAC und 1,0 g 75 gew.-%igen Phosphorsäure vorgelegt. Durch die Zugabe von 0,4 g Natriumhydroxid wurde der pH auf 3 eingestellt. Durch Einleiten von Stickstoff wurde die Vorlage von Sauerstoff befreit, während sie auf die Polymerisationstemperatur von 75°C erwärmt wurde. Gleichzeitig wurden folgende Zuläufe hergestellt:
    Zulauf 1: Mischung aus 253,0 g einer 50 gew.-%igen Acrylamidlösung, 60,0 g destilliertem Wasser und 0,9 g Natriumhydroxid
    Zulauf 2: 100g einer 0,6% gew.-%igen wässrigen Bisulfitlösung
    Zulauf 3: 100g einer 0,88 gew.-%igen wässrigen Natriumpersulfatlösung
  • Die drei Zuläufe wurden zeitgleich gestartet. Zulauf 1 wurde über einen Zeitraum von 2 Stunden zudosiert während die Zuläufe 2 und 3 über einen Zeitraum von 5 Stunden zudosiert wurden. Anschließend wurde die Temperatur der Mischung auf 85°C erhöht. Nach Ende der Zuläufe 2 und 3 wurde der Ansatz für eine weitere Stunde bei 85°C gehalten und anschließend abgekühlt.
  • Es wurde eine klare, viskose Präpolymerlösung mit einem Festgehalt von 25,6 Gew.-% und einer Viskosität von 50 000 mPas (Brookfield LV-Viskosität, Spindel 4, 6 UPM, RT) erhalten.
    • b) Hofmann Abbau des Präpolymers
  • 250,0 g des nach a) erhaltenen Präpolymers I wurden in einem Dreihalskolben mit Innenthermometer und Blattrührer vorgelegt und unter ständigem Rühren mit Hilfe einer Eis/Kochsalzmischung auf 8°C abgekühlt.
  • Es wurde der folgende Zulauf hergestellt: Es wurden 234,5 g einer 14,1 gew.-%igen wässrigen NaOCI-Lösung und 20,5 g destilliertes Wasser in einem Becherglas vorgelegt, und mittels eines Eisbades auf 5°C abgekühlt. Unter ständigem Rühren wurden langsam 71,1 g einer 50 gew.-%igen Natronlauge so zugetropft, dass die Temperatur unterhalb10°C gehalten werden konnte.
  • Dieser Zulauf wurde aus einem gekühlten Tropfttrichter (<10°C) in 80 Minuten so zu der gekühlten Präpolymervorlage getropft, dass die Temperatur während der Zugabe im Bereich 8-10°C gehalten wurde. Anschließend wurde die Reaktionsmischung innerhalb von 10 Minuten auf 20°C erwärmt und 30 Minuten bei 20°C gehalten. Anschließend wurden 558,1 g dieser Mischung unter ständigem Rühren zu 135 g 37%iger Salzsäure getropft, wobei eine starke Gasentwicklung zu beobachten war. Abschließend wurde der pH der erhaltenen Lösung mit 10,0 g 25 gew.-%iger Natronlauge auf pH 3,5 eingestellt.
  • Es wurde eine klare, leicht viskose Lösung von Polymer I mit einem Polymergehalt von 8,6 Gew.-% und einer Viskosität von 39 mPas (Brookfield LV-Viskosität, Spindel 1, 60 UPM, RT) erhalten.
    • Herstellung von Polymer II (nachvernetzt)
  • 309,8 g des Polymers I wurden in einem 500 ml Dreihalskolben mit Blattrührer vorgelegt und durch Zugabe von 6,8 g einer 50 gew.-%igen Natronlauge auf pH 8,5 eingestellt. Anschließend wurde die Mischung auf 45 °C erwärmt und 0,29 g Grillbond G 1701 (Firma EMS) zugegeben. Nach 30 minutigem Rühren bei 45°C wurde die Temperatur auf 55°C erhöht und der Ansatz 2 Stunden bei 55°C erhalten. Innerhalb dieser Zeit war ein Anstieg der Viskosität zu beobachten. Nach Ablauf der 2 Stunden, wurde der Ansatz auf Raumtemperatur abgekühlt und der pH-Wert durch die Zugabe von 8,0 g 37%iger Salzsäure auf pH 3,0 eingestellt.
  • Erhalten wurde eine klare, leicht viskose Lösung von Polymer II mit einem Polymergehalt von 8,2 Gew.-%, einer Viskosität von 190 mPas (Brookfield LV-Viskosität, Spindel 2, 60 UPM, RT).
    • Herstellung von Polymer III a) Herstellung des Präpolymers III (70 mol% Acrylamid und 30 mol% DADMAC, Triallylamin als Monomer c)
  • In einer 2 I Glasapparatur mit Ankerrührer, Rückflusskühler, Innenthermometer und Stickstoffeinleitungsrohr wurden 155,8 g destilliertes Wasser, 189,6 g einer 65 gew.-%igen wässrigen Lösung von DADMAC und 1,0 g 75 gew.-%ige Phosphorsäure vorgelegt. Durch Zugabe von 0,4 g NaOH wurde der pH auf 3 eingestellt. Durch Einleiten von Stickstoff wurde die Vorlage von Sauerstoff befreit, während sie auf die Polymerisationstemperatur von 75°C erwärmt wurde.
  • Es wurden folgende Zuläufe bereitgestellt:
    Zulauf 1: 0,5 g Triallylamin wurde in 160,0 g destilliertem Wasser unter Zugabe von 0,75 g 75 gew.-%ige Phosphorsäure gelöst. Anschließend wurden 253,0 g einer 50 gew.-%igen Acrylamidlösung zugegeben und der pH mittels 0,4 g 25 gew.-%iger Natronlauge auf 4,0 eingestellt.
    Zulauf 2: 120 g einer 0,6 gew.-%igen wässrigen Bisulfitlösung
    Zulauf 3: 120,6 g einer 0,88 gew.-%igen wässrigen Natriumpersulfatlösung
  • Die 3 Zuläufe wurden gleichzeitig gestartet. Zulauf 1 wurde in 3 Stunden zugegeben während die Zuläufe 2 und 3 in 6 Stunden zugefahren wurden. Nach Ende der Zugabe von Zulauf 2 wurde die Temperatur auf 85°C erhöht und für eine weitere Stunde bei dieser Temperatur gehalten und anschließend abgekühlt.
  • Es wurde eine klare, viskose Präpolymerlösung mit einem Festgehalt von 25,5% und einer Viskosität von 15 800 mPas (Brookfield LV-Viskosität, Spindel 4, 6 UPM, RT) erhalten.
    • b) Hofmann Abbau des Präpolymers III
  • 250,0 g des nach a) Präpolymers III wurden in einem Dreihalskolben mit Blattrührer und Innenthermometer vorgelegt und unter ständigem Rühren mit Hilfe einer Eis/Kochsalzmischung auf 8°C abgekühlt.
  • Gleichzeitig wurde der folgende Zulauf hergestellt: Dazu wurden 234,5 einer 14,1 gew.-%igen wässrigen NaOCl-lösung und 20,5 g destilliertes Wasser in einem Becherglas vorgelegt, und mittels eines Eisbads auf 5°C abgekühlt. Unter ständigem Rühren wurden langsam 71,1g einer 50 gew.-%igen Natronlauge so zugetropft, so dass die Temperatur <10°C gehalten werden konnte.
  • Dieser Zulauf wurde aus einem gekühlten Tropftrichter (<10°C) in 80 min so zu der Vorlage getropft, dass die Temperatur während der Zugabe im Bereich 8-10°C gehalten werden konnte. Anschließend wurde die Reaktionsmischung in 10 min auf 20°C erwärmt und 60 min bei 20°C gehalten. Anschließend wurden 566,2 g dieser Mischung unter ständigem Rühren zu 135 g 37%iger Salzsäure getropft, wobei eine starke Gasentwicklung zu beobachten war. Abschließend wurde der pH-Wert der erhaltenen Lösung mit 12,2 g 25 gew.-%iger Natronlauge auf pH 3,5 eingestellt.
    Erhalten wurde eine klare, leicht viskose Lösung des Polymers III mit einem Polymergehalt von 8,6 Gew.-% und einer Viskosität von 23 mPas (Brookfield LV-Viskosität, Spindel 1,60 UPM, RT).
    • Polymer IV (nachvernetzt)
  • 301,8 g des Polymers III wurden in einem 500 ml Dreihalskolben mit Blattrührer vorgelegt und durch Zugabe von 6,2 g einer 50 gew.-%igen Natronlauge auf pH 8,5 eingestellt. Anschließend wurde die Mischung auf 45 °C erwärmt und 0,43 g Grillbond G 1701 (Firma EMS) zugegeben. Nach 30 minutigem Rühren bei 45°C wurde die Temperatur auf 55°C erhöht und der Ansatz 3 Stunden bei 55°C erhalten. Innerhalb dieser Zeit war ein Anstieg der Viskosität zu beobachten. Nach Ablauf der 3 Stunden, wurde der Ansatz auf Raumtemperatur abgekühlt und der pH-Wert durch die Zugabe von 7,4 g 37%iger Salzsäure auf 3,0 eingestellt.
    Erhalten wurde eine klare, leicht viskose Lösung des Polymers IV mit einem Polymergehalt von 8,2%, einer Viskosität von 419 mPas (Brookfield LV-Viskosität, Spindel 2, 60 UPM, RT)
    • Herstellung von Polymer V a) Herstellung des Präpolymers V (70 mol% Acrylamid und 30 mol% DADMAC, Triallylamin als Monomer c)
  • In einer 2I Glasapparatur mit Ankerrührer, Rückflusskühler, Innenthermometer und Stickstoffeinleitungsrohr wurden 155,8 g destilliertes Wasser, 189,6 g einer 65 gew.-%igen wässrigen Lösung von DADMAC und 1,0 g 75 gew.-%ige Phosphorsäure vorgelegt. Durch Zugabe von 0,4 g NaOH wurde der pH auf 3 eingestellt. Durch Einleiten von Stickstoff wurde die Vorlage von Sauerstoff befreit, während sie auf die Polymerisationstemperatur von 75°C erwärmt wurde. Gleichzeitig wurden folgende Zuläufe hergestellt:
    Zulauf 1: 0,25 g Triallylamin wurden in 160,0 g destilliertes Wasser unter Zugabe von 0,75 g 75 gew.-%ige Phosphorsäure gelöst. Anschließend wurden 253,0 g einer 50 gew.-%igen Acrylamidlösung zugegeben und der pH mittels 0,6 g 25 gew.-%iger Natronlauge auf 4,0 eingestellt.
    Zulauf 2: 120 g einer 0,6 gew.-%igen wässrigen Bisulfitlösung
    Zulauf 3: 120,6 g einer 0,88 gew.-%igen wässrigen Natriumpersulfatlösung
  • Die 3 Zuläufe wurden synchron gestartet. Zulauf 1 wurde in 3 Stunden zugegeben während die Zuläufe 2 und 3 in 6 Stunden zugefahren wurden. Nach Ende von Zulauf 2 wurde die Temperatur auf 85°C erhöht. Nach Ende der Zuläufe 2 und 3 wurde der Ansatz für eine weitere Stunde bei 85°C gehalten und anschließend abgekühlt. Erhalten wurde eine klare, viskose Präpolymerlösung mit einem Festgehalt von 25,5% und einer Viskosität von 12 400 mPas (Brookfield LV-Viskosität, Spindel 4, 6 UPM, RT).
    • b) Hofmann Abbau des Präpolymers
  • 250,0 g des nach a) Präpolymers V wurden in einem Dreihalskolben mit Blattrührer und Innenthermometer vorgelegt und unter ständigem Rühren mit Hilfe einer Eis/Kochsalzmischung auf 8°C abgekühlt.
    Gleichzeitig wurde der folgende Zulauf hergestellt:
    Es wurden 234,5 einer 14,1 gew.-%igen wässrigen NaOCl-lösung und 20,5 g destilliertes Wasser in einem Becherglas vorgelegt, und mittels eines Eisbades auf 5°C abgekühlt. Unter ständigem Rühren wurden langsam 71,1g einer 50 gew.%-igen NaOH-Lösung so zugetropft, so dass die Temperatur <10°C gehalten werden konnte.
  • Dieser Zulauf wurde aus einem gekühlten Tropfttrichter (<10°C) in 80 min so zu der Vorlage getropft, dass die Temperatur während der Zugabe im Bereich 8-10°C gehalten werden konnte. Anschließend wurde die Reaktionsmischung in 10 min auf 20°C erwärmt und 60 min bei 20°C gehalten. Anschließend wurden 566,2 g dieser Mischung unter ständigem Rühren zu 135 g 37%iger Salzsäure getropft, wobei eine starke Gasentwicklung zu beobachten war. Abschließend wurde der pH der erhaltenen Lösung mit 16,0 g 25 gew.-%iger Natronlauge auf pH 3,5 eingestellt.
    Erhalten wurde eine klare, leicht viskose Lösung des Polymers V mit einem Polymergehalt von 8,5%, einer Viskosität von 22 mPas (Brookfield LV-Viskosität, Spindel 1, 60 UPM, RT).
    • Polymer VI (nachvernetzt)
  • 314,4 g des des Polymers V wurden in einem 500 ml Dreihalskolben mit Blattrührer vorgelegt und durch Zugabe von 6,4 g einer 50 gew.-%igen Natronlauge auf pH 8,5 eingestellt. Anschließend wurde die Mischung auf 45 °C erwärmt und 0,44 g Grillbond G 1701 (Firma EMS) zugegeben. Nach 30 minutigem Rühren bei 45°C wurde die Temperatur auf 55°C erhöht und der Ansatz 3 Stunden bei 55°C erhalten. Innerhalb dieser Zeit war ein Anstieg der Viskosität zu beobachten. Nach Ablauf der 3 Stunden, wurde der Ansatz auf Raumtemperatur abgekühlt und der pH durch die Zugabe von 7,6 g 37%iger Salzsäure auf 3,0 eingestellt.
  • Erhalten wurde eine klare, leicht viskose Lösung des Polymer VI mit einem Polymergehalt von 8,1%, einer Viskosität von 190 mPas (Brookfield LV-Viskosität, Spindel 2, 60 UPM, RT).
    • Polymer VII (85 mol% Acrylamid und 15 mol% Acrylsäure)
  • Entsprechend JP63042998 (s. Tabelle auf Seite 624) wurde das Hofmann-Produkt C-4 nachgestellt.
  • Polymer VIII (nicht erfindungsgemäß) (Vergleichsbeispiel entspricht Polymer I aus der EP Anmelde Nr. 11170740.2)
  • In einem 2 I 5-Hals-Kolben ausgestattet mit einem Ankerrührer, einem Thermometer, einem absteigenden Kühler und einer Stickstoffeinleitung wurden 400 g deionisiertes Wasser vorgelegt. Weiterhin wurden die folgenden Zuläufe bereitgestellt:
    Zulauf 1: In einem Becherglas wurden die folgenden Komponenten vermischt:
    250 g deionisiertes Wasser
    95,6 g 50 gew.-%ige, wässrige Acrylamidlösung
    121,9 g 80 gew.-%ige, wässrige Lösung von Acryloyloxyethyltrimethylammoniumchlorid
    148,1 g 32 gew.-%ige, wässrige Natriumacrylat-Lösung
    0,2 g 1 gew.-%ige, wässrige Lösung von Diethylentriaminpentaessigsäure Durch die Zugabe von ca. 32 g einer 37%igen Salzsäure wurde der pH auf 4,1 eingestellt
    Zulauf 2: 60,0 g einer 1 gew.-%igen wässrigen Lösung von 2,2'-Azobis(2-amid inopropane)-di hydrochlorid
    Zulauf 3: 16,5 g einer 1 gew.-%igen wässrigen Lösung von 2,2'-Azobis(2-amid inopropane)-di hydrochlorid
  • Die Vorlage wurde auf 63°C erwärmt und der Druck mittels einer Wasserstrahlpumpe so weit abgesenkt, dass das Wasser gerade zu sieden begann. Die Zuläufe 1 und 2 wurden gleichzeitig gestartet, der Zulauf 1 in 2 Stunden und der Zulauf 2 in 3 Stunden bei konstanter Innentemperatur zur Vorlage gegeben. Nach Ende von Zulauf 2 wurde die Reaktion eine weitere Stunde bei 63°C gehalten, anschließend wurde auf 72°C aufgeheizt und entsprechend das Vakuum reduziert. Die Reaktionsmischung wurde weitere 2 Stunden bei 72°C gehalten, dann wurde Zulauf 3 auf einmal zugegeben und weitere 2 Stunden bei 72°C nachpolymerisiert. Anschließend wurde das Vakuum aufgehoben, der Ansatz mit 500 g deionisiertem Wasser verdünnt und auf Raumtemperatur abgekühlt. Während der gesamten Polymerisation wurden 208g Wasser abdestilliert.
  • Erhalten wurde eine klare, farblose, viskose Lösung des Polymers VIII mit der Zusammensetzung von 40 mol% Acrylamid, 30 mol% Acryloyloxyethyltrimethylammoniumchlorid und 30 mol% Natriumacrylat.
    Feststoffgehalt: 14,5 Gew.-%
    Viskosität: 10 600 mPas (Brookfield, Spindel 7, 50Upm, Raumtemperatur)
    K-Wert 120 (0,1%ige Lösung des Polymers in einer 5 gew.-%igen wässrigen Kochsalzlösung)
    Polymer IX (nicht erfindungsgemäß): (Vergleichsbeispiel entspricht Polymer II aus der EP Anmelde Nr. 11170740.2)
  • In einem 2 I 5-Hals-Kolben ausgestattet mit einem Ankerrührer, einem Thermometer, einem absteigenden Kühler und einer Stickstoffeinleitung wurden 400 g deionisiertes Wasser vorgelegt. Weiterhin wurden die folgenden Zuläufe bereitgestellt:
    Zulauf 1: In einem Becherglas wurden die folgenden Komponenten vermischt:
    250 g deionisiertes Wasser
    119,5 g 50 gew.-%ige, wässrige Acrylamidlösung
    113,8 g 80 gew.-%ige, wässrige Lösung von Acryloyloxyethyltrimethylammoniumchlorid
    108,6 g 32 gew.-%ige, wässrige Natriumacrylat-Lösung
    0,2 g 1 gew.-%ige, wässrige Lösung von Diethylentriaminpentaessigsäure Durch die Zugabe von ca. 38 g einer 37%igen Salzsäure wurde der pH auf 4,1 eingestellt
    Zulauf 2: 63,5 g einer 1%igen wässrigen Lösung von 2,2'-Azobis(2-amid inopropane)-di hydrochlorid
    Zulauf 3: 17,0 g einer 1%igen wässrigen Lösung von 2,2'-Azobis(2-amid inopropane)-di hydrochlorid
  • Die Vorlage wurde auf 66°C erwärmt und der Druck mittels einer Wasserstrahlpumpe so weit abgesenkt, dass das Wasser gerade zu sieden begann. Die Zuläufe 1 und 2 wurden gleichzeitig gestartet, der Zulauf 1 in 2 Stunden und der Zulauf 2 in 3 Stunden bei konstanter Innentemperatur zur Vorlage gegeben. Nach Ende von Zulauf 2 wurde die Reaktion eine weitere Stunde bei 66°C gehalten, anschließend wurde auf 78°C aufgeheizt und entsprechend das Vakuum reduziert. Die Reaktionsmischung wurde weitere 2 Stunden bei 78°C gehalten, dann wurde Zulauf 3 auf einmal zugegeben und weitere 2 Stunden bei 78°C nachpolymerisiert. Anschließend wurde das Vakuum aufgehoben, der Ansatz mit 500 g deionisiertem Wasser verdünnt und auf Raumtemperatur abgekühlt. Während der gesamten Polymerisation wurden 200 g Wasser abdestilliert.
  • Erhalten wurde eine klare, farblose, viskose Lösung des Polymers IX mit der Zusammensetzung von 50 mol% Acrylamid, 28 mol% Acryloyloxyethyltrimethylammoniumchlorid und 22 mol% Natriumacrylat.
    Feststoffgehalt: 14,1 Gew.-%
    Viskosität: 42 000 mPas (Brookfield, Spindel 7, 50Upm, Raumtemperatur)
    K-Wert 125 (0,1%ige Lösung des Polymers in einer 5%igen wässrigen Kochsalzlösung)
    • Polymer X (nicht erfindungsgemäß) (entspricht Polymer III aus der EP Anmelde Nr. 11170740.2)
  • In einem 2 I 5-Hals-Kolben ausgestattet mit einem Ankerrührer, einem Thermometer, einem absteigenden Kühler und einer Stickstoffeinleitung wurden 400 g deionisiertes Wasser vorgelegt. Weiterhin wurden die folgenden Zuläufe bereitgestellt:
    Zulauf 1: In einem Becherglas wurden die folgenden Komponenten vermischt:
    250 g deionisiertes Wasser
    71,7 g 50 gew.-%ige, wässrige Acrylamidlösung
    130,1 g 80 gew.-%ige, wässrige Lösung von Acryloyloxyethyltrimethylammoniumchlorid
    187,8 g 32 gew.-%ige, wässrige Natriumacrylat-Lösung
    0,2 g 1 gew.-%ige, wässrige Lösung von Diethylentriaminpentaessigsäure Durch die Zugabe von ca. 34 g einer 37%igen Salzsäure wurde der pH auf 4.1 eingestellt
    Zulauf 2: 60,3 g einer 1 gew.-%igen wässrigen Lösung von 2,2'-Azobis(2-amid inopropane)-di hydrochlorid
    Zulauf 3: 16,0 g einer 1 gew.-%igen wässrigen Lösung von 2,2'-Azobis(2-amid inopropane)-di hydrochlorid
  • Die Vorlage wurde auf 63°C erwärmt und der Druck mittels einer Wasserstrahlpumpe so weit abgesenkt, dass das Wasser gerade zu sieden begann. Die Zuläufe 1 und 2 wurden gleichzeitig gestartet, der Zulauf 1 in 2 Stunden und der Zulauf 2 in 3 Stunden bei konstanter Innentemperatur zur Vorlage gegeben. Nach Ende von Zulauf 2 wurde die Reaktion eine weitere Stunde bei 63°C gehalten, anschließend wurde auf 72°C aufgeheizt und entsprechend das Vakuum reduziert. Die Reaktionsmischung wurde weitere 2 Stunden bei 72°C gehalten, dann wurde Zulauf 3 auf einmal zugegeben und weitere 2 Stunden bei 72°C nachpolymerisiert. Anschließend wurde das Vakuum aufgehoben, der Ansatz mit 500 g deionisiertem Wasser verdünnt und auf Raumtemperatur abgekühlt. Während der gesamten Polymerisation wurden 200g Wasser abdestilliert.
  • Erhalten wurde eine klare, farblose, viskose Lösung des Polymers X mit der Zusammensetzung von 30 mol% Acrylamid, 32 mol% Acryloyloxyethyltrimethylammoniumchlorid und 38 mol% Natriumacrylat.
    Feststoffgehalt: 14,8 Gew.-%
    Viskosität: 12 000 mPas (Brookfield, Spindel 7, 50Upm, Raumtemperatur)
    K-Wert 117 (0,1%ige Lösung des Polymers in einer 5 gew.-%igen wässrigen Kochsalzlösung)
  • Prüfung der oben beschriebenen Polymeren I bis X zur Erhöhung der initialen Nassgefügefestigkeit von Papier
  • Um den Blattbildungsprozeß im Labormaßstab zu simulieren, muss die Faserstoffkonzentration des Dünnstoffes in den Beispielen auf 3,5 g/l eingestellt werden.
    • Vorbehandlung der Faserstoffsuspension
  • Gebleichtem Birkensulfat wurde bei einer Faserstoffkonzentration von 4% im Laborpulper stippenfrei aufgeschlagen, bis ein Mahlgrad von 30°SR erreicht war. Dem aufgeschlagenen Stoff wurden anschließend ein optischer Aufheller (Blankophor® PSG) sowie eine vollständig aufgeschlossene kationische Stärke (HiCat® 5163 A) zugegeben und 5 Minuten einwirken gelassen. Der Aufschluss der kationischen Stärke erfolgte zuvor als 10%-ige Stärkeslurry in einem Jet-Kocher bei 130°C und 1 Minute Verweilzeit. Die Dosiermenge des optischen Aufhellers betrug 0,5 Gew.-% Handelsware, bezogen auf den Trockengehalt der Faserstoffsuspension. Die Dosiermenge der kationischen Stärke betrug 0,8 % Stärke (fest), bezogen auf den Trockengehalt der Faserstoffsuspension. Der Faserstoffgehalt der Faserstoffsuspension nach Zugabe von Stärke und optischem Aufheller betrug 3,5 % (35 g/l).
    • Beispiele 1 bis 7
  • Sieben Bechergläser wurden mit jeweils 50g der oben beschriebenen vorbehandelten Faserstoffsuspension befüllt. Zu jedem der Bechergläser dosierte man jeweils 1,75 g einer 1 gew.-%igen wässrigen Lösung eines der oben beschriebenen Polymere I bis VII unter leichtem Rühren der Faserstoffsuspension (entspricht 1% Polymer (fest) auf Faserstoff (fest)). Anschließend wurden die Faserstoffsuspensionen durch Zugabe von Wasser auf eine Faserstoffkonzentration von jeweils 0,35% verdünnt. Danach wurde eine 20 gew.-%ige Carbonat-Pigmentslurry (PCC, Syncarb F474 der Firma Omya) zugesetzt. Die zugegebene Menge der Pigmentsuspension (entspricht Füllstoffsuspension) wurde in mehreren Vorversuchen so eingestellt, dass der Pigmentgehalt in den daran anschließend gebildeten Laborblättern etwa 20% betrug. Die Faserstoffsuspensionen wurde zwei Minuten nach der Pigmentzugabe auf einen Rapid-Köthen-Blattbildner nach ISO 5269/2 zu Blättern einer Flächenmasse von 100 g/qm verarbeitet. Die nassen Blätter wurden anschließend vom Siebrahmen abgenommen und zwischen zwei Saugfilze gelegt. Das Paket bestehend aus Saugfilzen und dem nassen Papier wurde anschließend in einer statischen Presse bei einem Pressendruck von 6 bar gepresst. Es wurde dabei jeweils bis zu einem Feststoffgehalt von 50 Gew.-% der nassen Blätter gepresst.
    • Beispiele 8, 9 und 10 (nicht erfindungsgemäß)
  • Drei Bechergläser wurden mit jeweils 50g der oben beschriebenen vorbehandelten Faserstoffsuspension befüllt. Zu jedem der Bechergläser dosierte man jeweils 1,75 g einer 1 gew.-%ige wässrigen Lösung eines der oben beschriebenen Polymere I - III unter leichtem Rühren der Faserstoffsuspension (entspricht 1% Polymer (fest) auf Faserstoff (fest)). Anschließend wurde die Faserstoffsuspensionen durch Zugabe von Wasser auf eine Faserstoffkonzentration von jeweils 0,35% verdünnt. Danach wurde eine 20 gew.-%ige Carbonat-Pigmentslurry (PCC, Syncarb F474 der Firma Omya) zugesetzt. Die zugegebene Menge der Pigmentsuspension wurde in mehreren Vorversuchen so eingestellt, dass der Pigmentgehalt in den daran anschließend gebildeten Laborblättern etwa 20% betrug. Die Faserstoffsuspensionen wurde zwei Minuten nach der Pigmentzugabe auf einen Rapid-Köthen-Blattbildner nach ISO 5269/2 zu Blättern einer Flächenmasse von 100 g/qm verarbeitet. Die nassen Blätter wurden anschließend vom Siebrahmen abgenommen und zwischen zwei Saugfilze gelegt. Das Paket bestehend aus Saugfilzen und dem nassen Papier wurde anschließend in einer statischen Presse bei einem Pressendruck von 6 bar gepresst. Durch Anpassen der Verweildauer innerhalb der Pressenanordnung wurde dabei jeweils bis zu einem Feststoffgehalt der nassen Blätter gepresst, der Tabelle 1 zu entnehmen ist.
    • Beispiele 11, 12 und 13
  • Drei Bechergläser wurden mit jeweils 50g der oben beschriebenen vorbehandelten Faserstoffsuspension befüllt. Zu jedem der Bechergläser dosierte man jeweils 1,75 g einer 1 gew.-%igen wässrigen Lösung eines der oben beschriebenen Polymere VIII bis X unter leichtem Rühren der Faserstoffsuspension (entspricht 1% Polymer (fest) auf Faserstoff (fest)). Anschließend wurden die Faserstoffsuspensionen durch Zugabe von Wasser auf eine Faserstoffkonzentration von jeweils 0,35% verdünnt. Danach wurde eine 20 gew.-%ige Carbonat-Pigmentslurry (PCC, Syncarb F474 der Firma Omya) zugesetzt. Die zugegebene Menge der Pigmentsuspension (entspricht Füllstoffsuspension) wurde in mehreren Vorversuchen so eingestellt, dass der Pigmentgehalt in den daran anschließend gebildeten Laborblättern etwa 20% betrug. Die Faserstoffsuspensionen wurde zwei Minuten nach der Pigmentzugabe auf einen Rapid-Köthen-Blattbildner nach ISO 5269/2 zu Blättern einer Flächenmasse von 100 g/qm verarbeitet. Die nassen Blätter wurden anschließend vom Siebrahmen abgenommen und zwischen zwei Saugfilze gelegt. Das Paket bestehend aus Saugfilzen und dem nassen Papier wurde anschließend in einer statischen Presse bei einem Pressendruck von 6 bar gepresst. Es wurde dabei jeweils bis zu einem Feststoffgehalt von 50 Gew.-% der nassen Blätter gepresst.
    • Beispiel 14, 15 und 16 (nicht erfindungsgemäß - Dosierung im Dünnstoff)
  • Drei Bechergläser mit 50 g der vorbehandelten Faserstoffsuspension (Dickstoff) wurde durch die Zugabe von 450 g Wasser auf eine Faserstoffkonzentration von 0,35% verdünnt (entspricht 3,5 g/l).
  • Zu je 500 g der verdünnten Faserstoffsuspension (Dünnstoff) wurden jeweils 1,75 g einer 1 gew.-%igen wässrigen Lösung Polymer I, II oder III zugegeben (entspricht 1 Gew.-% Polymer (fest) bezogen auf Faserstoff (fest).
  • Danach wurde jeweils eine 20 gew.-%ige Carbonat-Pigmentslurry (PCC, Syncarb F474 der Firma Omya) der Mischung zugesetzt. Die zugegebene Menge der Pigmentsuspension wurde in mehreren Vorversuchen so eingestellt, dass der Pigmentgehalt in den daran anschließend gebildeten Laborblättern etwa 20% betrug.
  • Die Faserstoffsuspension wurde zwei Minuten nach der Pigmentzugabe auf einen Rapid-Köthen-Blattbildner nach ISO 5269/2 zu Blättern einer Flächenmasse von 100 g/qm verarbeitet. Die nassen Blätter wurden anschließend vom Siebrahmen abgenommen und zwischen zwei Saugfilze gelegt. Das Paket bestehend aus Saugfilzen und dem nassen Papier wurde anschließend in einer statischen Presse bei einem Pressendruck von 6 bar gepresst. Durch Anpassen der Verweisdauer der Papiere innerhalb der Pressenanordnung wurde dabei jeweils bis zu einem Feststoffgehalt von 50 Gew.-% der nassen Blätter gepresst.
    • Beispiele 17, 18 (Referenz)
  • Drei Bechergläser wurden mit jeweils 50g der oben beschriebenen vorbehandelten Faserstoffsuspension befüllt. Anschließend wurden die Faserstoffsuspensionen durch Zugabe von Wasser auf eine Faserstoffkonzentration von jeweils 0,35% verdünnt. Danach wurde eine 20 gew.-%ige Carbonat-Pigmentslurry (PCC, Syncarb F474 der Firma Omya) zugesetzt. Die zugegebene Menge der Pigmentsuspension (entspricht Füllstoffsuspension) wurde in mehreren Vorversuchen so eingestellt, dass der Pigmentgehalt in den daran anschließend gebildeten Laborblättern etwa 20% betrug. Die Faserstoffsuspensionen wurde zwei Minuten nach der Pigmentzugabe auf einen Rapid-Köthen-Blattbildner nach ISO 5269/2 zu Blättern einer Flächenmasse von 100 g/qm verarbeitet. Die nassen Blätter wurden anschließend vom Siebrahmen abgenommen und zwischen zwei Saugfilze gelegt. Das Paket bestehend aus Saugfilzen und dem nassen Papier wurde anschließend in einer statischen Presse bei einem Pressendruck von 6 bar gepresst. Durch Variation der Anpressdauer wurden sowohl Blätter mit verschiedenem Trockengehalt erzeugt (siehe Tabelle 1)
    • Anwendungstechnische Prüfung: Bestimmung der initialen Nassgefügefestigkeit
  • Von der initialen Nassgefügefestigkeit zu unterscheiden sind die Nassfestigkeit und die initiale Nassfestigkeit von Papier, weil beide Eigenschaften an Papieren gemessen werden, die nach dem Trocknen wieder auf einen definierten Wassergehalt angefeuchtet werden. Die initiale Nassfestigkeit ist ein wichtiger Parameter bei der Beurteilung von nicht permanent nassfesten Papieren. Ein getrocknetes und danach wieder angefeuchtetes Papier hat eine ganz andere Nassfestigkeit als ein feuchtes Papier, das direkt nach dem Durchlaufen der Sieb- und Pressenpartie einer Papiermaschine vorliegt.
  • Die Bestimmung der initialen Nassgefügefestigkeit an dem nassen Papier erfolgt jeweils nach dem Voith-Verfahren (vgl. M.Schwarz und K. Bechtel "Initiale Gefügefestigkeit bei der Blattbildung", in Wochenblatt für Papierfabrikation 131, Seiten 950 - 957 (2003) Nr. 16. Dazu wurden die nassen Blätter nach dem Pressen in der statischen Presse auf eine Kunststoffunterlage abgeschlagen und auf eine Schneideunterlage übertragen. Anschließend wurden die Probenstreifen mit einer definierten Länge und breite aus dem Blatt geschnitten. Unter konstantem Druck wurden diese solange gepresst, bis der gewünschte Trockengehalt erreicht war. Für die Untersuchung der nach den oben angegebenen Beispielen erhaltenen Papierblätter wurden jeweils vier Trockengehalte im Bereich zwischen 42% und 58% eingestellt. Aus diesen Werten wurde mit Hilfe eines in der oberen Literaturstelle beschriebenen Anpassungsverfahrens die initiale Nassgefügefestigkeit bei 50% Trockengehalt bestimmt. Die eigentliche Messung der initialen Nassgefügefestigkeit erfolgte an einer vertikalen Zugprüfmaschine mit einer speziellen Klemmeinrichtung. Die in der Zugmaschine bestimmte Kraft wurde in den Flächenmassenunabhängigen sogenannten INF-Index umgerechnet. Für eine genaue Beschreibung der Klemmeinrichtung, des Messablaufs, der Bestimmung des Trockengehaltes im Papier und der Datenverarbeitung kann die oben angegebene Literaturstelle herangezogen werden.
    • Die Ergebnisse der Prüfungen sind in Tabelle 1 wiedergegeben
  • Tabelle 1: Ergebnisse der anwendungstechnischen Prüfung zur Herstellung von Papier mit einem Füllstoffgehalt von 20 Gew.-%. Gemäß der Berechnung des Grenztrockengehaltes G(x) = G(20) ist erfindungsgemäß zu einem Feststoffgehalt von mindestens 50 Gew.-% zu pressen:
    G(20) = 48 + (20 - 15) 0,4 = 50
    Beispiel Polymer INF-Index [Nm/g] Feststoffgehalt bis zu dem gepresst wurde[%]
    1 I 3,9 50,3
    2 II 3,5 50,5
    3 III 3,3 50,2
    4 IV 3,4 50,9
    5 V 3,5 51,2
    6 VI 3,6 50,6
    7 VII 3,2 51,3
    8 nicht erfindungsgemäß I 1,8 48,6
    9 nicht erfindungsgemäß II 1,9 49,1
    10 nicht erfindungsgemäß III 2,1 49,2
    11 nicht erfindungsgemäß VIII 3,3 50,3
    12 nicht erfindungsgemäß IX 3,1 50,5
    13 nicht erfindungsgemäß X 2,9 50,2
    14 (Dosierung im Dünnstoff) nicht erfindungsgemäß I 1,8 50,2
    15 (Dosierung im Dünnstoff) nicht erfindungsgemäß II 1,5 50,0
    16 (Dosierung im Dünnstoff) nicht erfindungsgemäß III 1,7 51,2
    17 Referenz 1,1 48,4
    18 Referenz 1,4 50,6

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung von Papier, Pappe und Karton umfassend das Entwässern eines füllstoffhaltigen Papierstoffes, der wenigstens ein wasserlösliches Polymer enthält, unter Blattbildung in der Siebpartie und anschließendem Pressen des Papiers in der Pressenpartie, wobei man zu einem Papierstoff mit einer Faserstoffkonzentration im Bereich von 20 bis 40 g/l das wenigstens eine wasserlösliche Polymer dosiert, anschließend den Papierstoff auf eine Faserstoffkonzentration im Bereich von 5 bis 15 g/l verdünnt, den verdünnten Papierstoff unter Bildung eines Blattes entwässert und das Blatt in der Pressenpartie auf einen Feststoffgehalt G(x) Gew.-% oder größer presst und sich G(x) berechnet nach G x = 48 + x − 15 ⋅ 0,4
    Figure imgb0006
    wobei x für den Zahlwert des Füllstoffgehalts des trockenen Papiers, Pappe oder Kartons (in Gew.-%) und
    G(x) für den Zahlwert des minimalen Feststoffgehalts (in Gew.-%), auf den das Blatt gepresst wird, steht,
    wobei das wasserlösliche Polymer durch den Hofmannabbau eines Acrylamid- und/oder Methacrylamid-haltigen Polymers und gegebenenfalls einer anschließende Nachvernetzung erhältlich ist,
    mit der Maßgabe, dass bei einem Füllstoffgehalt von 15 Gew.-% oder kleiner in der Presspartie auf mindestens einen Feststoffgehalt von 48 Gew.-% gepresst wird,
    wobei das wasserlösliche Polymer dem Papierstoff mit einer Faserstoffkonzentration im Bereich von 20 bis 40 g/l und vor Zugabe eines Füllstoffs zugesetzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Papierstoff als Faserstoff ausschließlich einen Faserstoff enthält, der einen Mahlgrad von ≤30° SR aufweist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserlösliche Polymer in einer Menge von 0,05 bis 5,00 Gew.-%, bezogen auf Faserstoff, zugesetzt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Acrylamid- und/oder Methacrylamid-haltige Polymers erhältlich ist durch radikalische Polymerisation einer Monomermischung umfassend
    a) Acrylamid und/oder Methacrylamid
    b) gegebenenfalls ein oder mehrere monoethylenisch ungesättigte Monomere, deren korrespondierende Struktureinheit im Polymer unter den Reaktionsbedingungen des Hofmann-Abbaus stabil ist, und/oder Diallyldimethylammoniumchlorid,
    (c) gegebenenfalls einer oder mehrerer Verbindungen mit zwei oder mehr ethylenisch ungesättigten Resten, und deren korrespondierenden Struktureinheiten im Polymer unter den Reaktionsbedingungen des Hofmann-Abbaus stabil sind.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das das Acrylamid- und/oder Methacrylamid-haltige Polymers erhältlich ist durch radikalische Polymerisation einer Monomermischung bestehend aus 50 bis 90 Mol-% Acrylamid und/oder Methacrylamid und 10 bis 50 Mol-% eines oder mehrerer monoethylenisch ungesättigter Monomere, dessen korrespondierende Struktureinheit im Polymer unter den Reaktionsbedingungen des Hofmann-Abbaus stabil ist, und/oder Diallyldimethylammoniumchlorid,
    sowie bis zu 1,0 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Monomere a und b einer oder mehrerer Verbindungen mit zwei oder mehr ethylenisch ungesättigten Resten, deren korrespondierenden Struktureinheiten im Polymer unter den Reaktionsbedingungen des Hofmann-Abbaus stabil sind.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Acrylamid- und/oder Methacrylamid-haltige Polymer erhältlich ist durch radikalische Polymerisation einer Monomermischung bestehend aus: 60 bis 80 Mol-% Acrylamid und/oder Methacrylamid (Monomer a) 20 bis 40 Mol-% Diallyldimethylammoniumchlorid (Monomer b)
    sowie gegebenenfalls 0,001 bis 0,1 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge Monomer a und Monomer b einer oder mehrerer Verbindungen ausgewählt unter Methylenbisacrylamide, Triallylamin, Tetraallylammoniumchlorid, N,N'-Divinylpropylenharnstoff.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das wasserlösliche Polymer erhältlich ist durch den Hofmann-Abbau eines Acrylamid- und/oder Methacrylamid-haltigen Polymers und anschließender Nachvernetzung mit einem Vernetzer ausgewählt unter multifunktionelle Epoxiden, multifunktionelle Carbonsäureester, multifunktionelle Isocyanate, multifunktionelle Acrylsäure- oder Methacrylsäureester, multifunktionelle Acrylsäure- oder Methacrylsäureamide, Epichlorhydrin, multifunktionelle Säurehalogenide, multifunktionelle Nitrile, α, ω-Chlorhydrinether von Oligo- oder Polyethylenoxiden oder von anderen multifunktionellen Alkoholen, Divinylsulfon, Maleinsäureanhydrid oder ω-Halogencarbonsäurechloride, multifunktionelle Halogenalkane und Carbonaten.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung von Papier, Pappe und Karton mit einem Füllstoffgehalt von 17 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass man in der Presspartie auf mindestens einen Feststoffgehalt im Bereich von 49 bis 55 presst.
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