ES2201310T3 - Composicion espesante acuosa y procedimiento para fabricarla. - Google Patents

Composicion espesante acuosa y procedimiento para fabricarla.

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ES2201310T3 ES97934857T ES97934857T ES2201310T3 ES 2201310 T3 ES2201310 T3 ES 2201310T3 ES 97934857 T ES97934857 T ES 97934857T ES 97934857 T ES97934857 T ES 97934857T ES 2201310 T3 ES2201310 T3 ES 2201310T3
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Abstract

LA INVENCION SE REFIERE A UNA COMPOSICION ESPESANTE Y PARA FACILITAR LA RETENCION DE AGUA, LA CUAL CONTIENE: (A) ENTRE APROX. EL 40 Y EL 75 % EN PESO DE UN ACRILATO DE ALQUILO C 1 C 8 ; (B) ENTRE APROX. EL 60 Y EL 25 % EN PESO DE UN ACIDO METACRILICO; Y (C) ENTRE APROX. EL 0,1 Y EL 5 % EN PESO DE UN ACRILATO ALCOXILADO O DE UN MONOMERO DE METACRILATO, QUE CONTIENE AL MENOS TRES FRACCIONES VINILICAS, ESTANDO BASADOS TODOS LOS PESOS EN EL PESO DE LA COMPOSICION.

Description

Composición espesante acuosa y procedimiento para fabricarla.
Campo de la invención
La presente invención se refiere en general a un espesante acuoso y un adyuvante de retención del agua para uso en composiciones para revestimiento del papel.
Antecedentes de la invención
Las composiciones para revestimiento del papel son aplicadas sobre sustratos de papel a fin de mejorar las propiedades ópticas, tales como el brillo, la suavidad, el lustre y la receptividad a la tinta, del papel y cartón recubierto terminado.
Las composiciones para revestimiento se aplican generalmente en forma de suspensiones de agua que contienen un pigmento, es decir, arcilla, carbonato de calcio, talco, dióxido de titanio, óxido de cinc, etc., un aglutinante de látex, un insolubilizador de revestimiento tal como formaldehído de melamina, resinas de glioxal-urea, un lubricante tal como estearato de calcio, un pigmento dispersante tal como poliacrilato, un antiespumante y un adyuvante de retención del agua que actúa como espesante o modificador de las propiedades reológicas.
El adyuvante de retención del agua controla la pérdida de agua en la composición para revestimiento haciendo más lenta la migración de agua hacia el sustrato del papel ocasionada por la presión capilar, la presión mecánica y la presión de vacío durante el proceso de revestimiento. Los materiales para retención del agua también cambian significativamente las propiedades reológicas de la composición para revestimiento, las cuales pueden ser utilizadas para controlar las propiedades de revestimiento relacionadas con la reología, tales como peso del revestimiento, estructura del revestimiento con respecto a la floculación de pigmento y látex y la capacidad de funcionamiento de la máquina.
Los materiales comerciales para retención del agua se pueden agrupar en tres categorías: alginatos, celulósicos y poliacrilatos. Los alginatos son polímeros aniónicos lineales que contienen unidades glucorónicas y manurónicas. Son utilizados generalmente en composiciones para revestimiento del papel para mantener a los pigmentos y aglutinantes en la superficie del sustrato del papel. La composición para revestimiento es aplicada sobre el sustrato del papel a velocidades relativamente bajas y alto contenido de sólidos.
Los celulósicos comprenden carboximetilo, hidroxietilo y celulosa modificada hidrofóbicamente. El rendimiento de los celulósicos depende de la fórmula, pero en general presentan buenas propiedades de retención del agua y funcionan como co-aglutinantes en las composiciones para revestimiento del papel. Los celulósicos vienen en una variedad de grados (peso molecular, grado de carboxilación, etc.) y toleran mejor los iones de calcio que los alginatos. Tienden a formar soluciones estables en un intervalo amplio de pH. La hidroxietil-celulosa se absorbe en arcillas más que la carboximetil-celulosa y, en consecuencia, se necesita de dosis más altas para poder obtener propiedades de retención del agua equivalentes.
Los poliacrilatos consisten típicamente en copolímeros de acilato de etilo y ácido metacrílico y se consideran como emulsiones que se hinchan por álcalis. En general, pueden fabricarse mediante copolimerización de ácido acrílico (metacrílico) con una variedad de otros monómeros. Los poliacrilatos son sensibles al pH y deben ser utilizados a un pH por sobre 8 para espesar la composición para revestimiento del papel. Estas emulsiones hinchadas por álcalis son espesantes eficaces debido a su relativamente alto peso molecular y a su configuración de cadena extendida. Sin embargo, debido a su sensibilidad al pH, su contenido de sal, y a la presencia de iones multi-valentes en la composición para revestimiento del papel, pueden ser difíciles de controlar.
La patente de E.E.U.U 4,397,984 describe una composición para revestimiento del papel que comprende esencialmente un pigmento dividido finamente y un copolímero de emulsión de:
(a) de 30 a 80% en peso de C_{4}-C_{8}-alquilo acrilatos o mezclas de C_{4}-C_{8}-alquilo acrilatos y di(C_{4}-C_{8}-alquilo) maleatos,
(b) de 8 a 30% en peso de ácido acrílico y/o ácido metacrílico,
(c) de 0 a 50% en peso de propionato de vinilo, acetato de vinilo, acrilato de metilo, acrilato de etilo y/o vinil \alpha-ramificado C_{10}-monocarboxilato,
(d) de 0 a 5% en peso de acrilamida, metacrilamida, ácido vinilsulfónico, ácido 2-acrilamido-2-metil-propanosulfónico y/o acrilonitrilo y
(e) de 0 a 3% en peso de monómeros de reticulación en la forma de una dispersión acuosa, como el único aglutinante y espesante.
Resumen de la invención
La presente invención se refiere a una composición de adyuvante de retención del agua / espesante que comprende
(a) de 40 a 75% en peso de acrilato de alquilo C_{1}-C_{8};
(b) de 60 a 25% en peso de ácido metacrílico; y
(c) de 0,1 a 5% en peso de monómero de acrilato o metacrilato que es alcoxilado con de 1 a 100 moles de etileno, propileno y sus mezclas, y que contiene por lo menos tres restos vinilos, estando todos los pesos basados en el peso de la composición.
La presente invención se refiere también a un procedimiento para la fabricación de una composición de adyuvante de retención del agua / espesante como se definió más arriba que comprende las etapas de:
(a) proveer el monómero acrilato de alquilo C_{1}-C_{8};
(b) proveer el monómero de ácido metacrílico;
(c) proveer el monómero de reticulación de acrilato o metacrilato alcoxilado, que es alcoxilado con de 1 a 100 moles de etileno, propileno y sus mezclas, y que contiene por lo menos tres restos vinilos; y
(d) polimerizar los componentes (a)-(c) en una emulsión acuosa.
La presente invención se refiere también a un procedimiento para la modificación de las propiedades reológicas de una composición acuosa que comprende la adición de 0,1 a 5% en peso, basado en el peso total de la composición acuosa, de la composición de adyuvante de retención del agua / espesante mencionada más arriba, a una composición acuosa.
La presente invención también provee una composición para revestimiento del papel que contiene de 0,1 a 5% en peso, de la composición de adyuvante de retención del agua / espesante descrita más arriba, basada en el peso total de la composición del papel. Las realizaciones de preferencia se vuelven evidentes a partir de las reivindicaciones dependientes.
Descripción de la invención
Los materiales espesantes para retención del agua de la presente invención son fabricados mediante polimerización por emulsión de los siguientes comonómeros: acrilato de etilo, ácido metacrílico y triacrilato de trimetilolpropano alcoxilado.
El comonómero acrilato de alquilo C_{1}-C_{8} utilizado en la presente invención puede derivar en cualquier forma conocida tal como, por ejemplo, mediante la reacción de etileno cianohidrina, etil-alcohol y ácido sulfúrico diluido, o la reacción oxo de acetileno, monóxido de carbono y etil-alcohol en presencia de un agente catalizador de níquel o cobalto. En una realización de especial preferencia de la presente invención, el acrilato de alquilo C_{1}-C_{8} es comonómero acrilato de etilo.
Asimismo, el comonómero ácido metacrílico de la presente invención también deriva en una manera conocida tal como por ejemplo, mediante la reacción de acetona cianohidrina con ácido sulfúrico diluido o mediante la oxidación de isobutileno. También debe remarcarse que aunque se prefiere emplear ácido metacrílico como el comonómero ácido de polimerización en la invención, también pueden emplearse mezclas de ácido metacrílico y ácido acrílico en una proporción en peso de por lo menos 9:1, respectivamente, sin apartarse del espíritu de la presente invención.
El agente de reticulación utilizado en la reacción de polimerización por emulsión que comprende los monómeros descritos más arriba es un acrilato alcoxilado o un monómero metacrilato. Los monómeros acrilato o metacrilato de la presente invención se definen como compuestos que contienen por lo menos tres restos vinilos. Los monómeros acrilato o metacrilato son alcoxilados con de 1 a 100 moles de óxido de etileno, óxido de propileno y sus mezclas. Un acrilato alcoxilado de particular preferencia es el trimetilolpropano triacrilato que es un alcoxilado con de 1 a 10 moles de óxido de etileno por mol de trimetilolpropano.
Se cree que debido a la presencia de alcoxilados en los monómeros acrilato o metacrilato que contienen por lo menos tres restos vinilos, se imparten propiedades surfactantes al adyuvante de retención del agua / espesante resultando en una propiedad sinergética de retención del agua / espesante. En consecuencia, el monómero acrilato o metacrilato alcoxilado es añadido a la mezcla del monómero que consiste de un acrilato de alquilo C_{1}-C_{8} y ácido metacrílico para aumentar el peso molecular del polímero después de la polimerización de los monómeros, lo cual mejora la eficacia espesante del polímero en un sistema acuoso. Además, el componente alcóxido del monómero acrilato o metacrilato, que se encuentra reticulado en la mezcla del polímero durante la polimerización por emulsión, imparte propiedades surfactantes al polímero, aumentando así aún más sinergéticamente las propiedades espesantes del polímero en sistemas acuosos de forma inesperada. Por lo tanto, es de suma importancia de acuerdo con la enseñanza de la presente invención que los monómeros acrilato o metacrilato contengan cierto grado de alcoxilación.
En una realización de la presente invención, se provee así de una composición de adyuvante de retención del agua / espesante para uso en sistemas acuosos, en la que la composición contiene de 40 a 75% en peso, y preferentemente de 65 a 55% en peso de un acrilato de alquilo C_{1}-C_{8}, preferentemente etilo acrilato, de 60 a 25% en peso, y preferentemente de 35 a 45% en peso de ácido metacrílico y de 0,1 a 5% en peso, y preferentemente de 0,1 a 1,0% en peso de un monómero de acrilato o metacrilato alcoxilado, basados en la suma del alquilo acrilato y el ácido metacrílico, preferentemente un trimetilolpropano triacrilato que contiene de 1 a 100 moles de óxido de etileno, óxido de propileno o sus mezclas, y preferentemente de 10 a 20 moles de óxido de etileno, por mol de trimetilolpropano, estando todos los pesos basados en el peso de la composición. La composición del adyuvante de retención del agua / espesante descrita más arriba puede ser utilizada para espesar distintos tipos de sistemas acuosos que requieren de espesamiento, y en especial, los sistemas acuosos que contienen álcalis. Uno de dichos sistemas acuosos que contienen álcalis es la composición para revestimiento del papel.
Los constituyentes específicos que comprende la composición para revestimiento del papel son bien conocidos en la técnica. Los componentes básicos incluyen un pigmento, un aglutinante de látex, un insolubilizador de revestimiento, un lubricante y un dispersante. Las proporciones exactas de cada componente empleado son bien conocidas y por lo tanto, no necesitan ser analizadas en detalle en el presente documento. El adyuvante de retención del agua / espesante de la presente invención es añadido a la composición para revestimiento del papel para controlar la cantidad de agua perdida por la composición para revestimiento durante el proceso de revestimiento del papel.
Por lo tanto, de acuerdo con otro aspecto de la presente invención se provee una composición para revestimiento del papel que contiene de 0,1 a 5, y preferentemente de 0,1 a 2% en peso, de la composición de adyuvante de retención del agua / espesante de la presente invención, basada en el peso total de la composición para revestimiento del papel.
La presente invención también provee un procedimiento para espesar una composición acuosa, en especial una composición para revestimiento del papel que contiene álcalis. El procedimiento comprende la adición a la composición acuosa de 0,1 a 5, y preferentemente de 0,1 a 2% en peso, de la composición de adyuvante de retención del agua / espesante de la presente invención, basada en el peso total de la composición para revestimiento del papel.
De acuerdo con aún otro aspecto de la presente invención, también se provee un procedimiento para la fabricación de un adyuvante de retención del agua / espesante. De acuerdo con este aspecto de la invención, un C_{1}-C_{8} monómero alquilo acrilato, preferentemente etilo acrilato, un monómero ácido metacrílico, y un monómero de reticulación de poliacrilato alcoxilado son combinados en una emulsión acuosa en un coeficiente en peso de desde 65:35:0,1 a 55:45:5, respectivamente. A esta emulsión acuosa que contiene los componentes descritos más arriba, también se le agrega un emulsificador y un iniciador de polimerización. Los ejemplos de emulsificadores adecuados comprenden, por ejemplo, las sales metales bases y las sales de amonio del ácido n-dodecilsulfónico y ácido dodecilbencenosulfónico y las sales correspondientes a las semi-ésteres del ácido sulfúrico de alcoholes de cadena larga que tienen un número par de átomos de carbono. Los ejemplos de iniciadores de polimerización adecuados comprenden, por ejemplo, compuestos convencionales de formación de radicales libres tales como peróxidos, persulfatos, hidroperóxidos y compuestos "azo", por ejemplo el persulfato de potasio, hidroperóxido de cumeno y peróxido de hidrógeno. La temperatura de polimerización se encuentra dentro del intervalo de desde 75 a 100ºC. La presente invención podrá comprenderse mejor a partir de los siguientes ejemplos a continuación, todos los cuales pretenden ser solamente ilustrativos.
A menos que se indique lo contrario, los porcentajes están sobre la base de peso en peso.
Ejemplo 1
En un frasco de reacción de fondo redondeado de 0,5 litros equipado con un termómetro, un condensador, un agitador, una toma de nitrógeno y varias otras tomas de entrada, se cargaron 106,1 gramos de nonilfenol etoxilado al 2,32% (9 moles EO) fosfato éster (RHODAFAC® RE-610, Rhone-Poulenc) neutralizado con hidróxido de sodio acuoso a un pH 6,0. Se comenzó un barrido de nitrógeno y se calentaron los contenidos del frasco de reacción a 85ºC. Se cargó una jeringa de 60 ml unida a la bomba de micro aplicación, con 30 gramos de una solución de persulfato de amonio al 1,25% (alimento de iniciación). En un frasco de adición por goteo de 500 ml se cargó una dispersión de monómero hecha mediante la mezcla de una solución de monómero que comprende 71,9 gramos de etilo acrilato, 48,0 gramos de ácido metacrílico, y 0,6 gramos de trimetilolpropano etoxilato (12 moles EO) triacrilato (PHOTOMER® 1201ºC, Henkel Corp.) y 106,1 gramos de nolilfenol etoxilato al 2,32% (9 moles EO) fosfato éster (RHODAFAC® RE-610, Rhone-Poulenc) neutralizado con hidróxido de sodio acuoso a un pH de 6,0 (alimento de monómero). Después de alcanzar los 85ºC, se agregaron rápidamente al reactor 9,8 gramos del alimento de iniciación seguidos de 13,3 gramos del alimento de monómero. El calentamiento fue continuado a 85ºC durante 15 minutos luego de lo cual, el alimento de monómero restante y los 9,8 gramos del alimento de iniciación fueron aplicados al reactor en 60 minutos a 85ºC (temperatura 1). Al finalizar la alimentación de monómero y los 9,8 gramos del alimento de iniciación, se aumentó la temperatura a 90ºC (temperatura 2) y se agregó la solución de iniciación restante (10,8 gramos). Se mantuvieron los contenidos del reactor durante 60 minutos adicionales a 90ºC luego de terminada la alimentación del iniciador, antes del enfriamiento a 25ºC y descarga de la emulsión. La emulsión resultante fue de color blanco lechoso con algo de azulado con una viscosidad Brookfield de 12 mPa\cdots (cps) (eje nº 2 a 60 rpm a 25ºC), sólidos de 30,7%, un pH de 3,0, y una viscosidad de la solución de polímero al 2.5% alcalina (pH 8,5) de 1.070 mPa\cdots (cps) (eje nº 2 a 60 rpm a 25ºC).
Ejemplos 2-9
Se llevaron a cabo experimentos diseñados estadísticamente usando el procedimiento descrito en el Ejemplo 1. La Tabla 1 lista los parámetros (concentración de iniciador, concentración y temperatura del agente de reticulación) que variaron para cada uno de los 8 experimentos. Las emulsiones resultantes fueron de color blanco lechoso con algo de azulado con una viscosidad Brookfield menor que 2 mPa\cdots (cps) (eje nº 2 a 60 rpm a 25ºC), y un pH 3,0. Las viscosidades de solución de polímero al 2,5% a un pH de 8,6 fueron medidas con un viscómetro Brookfield a 25ºC.
TABLA 1 Variables de los experimentos diseñados estadísticamente
Experimento Nº Iniciador sobre Agente de Temp 1 (ºC) Temp 2 (ºC) Sólidos (%) Viscosidad
peso total del Reticulación (mPa\cdots)
monómero (%) (g) [(cps)]
1 0,32 0,5 85 90 30,7 1070
2 0,16 0,3 75 80 29,1 6000
3 0,16 0,3 90 95 29,9 4600
4 0,16 1,2 75 80 29,6 4000
5 0,63 1,2 90 95 27,6 1840
6 0,63 0,3 75 80 29,5 860
7 0,63 0,3 90 95 29,1 630
8 0,63 1,2 75 80 28,1 11200
9 0,63 1,2 90 95 29,4 3300
Ejemplo comparativo 1
Se repitió el Ejemplo 1 sin agente de reticulación, trimetilolpropano etoxilato (12 moles EO) triacrilato. La emulsión resultante fue de color blanco lechoso con algo de azulado con una viscosidad Brookfield menor que 20 mPa\cdots (cps) (eje nº 2 a 60 rpm a 25ºC), sólidos de 30,2%, un pH de 3,0, y una viscosidad de la solución de polímero al 2,5% alcalina (pH 8,5) de 76 mPa\cdots (cps) (eje nº 3 a 60 rpm a 25ºC).
Ejemplo comparativo 2
Se repitió el Ejemplo 1 usando 0,2 g de trimetilolpropano triacrilato en lugar de trimetilolpropano etoxilato (12 moles EO) triacrilato. La emulsión resultante fue de color blanco lechoso con algo de azulado con una viscosidad Brookfield de 20 mPa\cdots (cps) (eje nº 2 a 60 rpm a 25ºC), sólidos de 30,0%, un pH de 3,0, y una viscosidad de la solución de polímero al 2,5% alcalina (pH 8,5) de 440 mPa\cdots (cps) (eje nº 3 a 60 rpm a 25ºC).
Ejemplo comparativo 3
Se repitió el Ejemplo 1 usando 0,16 g de etilen-glicol dimetoxilato en lugar de trimetilolpropano etoxilato (12 moles EO) triacrilato (Photomer 1201-E, Henkel Corp.). La emulsión resultante fue de color blanco lechoso con algo de azulado con una viscosidad Brookfield de 20 mPa\cdots (cps) (eje nº 2 a 60 rpm a 25ºC), sólidos de 30,0%, un pH de 3,0, y una viscosidad de la solución de polímero al 2.5% alcalino (pH 8,5) de 110 mPa\cdots (cps) (eje nº 3 a 60 rpm a 25ºC). La Tabla 2 muestra la comparación de los datos de retención de agua de emulsiones (con y sin agente de reticulación) con blanco (color de revestimiento de rotograbado 12pts SBR Látex). El blanco representa una composición para revestimiento acuosa que no contiene ningún espesante. Los datos de retención de agua fueron obtenidos mediante el uso de un Medidor de Retención del Agua AA-GWR disponible de Kaltec Scientific Industries. Este aparato mide la cantidad de agua que escurre de una composición bajo una presión de 103,4 kPa (15 psi) a intervalos de 120 segundos. Los datos de viscosidad representan una viscosidad Brookfield a 100 rpm a 25ºC.
TABLA 2 Datos de retención de agua
Muestra Conc. (% sólidos) AA-GWR (g/m^{2}) Viscosidad (mPa\cdots)
[(cps)]
blanco - - 222,0 100
Ejemplo 1 0,2 130 1576
Ejemplo Comparativo 1 0,2 131 584
Como se puede observar a partir de los datos obtenidos en la Tabla 2 más arriba, el uso de cantidades iguales de adyuvante de retención del agua / espesante del Ejemplo 1 y el espesante del Ejemplo Comparativo 1 produce inesperadamente cantidades similares de propiedades de retención de agua y aún, aumenta significativamente las propiedades de viscosidad.

Claims (12)

1. Una composición de adyuvante de retención del agua / espesante que comprende
(a) de 40 a 75% en peso de acrilato de alquilo C_{1}-C_{8};
(b) de 60 a 25% en peso de ácido metacrílico; y
(c) de 0,1 a 5% en peso de monómero de acrilato o metacrilato que es alcoxilado con de 1 a 100 moles de etileno, propileno y sus mezclas, y que contiene por lo menos tres restos vinilos, estando todos los pesos basados en el peso de la composición.
2. La composición de la reivindicación 1, en la que el acrilato de alquilo C_{1}-C_{8} es acrilato de etilo.
3. La composición de la reivindicación 1, en la que el monómero acrilato o metacrilato alcoxilado contiene de 1 a 100 moles de un alcóxido seleccionado del grupo que consiste en óxido de etileno, óxido de propileno y sus mezclas.
4. La composición de la reivindicación 3, en la que el monómero acrilato o metacrilato alcoxilado contiene de 10 a 20 moles de óxido de etileno.
5. La composición de la reivindicación 1, en la que el monómero acrilato o metacrilato alcoxilado es trimetilolpropano triacrilato alcoxilato.
6. La composición de la reivindicación 5, en la que el trimetilolpropano triacrilato alcoxilato contiene de 10 a 20 moles de óxido de etileno.
7. Una composición acuosa que comprende de 0,1 a 5% en peso, basado en el peso total de la composición acuosa, de la composición de adyuvante de retención del agua / espesante como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, estando los pesos de los componentes (a)-(c) basados en el peso de la composición de adyuvante de retención del agua / espesante.
8. La composición de la reivindicación 7, en la que la composición acuosa es una composición para revestimiento del papel.
9. Un procedimiento para la fabricación de una composición de adyuvante de retención del agua / espesante como se definió en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, procedimiento que comprende las etapas de:
(a) proveer un monómero de acrilato de alquilo C_{1}-C_{8},
(b) proveer un monómero de ácido metacrílico,
(c) proveer un monómero reticulante de acrilato o metacrilato alcoxilado, que es alcoxilado con de 1 a 100 moles de etileno, propileno y sus mezclas, y que contiene por lo menos tres restos vinilo; y
(d) polimerizar los componentes (a)-(c) en una emulsión acuosa.
10. El procedimiento de la reivindicación 9, en el que se lleva a cabo la etapa (d) a una temperatura que varía de 75 a 100ºC.
11. Un procedimiento para modificar las propiedades reológicas de una composición acuosa que contiene álcalis, que comprende añadir a la composición acuosa que contiene álcalis de 0,1 a 5% en peso, basado en el peso total de la composición acuosa, de la composición de adyuvante de retención del agua / espesante como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, estando los pesos de los componentes (a)-(c) basados en el peso de la composición de adyuvante de retención del agua / espesante.
12. El procedimiento de la reivindicación 11, en el que la composición acuosa que contiene álcalis es una composición para revestimiento del papel.
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