ES2295147T3 - Composicion acuosa de poliaminoamida y tensioactivo para la fabricacion del papel. - Google Patents

Composicion acuosa de poliaminoamida y tensioactivo para la fabricacion del papel. Download PDF

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Bruce W. Sands
Randy D. Baillif
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Abstract

Una dispersión acuosa que comprende una o más poliaminoamidas, donde la poliaminoamida tiene la fórmula en la que R2 es a cadena lateral de hidrocarburo de un ácido graso saturado o insaturado; R3, R4 y R5 se seleccionan independientemente cada vez que aparecen entre H y R2C(O)- y n es 2, 3, 4 ó 5, con la condición de que al menos uno de R3, R4 y R5 sea H y al menos uno de R3, R4 y R5 sea R2C(O)-, uno o más tensioactivos y agua, donde la dispersión tiene un pH de 5 a 8 y las poliaminoamidas se preparan haciendo reaccionar uno o más ácidos grasos con una o más poliaminas de fórmula en la que R1 es alquileno C2-C4 y n es 2, 3, 4 ó 5.

Description

Composición acuosa de poliaminoamida y tensioactivo para la fabricación del papel.
Campo técnico
Esta invención se refiere a composiciones para su uso en la fabricación del papel y a métodos para usar las composiciones en un proceso de fabricación de papel para producir papel que tenga propiedades ópticas y dimensionales potenciadas.
Antecedentes de la invención
El proceso de fabricación del papel es un proceso dinámico en el que se introduce un amplio intervalo de aditivos a una pasta de pulpa para producir una hoja con propiedades físicas deseadas. Cada aditivo se selecciona para conferir una propiedad deseada a la hoja de papel, como resultado de las propias propiedades físicas de los aditivos, o la interacción de los aditivos con otros componentes de la pasta para producir una propiedad deseada. Por ejemplo, las propiedades ópticas de la hoja de brillo (reflexión de la luz incidente en la superficie de la hoja) y opacidad (refracción y/o difusión de la luz incidente) y son características importantes que pueden determinar el valor en el mercado de la hoja.
El uso de pigmentos inorgánicos y/o cargas es bien conocido en la técnica. Específicamente, a veces el fabricante de papel usa dióxido de titanio en polvo para conseguir propiedades ópticas de la hoja. Aunque el dióxido de titanio proporciona la propiedad útil que potencia la opacidad y brillo de la hoja, su uso a menudo está limitado por su elevado coste y dificultad de manipulación, introducción, y retención en la pasta de pulpa.
Además, también se ha usado arcilla caolín como pigmento/carga alternativo en la fabricación del papel para mejorar las propiedades de la hoja. La arcilla caolín calcinada típicamente se suspende en una dispersión acuosa mediante agitación continua antes de su introducción en la pasta de pulpa. Sin dispersión apropiada de las partículas de caolín usando técnicas tanto mecánicas como químicas de estabilización de la dispersión, las partículas se someten a rápida aglomeración y sedimentación provocando propiedades no uniformes de la hoja de papel y defectos de la hoja.
Además, los pigmentos inorgánicos y cargas mencionados anteriormente son difíciles de retener en la hoja de papel en formación. Grandes gradientes de densidad entre las fibras de pulpa y los minerales inorgánicos tales como dióxido de titanio y arcillas a menudo conducen a migración gravitatoria de estos minerales desde la red en formación durante el proceso de desecado de la hoja de papel en formación. Los minerales no retenidos viajan desde la hoja durante el desecado, a veces depositándose en el tejido de alambre de la máquina de papel, causando un periodo de inactividad significativo de la máquina de papel. Pueden añadirse polímeros cargados habitualmente conocidos como coagulantes y/o floculantes para mejorar la retención de estos minerales en la hoja en formación, pero dicha práctica aumenta la complejidad y gastos del proceso de fabricación de papel. De forma más ideal, la composición que confiere la propiedad pretendida de la hoja debe auto-retenerse en la hoja en formación. Además, la composición ideal sería de una densidad más similar a la de la pasta de fibras suspendida por lo que se reduce el efecto de la migración selectiva del aditivo funcional de la propiedad de la hoja durante el proceso de desecado de la hoja y provoca un perfil de propiedad de la hoja de papel más uniforme a través del eje normal al de la dirección de la máquina de
papel.
La Patente de Estados Unidos Nº 2.772.969 describe un método para la producción de papel encolado poniendo en contacto fibras celulósicas con agentes encolantes hidrófilos, coloidales, catiónicos que comprenden productos de reacción de ácido graso de cadena larga-polialquilamina que muestran elevada eficacia de encolado y la capacidad de producir fibras celulósicas encoladas en condiciones neutras y alcalinas.
Se describen métodos para potenciar el brillo, opacidad y encolado usando una composición que comprende la amida de mono- y di-ácido graso de aminoetiletanolamina y un tensioactivo en las Patentes de Estados Unidos Nº 5.292.363, 5.296.024 y 5.393.334. Estas composiciones, aunque son eficaces, no lo son tanto como las dispersiones acuosas descritas en este documento.
Sumario de la invención
En su aspecto principal, esta invención se refiere a una dispersión acuosa que comprende una o más poliaminoamidas, donde la poliaminoamida tiene la fórmula
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en la que R_{2} es la cadena lateral de hidrocarburo de un ácido graso saturado o insaturado; R_{3}, R_{4} y R_{5} se seleccionan independientemente cada vez que aparecen entre H y R_{2}C(O)- y n es 2, 3, 4 ó 5, con la condición de que al menos uno de R_{3}, R_{4} y R_{5} sea H y al menos uno de R_{3}, R_{4} y R_{5} sea R_{2}C(O)-, uno o más tensioactivos y agua, donde la dispersión tiene un pH de 5 a 8 y las poliaminoamidas se preparan haciendo reaccionar uno más ácidos grasoso con una o más poliaminas de fórmula
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en la que R_{1} es alquileno C_{2}-C_{4} y n es 2, 3, 4 ó 5.
Añadir la dispersión acuosa de esta invención a la pasta de pulpa durante la fabricación del papel provoca una dispersión uniforme de la composición en dicho papel y una opacidad y brillo de la hoja mejorados. Hay una regresión mínima de las propiedades mecánicas de la hoja tales como la resistencia a tracción y cizalla de la hoja, y esta invención requiere una dosificación menor que los aditivos orgánicos actuales de potenciación de la hoja, por ejemplo la composición descrita en la Patente de Estados Unidos Nº 5.296.024.
Por consiguiente, en otro aspecto, esta invención se refiere a un método para aumentar la opacidad, masa o brillo de una hoja de papel que comprende
a) añadir a una pasta de pulpa de fibras de celulosa una dispersión acuosa que comprende una o más poliaminoamidas, uno o más tensioactivos y agua,
donde la dispersión tiene un pH de 5 a 8 y las poliaminoamidas tienen la fórmula
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en la que R_{2} es la cadena lateral de hidrocarburo de un ácido graso saturado o insaturado; R_{3}, R_{4} y R_{5} se seleccionan independientemente cada vez que aparecen entre H y R_{2}C(O)- y n es 2, 3, 4 ó 5, con la condición de que al menos uno de R_{3}, R_{4} y R_{5} sea H y al menos uno de R_{3}, R_{4} y R_{5} sea R_{2}C(O)-, y las poliaminoamidas se preparan haciendo reaccionar uno o más ácidos grasos con una o más poliaminas de fórmula
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en la que R_{1} es alquileno C_{2}-C_{4} y n es 2, 3, 4 ó 5; y
b) formar la pasta en la hoja de papel.
Descripción detallada de la invención Definiciones de Términos
"Poliamina" significa un compuesto de fórmula
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en la que R_{1} es un radical hidrocarburo saturado de cadena lineal o ramificada divalente de dos a aproximadamente cuatro átomos de carbono y n es 2, 3, 4 ó 5. Las poliaminas preferidas son aquellas en las que R_{1} es etileno, es decir, dietilenotriamina, trietilenotetramina, tetraetilenopentamina y pentaetilenohexamina. La trietilenotetramina es más preferida.
"Ácido graso" significa un compuesto de fórmula
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en la que R_{2} es la cadena lateral de hidrocarburo de un ácido graso saturado o insaturado. Preferiblemente, R_{2} es un hidrocarburo de cadena lineal de 13 a 22 átomos de carbono. R_{2} puede contener uno o más dobles enlaces. Los ácidos grasos preferidos incluyen ácido behénico, ácido esteárico, ácido mirístico y ácido oleico. El ácido esteárico es más preferido.
"Poliaminoamida" significa un compuesto de fórmula
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en la que R_{3}, R_{4} y R_{5} se seleccionan independientemente cada vez que aparecen entre H y R_{2}C(O)- y n es 2, 3, 4 ó 5, con la condición de que al menos uno de R_{3}, R_{4} y R_{5} sea H y al menos uno de R_{3}, R_{4} y R_{5} sea R_{2}C(O)-. En un aspecto más preferido, al menos dos de R_{3}, R_{4} y R_{5} son H y al menos uno de R_{3}, R_{4} y R_{5} es R_{2}C(O)-.
"Brillo" significa el valor numérico de la reflexión de luz azul de pulpa, papel y cartón blanco, casi blanco y de color natural. Cuanto mayor es la reflexión de la luz azul, generalmente los productos parecerán más blancos. Se describen métodos y aparatos convencionales para medir el brillo en el método de ensayo oficial Tappi T 452 om-98.
"Opacidad" significa el grado al que una única hoja de papel blanco o casi blanco esconde materia impresa en las hojas subyacentes de papel similar. Se describen métodos y aparatos convencionales para medir el brillo en el método de ensato oficial Tappi T 519 om-91.
"Masa" significa el volumen específico de la hoja de papel expresado como cm^{3}/g y se determina usando el método de ensayo oficial Tappi T 220 om-88.
Realizaciones Preferidas
La poliaminoamida se prepara haciendo reaccionar la poliamina y el ácido graso a elevada temperatura, preferiblemente de 149ºC (300ºF) a 177ºC (350ºF) hasta que cese la evolución de agua. El material de partida de poliamina pude ser una única poliamina o una mezcla de poliaminas. Asimismo, el ácido graso también puede ser un único compuesto o una mezcla de ácido grasos. La poliaminoamida resultante es una amida catiónica hidrófoba con una estructura molecular diseñada que tiene superiores propiedades dimensionales moleculares. La poliaminoamida típicamente es un sólido amorfo o cera.
La dispersión acuosa de esta invención se prepara fundiendo la poliaminoamida, generalmente a una temperatura de 93ºC (200ºF) a 177ºC (250ºF) y después añadiendo lentamente uno o más tensioactivos con agitación. Después se retira el calor y se añade agua caliente para conseguir la concentración deseada. El pH de la dispersión después se ajusta a aproximadamente 5-8, preferiblemente a 6-7 con un ácido prótico, preferiblemente ácido acético. La dispersión acuosa resultante contiene del 5 por ciento en peso al 25 por ciento en peso, preferiblemente del 10 por ciento en peso al 20 por ciento en peso de poliaminoamida.
El tensioactivo o tensioactivos se añaden para reducir la tensión superficial de la composición para asegurar una dispersión adecuada de la poliaminoamida. Los tensioactivos adecuados para preparar la dispersión acuosa de esta invención contienen polioxietileno como el grupo polar y tienen un HLB de 11 a 16. Si se usa una mezcla de tensioactivos, los tensioactivos se seleccionan de modo que la mezcla tenga un HLB de 11 a 16. Los tensioactivos representativos incluyen etoxilatos de nonilfenol y dodecilfenol, etoxilatos de amina de sebo (TAM), aceite de ricino etoxilado, estearatos etoxilados, talatos y oleatos, etoxilatos de alcohol primario C_{9}-C_{11}, tridecil alcoholes etoxilados, alcoholes alifáticos primarios y secundarios etoxilados, alquilatos de sorbitán etoxilados, y similares. Los tensioactivos o mezclas de tensioactivos preferidos tienen un HLB de aproximadamente 14. El etoxilato de amina de sebo es más preferido.
En un aspecto preferido de esta invención, la poliaminoamida tiene la fórmula
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en la que R_{2} es la cadena lateral de hidrocarburo de un ácido graso saturado o insaturado; R_{3}, R_{4} y R_{5} se seleccionan independientemente cada vez que aparecen entre H y R_{2}C(O)- y n es 2, 3, 4 ó 5, con la condición de que al menos uno de R_{3}, R_{4} y R_{5} sea H y al menos uno de R_{3}, R_{4} y R_{5} sea R_{2}C(O)-.
En otro aspecto preferido, al menos dos de R_{3}, R_{4} y R_{5} son H y al menos uno de R_{3}, R_{4} y R_{5} es R_{2}C(O)-.
En otro aspecto preferido, la poliaminoamida se prepara haciendo reaccionar dos equivalentes molares de los ácidos grasos con un equivalente molar de las poliaminas.
En otro aspecto preferido, las poliaminas se seleccionan entre dietilenotriamina, trietilenotetramina, tetraetilenopentamina y pentaetilenohexamina.
En otro aspecto preferido, el ácido graso se selecciona entre ácido behénico, ácido esteárico, ácido mirístico y ácido oleico.
En otro aspecto preferido, la poliamina es trietilenotetramina y el ácido graso es ácido esteárico.
En otro aspecto preferido, la dispersión acuosa tiene un pH de 6 a 7.
En otro aspecto preferido, los tensioactivos contienen un grupo polioxietileno como el grupo polar y tienen un HLB de 11 a 16.
En otro aspecto preferido, los tensioactivos tienen un HLB de 14.
En otro aspecto preferido, el tensioactivo es etoxilato de amina de sebo.
Las propiedades dimensionales de la composición resultante muestran propiedades de contacto potenciadas cuando se añaden a una pasta de pulpa durante el profeso de fabricación del papel. El papel resultante muestra las propiedades de hoja potenciadas de brillo, opacidad, y masa de hoja.
La pasta de pulpa es una pasta de fibras de celulosa obtenidas de tratamientos químicos, mecánicos o quimico-mecánicos de sustancias que contienen fibras de celulosa tales como la madera. Esta pasta también puede contener papel reciclado o productos de cartón. La dispersión acuosa se añade después de que las fibras de celulosa se hayan tratado suficientemente para dejarlas preparadas para el proceso de fabricación del papel. Por ejemplo, después de que se hayan blanqueado para retirar las ligninas y se hayan destintado si se está usando pulpa de papel reciclado. En general, la dispersión acuosa se añadirá a una masa gruesa (2-4% p/p) de la pasta de pulpa antes de la dilución con agua de la máquina de papel reciclado o la adición de cargas inorgánicas.
La dispersión acuosa se añade a la pasta de pulpa en una cantidad de 0,045 (0,10) a 4,5 (10,0) kg activos/tonelada métrica (libras/tonelada), preferiblemente de 0,136 (0,3) a 2,72 (6,0) kg activos/tonelada métrica (libras/tonelada). El punto de adición preferido es al cuerpo de la máquina, antes de la dilución de la masa gruesa con agua de blanquear, donde hay un tiempo de contacto con los componentes de la pasta de papel de al menos aproximadamente 10 minutos antes de que se diluya el sistema.
La dispersión acuosa de la invención puede usarse junto con cargas inorgánicas convencionales, colorantes y programas auxiliares de retención. La dispersión se añade preferiblemente a la pasta de pulpa antes de la adición de cualquier aditivo de fabricación de papel adicional.
En un aspecto preferido, la dispersión acuosa se usa junto con uno o más auxiliares de retención y drenaje. La selección del programa de retención y drenaje dependerá del tipo de pasta de papel que se esté tratando. En general, cada pasta de papel individual es hasta cierto punto única y el tipo y cantidad de auxiliar de retención/drenaje necesario se optimizará por ensayos de laboratorio. Por ejemplo, el molino puede hacerse funcionar en condiciones ácidas o alcalinas que controlarán qué cargas inorgánicas se usan. Generalmente se usa arcilla en sistemas ácidos mientras que se prefiere carbonato cálcico en sistemas alcalinos. A menudo se añadirá dióxido de titanio a cada tipo de sistema.
Los programas de retención y drenaje representativos usados por los entendidos en la fabricación del papel pueden contener coagulantes catiónicos tales como el producto de reacción de epiclorhidrina con dimetilamina con o sin amoniaco añadido, condensados de amoniaco - dicloroetano, poli(etilenoimina), poli(cloruro de dialildimetilamonio) u otros productos catiónicos adecuadamente preparados. También pueden usarse coagulantes inorgánicos tales como alumbre o poli(cloruro de aluminio) por separado o junto con los coagulantes catiónicos orgánicos anteriores. Frecuentemente, también se añade almidón catiónico a la pasta de papel y funcionará como un coagulante catiónico.
Los floculantes catiónicos que pueden usarse habitualmente se seleccionan entre copolímeros de acrilamida con dimetilaminoetilacrilato o dimetilaminoetilmetacrilato que se han cuaternizado con cloruro de metilo. También se usan copolímeros de acrilamida con cloruro de dialildimetilamonio.
Los floculantes aniónicos que pueden usarse puede seleccionarse entre copolímeros de acrilamida con ácido acrílico (sal sódica) y ácido acrilamidometilpropano sulfónico (sal sódica).
El programa de retención y drenaje también puede usar una partícula coloidal aniónica tal como sílice, bentonita o polímeros de acrilamida - ácido acrílico reticulados.
Lo anterior puede entenderse mejor por los siguientes Ejemplos, que se presentan para ilustración y no se pretende que limiten el alcance de la invención.
Ejemplo 1
Un poliaminoamida representativa se prepara del siguiente modo:
Se mezcla ácido esteárico (79,17 gramos, Industrene B - una calidad industrial que es una mezcla de ácidos esteárico y palmítico) con 20,83 gramos de trietilenotetramina (TETA) y se calienta a 149ºC (300ºF). Se inicia un lento rociado de nitrógeno con mezcla y la mezcla de reacción se calienta a 177ºC (350ºF) y se mantiene durante cuatro horas. La mezcla de reacción después se enfría. El producto es la diestearamida de trietilenotetramina como se determina por RMN.
Ejemplo 2
Una dispersión acuosa representativa de acuerdo con esta invención se prepara del siguiente modo:
La diestearamida del Ejemplo 1 (110 g) se calienta a 110ºC-121ºC (230 - 250ºF) y se añade un agente dispersante de etoxilato de amina de sebo (TAM-15,5 g) con mezcla. El calor se retira y se añaden lentamente 880 gramos de agua caliente con mezcla. Después de completarse la adición de agua, se inicia la refrigeración y se añaden 5 gramos de ácido acético para ajustar el pH a 6 - 7. La dispersión acuosa resultante contiene un 11% en peso de la diestearamida de trietilenotetramina.
Ejemplo 3
La eficacia de las dispersiones acuosas de esta invención se determina usando una pasta de papel ácida convencional preparado con y sin arcilla añadida (caolín Nº 2 medio Georgia brillo elevado). Se preparan hojas de ensayo (usando un British Sheet Mold) a niveles variados de la dispersión acuosa y se comparan con hojas de ensayo preparadas sin la dispersión acuosa.
La fuente de fibras de las hojas es una mezcla del 80/20% p/p de papel kraft de madera noble/madera tierna que se vuelve a reducir a pulpa a partir de planchas secas y se golpea a una drenabilidad de 350 - 370 CSF. Esta pasta de papel de fibras después se diluye a una concentración del 0,5% en peso con agua corriente y se ajusta a pH 5,0 con ácido acético diluido. También se prepara una pasta de arcilla, al 0,5% en peso de concentración. Después se fabrican las hojas de ensayo con un gramaje de 65 gramos/metro cuadrado que contienen niveles variados del modificador orgánico y arcilla. Esto se hace retirando un volumen dado del 0,5% de fibras y sustituyendo con el mismo volumen del 0,5% de arcilla.
La dispersión acuosa de esta invención se añade a la pasta de papel apropiada con agitación 15 minutos antes de la formación de hojas y se añade un programa de retención de alumbre, almidón catiónico y un floculante catiónico 1 minuto antes de la formación de hojas. Las hojas de ensayo se prensan y se secan en condiciones Tappi convencionales, T 205 om-88. Rutinariamente, se fabrican 7 hojas en cada condición y se toman los promedios de las propiedades ópticas y mecánicas. Las propiedades ópticas se midieron en un instrumento Elrepho usando la norma Tappi T519 para determinar la opacidad. Los resultados se muestran en la Tabla 1.
TABLA 1
8
Como se muestra en la Tabla 1, en cada caso, sea con o sin adición de arcilla a la hoja, hay un aumento medible en la opacidad de la hoja de ensayo producida. Los datos de laboratorio también muestran que la adición de 0,45 kg (1 libra) de arcilla provocaría un aumento de opacidad de 0,02065 unidades. Por lo tanto, la diestearamida de TETA puede usarse para reemplazar de 6,80 a 13,61 kg (15 a 30 libras) de arcilla.
De un modo similar, una pasta de papel de una máquina de papel continuo que contiene un 14,5% de cenizas de carbonato cálcico se trata con la composición de diestearamida de TETA del Ejemplo 2 a diversas dosificaciones y se fabrican hojas de ensayo. El brillo se determina como se muestra en la Tabla 2.
TABLA 2
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Ejemplo 3
La dispersión acuosa de esta invención se compara con la composición de la Patente de Estados Unidos 5.292.363 del siguiente modo.
En una pasta de papel que contiene un 8,4% p/p de arcilla como se ha descrito en el Ejemplo 2, se usan tanto la diestearamida de TETA de esta invención como la estearamida de aminoetilaminoetanol (Patente de Estados Unidos 5.292.363) para tratar la pasta de papel y se miden las opacidades. Para obtener el mismo aumento de opacidad producido por 0,66 kg (1,45 libras) de la dispersión acuosa de esta invención, se requirieron 1,51 g (3,33 libras) de la composición de la Patente de Estados Unidos 5.292.363.
Ejemplo 4
En un experimento diferente, la dispersión acuosa de diestearamida de TETA de esta invención se usa para tratar una pasta de papel 80/20 HW/SWK que no contiene carga. En lugar de secar al aire (norma Tappi T-205 om-88) las hojas de ensayo producidas, las hojas se secan en una secadora de tambor a 101,67ºC (215ºF) y después se miden para la opacidad. Los resultados se muestran en la siguiente Tabla 3.
TABLA 3
11
En este caso, parece que el secado por calor tiene un efecto mucho mayor sobre el aumento en la opacidad de las hojas que el implicado en el secado al aire como se muestra en la Tabla 1.

Claims (9)

1. Una dispersión acuosa que comprende una o más poliaminoamidas, donde la poliaminoamida tiene la fórmula
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en la que R_{2} es a cadena lateral de hidrocarburo de un ácido graso saturado o insaturado; R_{3}, R_{4} y R_{5} se seleccionan independientemente cada vez que aparecen entre H y R_{2}C(O)- y n es 2, 3, 4 ó 5, con la condición de que al menos uno de R_{3}, R_{4} y R_{5} sea H y al menos uno de R_{3}, R_{4} y R_{5} sea R_{2}C(O)-, uno o más tensioactivos y agua, donde la dispersión tiene un pH de 5 a 8 y las poliaminoamidas se preparan haciendo reaccionar uno o más ácidos grasos con una o más poliaminas de fórmula
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en la que R_{1} es alquileno C_{2}-C_{4} y n es 2, 3, 4 ó 5.
2. La dispersión acuosa de la reivindicación 1, en la que al menos dos de R_{3}, R_{4} y R_{5} son H y al menos uno de R_{3}, R_{4} y R_{5} es R_{2}C(O)-.
3. La dispersión acuosa de la reivindicación 1 ó 2, en la que la poliaminoamida se prepara haciendo reaccionar dos equivalentes molares de los ácidos grasos con un equivalente molar de las poliaminas.
4. La dispersión acuosa de la reivindicación 1, 2 ó 3 donde las poliaminas se seleccionan entre dietilenotriamina, trietilenotetramina, tetraetilenopentamina y pentaetilenohexamina.
5. La dispersión acuosa de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el ácido graso se selecciona entre ácido behénico, ácido esteárico, ácido mirístico y ácido oleico.
6. La dispersión acuosa de cualquier reivindicación precedente, en la que la poliamina es trietilenotetramina y el ácido graso es ácido esteárico.
7. La dispersión acuosa de cualquier reivindicación precedente, en la que los tensioactivos contienen un grupo polioxietileno como el grupo polar y tienen un HLB de 11 a 16.
8. La dispersión acuosa de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en la que el tensioactivo es etoxilato de amina de sebo.
9. Un método para aumentar la opacidad, masa o brillo en una hoja de papel, que comprende añadir la dispersión acuosa de cualquier reivindicación precedente a una pasta de pulpa de fibras de celulosa y formar la pasta en la hoja de papel.
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