WO1999020837A1 - Additifs pour amliorer la resistance a l'etat humide et a sec du papier - Google Patents

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Ludwik Leibler
André SCHRÖDER
Isabelle Betremieux
Isabelle Silberzan
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    • D21H17/56—Polyamines; Polyimines; Polyester-imides

Definitions

  • the invention relates to the manufacture of paper and in particular to the manufacture of paper having good wet strength.
  • WER wet strength of the paper
  • Wet LR is the breaking length of a strip of wet paper
  • LR dry is the breaking length of a strip of dry paper.
  • a paper is qualified as resistant to the wet state as soon as its WER exceeds 5%.
  • a person skilled in the art has long known how to improve the WER of paper. Generally, it proceeds by incorporating, into the mass of the cellulosic pulp (also called fibrous suspension or paper pulp), resins which can react with the cellulosic fibers, such as the cationic resins which are spontaneously crosslinkable on the fiber at neutral pH, such as for example resins of the polyamidopolyamine-epichlorohydrin type, hereinafter designated by PAE, of low molecular weight well known to those skilled in the art.
  • PAE polyamidopolyamine-epichlorohydrin type
  • wet resistance promoters generally polymers of natural origin or derived from natural polymers, of more or less pronounced anionic or amphoteric nature, among others, sodium carboxymethylcellulose (H. Espy, 1983 Papermakers Research J., pp. 191 -195 or E. Strazdins 1994, Wet Strength Resins and their applications, Ed by L. Chan, TAPPI Press pp. 78-79) and modified guar gum (patents CA 808,531 or US 5,318,669). These products are marketed in powder form. Placing them in aqueous solution is a long and delicate operation which must be carried out prior to their use in the wet part of the paper machine. These solutions are very sensitive to bacterial degradation and cannot be stored under ambient temperature conditions in production workshops.
  • US 5,200,036 proposes a solution based on the use of a PAE modified by reaction with the acid function carried by a monomer polymerizable by the radical route. The free double bond of the monomer is then copolymerized with a mixture of monomers to form a crosslinked monocomponent.
  • This solution may not be effective because PAE crosslinks at neutral pH and at room temperature and all the faster the higher the temperature, see for example the book “Applications of Wet End Paper Chemistry", O. Au, I. Thorn, Ed: Blackie Academy and Professional. It is therefore likely that the PAE crosslinks at the time of the copolymerization and is therefore no longer fully reactive for reacting with the cellulose fibers.
  • the Applicant has now found that it is possible to improve both the wet strength and the dry strength of the paper thanks to either a special process for treating paper using a cationic resin and a wet strength promoter based on an aqueous dispersion of a polymer containing acid functions, or to a particular stable composition based on a cationic resin and a wet resistance promoter based on an aqueous dispersion of a polymer containing acid functions and stabilized with a nonionic surfactant.
  • aqueous dispersion within the meaning of the invention is often designated by latex.
  • One of the objects of the invention is a process for treating paper consisting in applying to the paper a cationic resin and an aqueous dispersion of particles of thermoplastic polymer with a diameter ranging from 30 to 500 nm, stabilized by a polymeric or non-polymeric surfactant.
  • the aqueous dispersion of the invention contains:
  • the polymer concentration of the aqueous dispersion has no influence on the process.
  • the cationic resins used for the implementation of the invention are low molecular weight resins with an azetidinium structure which can be crosslinked at neutral pH on the cellulose fiber.
  • Resins of polyamidopolyamine-epichlorohydrin (PAE) structure constitute a typical example of cationic resins, and are moreover commonly used by a person skilled in the art. These resins (PAE) are obtained by the condensation of adipic acid and diethylenetriamine followed by condensation on epichlorohydrin.
  • the monomers (A) having the acid functions can belong indifferently, partially or entirely to the polymeric surfactant or to the dispersed thermoplastic polymer.
  • the aqueous dispersion is prepared by radical emulsion polymerization within the solution of surfactant which is an anionic or amphoteric polymer of a hydrophobic monomer or of a globally hydrophobic mixture of monomers whose composition can be adjusted to obtain a polymer with a glass transition temperature Tg chosen in advance.
  • these anionic or amphoteric polymers can be the natural polymers which have been mentioned above; they can also be polymers or copolymers comprising on the one hand a monomer chosen from the family of acrylic acid, methacrylic acid or maleic anhydride, and on the other hand, a monomer chosen from the family of styrenic, vinyl monomers or acrylic or methacrylic esters, for example and without limitation, a styrene / maleic anhydride copolymer, a styrene / acrylic acid copolymer, a methyl methacrylate and acrylic acid copolymer, a styrene and butyl acrylate copolymer.
  • the aqueous dispersion is prepared by radical emulsion polymerization in the presence of at least one surfactant of a mixture of monomers containing:
  • monomer B chosen from the group consisting of vinyl, styrenic monomers, (meth) acrylic esters of C-
  • the monomer A represents from 0.5 to 5% by weight.
  • the preferred monomer A of the invention is acrylic acid or methacrylic acid.
  • the mixture of monomers in practice represents from 5 to 60% by weight of the aqueous solution, however, as described above, the concentration of monomers has no influence on the paper treatment process.
  • the monomer (s) A and the monomer (s) B are chosen and their respective quantities defined according to the properties and characteristics which it is desired to confer on the targeted polymer. For example, the glass transition
  • Tg Tg of a polymer
  • Tgi is the glass transition temperature of the homopolymer obtained by polymerization of the monomer i
  • WJ is the weight fraction of the monomer i.
  • the Tg of the polymer is fixed and the monomers (i) chosen accordingly.
  • the surfactant (s) is (are) chosen from the group consisting of:
  • the ionic surfactants can be anionic, cationic or amphoteric. Most often anionic surfactants are used such as sodium dodecylbenzene sulfonate or ethoxylated fatty alcohol sulfates ...
  • the nonionic surfactants are chosen from the family of ethoxylated phenol alkyls or that of ethoxylated fatty alcohols.
  • - polymeric surfactants such as copolymers comprising on the one hand a monomer chosen from the family of acrylic acid, methacrylic acid or maleic anhydride, and on the other hand, a monomer chosen from the family of styrenic, vinyl monomers or acrylic or methacrylic esters, for example and without limitation, a styrene / maleic anhydride copolymer, a styrene / acrylic acid copolymer, a methyl methacrylate and acrylic acid copolymer, a styrene and acrylate copolymer butyl.
  • the invention is implemented by introducing the cationic resin and the latex into the aqueous suspension of cellulose fibers often referred to as paper pulp.
  • the resin and the latex can be introduced successively in no particular order, or else at the same time, which considerably simplifies the installation.
  • the useful quantities according to the invention are, with regard to the resin, from 0.25 to 3% by weight of dry matter of resin relative to the mass of dry fibers and from 0.25 to 3% with regard to latex.
  • the Applicant has also discovered that it is possible, under certain conditions, to prepare a stable and ready-to-use mixture containing PAE and a latex. Indeed, the Applicant has discovered that when the latex is stabilized by a nonionic surfactant or by a predominantly nonionic mixture, consisting of ionic surfactants and nonionic surfactants, it is possible to mix it with the cationic resin without the composition obtained evolving or destabilizing during storage.
  • Another object of the invention is an aqueous composition for improving the wet and dry resistance of paper containing:
  • thermoplastic polymer dispersed in the form of particles with a diameter between 30 and 500 nm characterized in that said polymer contains acid functions and that the particles are generally stabilized by 0.1 to 5% by weight of at least one cationic or amphoteric nonionic surfactant or of a mixture of ionic and nonionic surfactants.
  • the cationic resins used for the implementation of the invention are low molecular weight resins with an azetidinium structure crosslinkable to neutral pH on the cellulosic fiber.
  • Resins of polyamidopolyamine-epichlorohydrin structure constitute a typical example of cationic resins, and are moreover commonly used by a person skilled in the art.
  • These resins (PAE) are obtained by the condensation of adipic acid and diethylenetriamine followed by condensation on epichlorohydrin.
  • aqueous dispersions consist of a dispersion of particles with a diameter between 30 and 500 nm of thermoplastic polymers containing acid functions and stabilized by a macromolecular surfactant or not.
  • These latexes are obtained by radical polymerization in emulsion in the presence of at least one ionic or nonionic surfactant or else of a mixture of predominantly nonionic surfactants of a mixture of monomers containing:
  • the preferred monomer A of the invention is acrylic acid.
  • the mixture of monomers generally represents from 5 to 60% by weight of the aqueous solution, however the concentration of monomers has no influence on the stability of the composition nor on the process for treating paper using such a composition.
  • the monomer (s) A and the monomer (s) B are chosen and their respective quantities defined according to the properties and characteristics which it is desired to confer on the finished polymer.
  • the nonionic surfactant is chosen from the group consisting of ethoxylated alkyl phenol such as ethoxylated nonyl phenol and / or ethoxylated fatty alcohols.
  • compositions described above are stable over time. They can be stored and used as is in a process for improving the wet and dry strength of paper.
  • One of the objects of the invention is a method for improving the wet and dry resistance of paper consisting of the introduction of the stable aqueous composition described above into the aqueous suspension of cellulose fibers.
  • the remnants of the preemulsion and of the catalytic solution are added in 4 hours using metering pumps so as to maintain the constant flow rate.
  • the reaction medium is then left for 1 hour at 82 ° C. in order to lower the level of residual monomers.
  • the dispersion DAF 36 is obtained under analogous conditions by substituting the dodecylbenzene with a fatty alcohol C12-14 ethoxylated for 30 moles of ethylene oxide in sufficient quantities to obtain a stable dispersion without coagulum.
  • the characteristics of this dispersion are as follows:
  • the papers are obtained according to the general process which consists of making formettes on a FRANCK device from a paste refined to a certain degree Shopper (for the degree Shopper-Riegler - ° SR-, see the NF standard Q 50-003, determination of drainability, Schopper-Riegler method).
  • the composition is added with stirring. agents of wet resistance, that is to say in a first mode the latex, then approximately one minute later, the PAE-. (the order of introduction is irrelevant: the order of introduction of the PAE and the latex can be inverted, or introduced simultaneously), or in a second mode, the stable aqueous composition containing the latex and the PAE. Whichever mode is used, agitation is continued for approximately three minutes.
  • the form is then produced at an average basis weight of the order of 65 g / m 2 , by draining the suspension on a metal grid, it is wrung, and the form is dried for 5 minutes at 95 ° C.
  • the PAE resin is crosslinked by placing the forms for 7 minutes in an oven at a temperature of 105 ° C.
  • the displayed LR measurements by which the REH value is calculated are averages of five tensile tests carried out on five test pieces, each from these five separate formulas.
  • Tensile tests on a dry paper strip are carried out after a minimum of 24 hours of conditioning, at 23 ° C and 50% humidity.
  • the tensile tests on the wet paper strip are carried out according to standard NF Q 03-056 on strips which, unless otherwise indicated, have been immersed for 1 hour in tap water at a constant temperature of 25 ° C., wrung out and then tested according to a rigorous procedure described in the standard.
  • the water absorption capacity of the paper is estimated according to the Cobb test, TAPPI T441 -OM90 standard, which consists of measuring the amount of water absorbed by the paper for a period of 60 seconds.
  • the result, called Cobb ⁇ O " is expressed in grams of water per m 2 of paper.
  • the PAE resin used is a resin with 14% dry extract, stabilized at pH 2.5 - 3.5 (CECA, R4947D).
  • the latexes used are:
  • latexes here tested and indicated as latex A, latex B, latex C, are latexes whose polymeric dispersant is a water-soluble styrene / maleic anhydride copolymer, commercially available under the name of SMA® Resins (ELF ATOCHEM NA / ELF ATOCHEM SA). These resins are resins with a low molecular mass of between 500 and 10,000 and an acid number at most equal to 500.
  • SMA 3,000 is a resin with a styrene / maleic anhydride molar ratio equal to 3;
  • SMA 2625 is a resin with a styrene / maleic anhydride molar ratio equal to 2 esterified with propanol or any other suitable alcohol mixture, at an esterification rate of between 75 and 100% of the hemiester.
  • a latex D was also prepared, which is an ordinary anionic latex in which the dispersant is a surfactant, sodium dodecylsulfate (SDS). The table opposite brings together the compositions of these latexes. The components are expressed as dry matter. The extract of these latexes is close to 25%.
  • Example 1 (PAE / composite latex combination on wood fibers)
  • the example illustrates the limit that can be expected from a treatment with a PAE resin alone according to the prior art of a chemical cellulosic pulp made of resinous fibers chemically bleached (Cellulose from the Rhône and Aquitaine) and refined at 25 ° SR.
  • the wet strength treatment according to the prior art consisted of adding PAE resin to the mass at various dosages up to 2.2% (by weight of dry product dosed relative to dry fibers).
  • the table below shows wet strength values as a function of the PAE content.
  • Example 1 The paste from Example 1 was taken up, treated successively with the PAE resin, with mixed latex A, and with a combination of latex A and PAE.
  • the combination of PAE with standard latex D is given as a counterexample; the level of PAE and latex used are both expressed as the level of dry matter relative to the fibers.
  • Example 3 PAE / mixed latex combination on cotton fibers
  • the example illustrates the limit which is reached during ordinary treatment with a PAE resin alone according to the prior art of a chemical cellulosic pulp consisting of chemically bleached vegetable fibers and refined to a high degree Shopper and the possibility offered by the treatment of the invention to exceed it, a result inaccessible with the means of the prior art.
  • these are refined cotton fibers at 60 ° SR.
  • the wet strength treatment according to the prior art consisted of adding PAE resin to the mass in various dosages up to 3.5% (PAE dosed in dry product relative to dry fibers).
  • the rate of mixed latex added is expressed as the rate of dry matter relative to the dry fibers.
  • the table shows the evolution of the rupture lengths as a function of the PAE content.
  • the fibrous suspension was treated only with 1% PAE.
  • the fibrous suspension was treated successively with 1% PAE and with 1% DAF 25 latex.
  • a stable composition of PAE and DAF 36 latex was first produced.
  • the contribution of each compound in the dry matter is 50%.
  • the fibrous suspension was treated with 2% of the stable composition.

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Abstract

L'invention se rapporte à un procédé de traitement du papier consistant en l'application sur le papier soit d'une résine cationique, la PAE et d'un latex contenant des fonctions acides, appliqués simultanément mais séparement, soit d'un mélange stable préparé au préalable contenant la PAE et un latex stabilisé par un tensio-actif non ionique.

Description

ADDITIFS POUR AMELIORER LA RESISTANCE A L' ETAT HUMIDE ET A SEC DU PAPIER
L'invention se rapporte à la fabrication du papier et en particulier à la fabrication du papier ayant une bonne résistance à l'état humide.
Pour certaines applications en particulier les papiers absorbants, les papiers peints, le papier pour étiquettes de bouteilles, le papier monnaie, on demande au papier de conserver à l'état humide une partie de sa résistance mécanique à sec. La résistance à l'état humide du papier, désignée ci-après par REH, exprimée généralement en % est calculée à partir de la relation
' REH = LR humide x ioo LR sec
Où :
LR humide est la longueur de rupture d'une bande de papier humide,
LR sec est la longueur de rupture d'une bande de papier sec.
D'une manière générale, un papier est qualifié de résistant à l'état humide dès que sa REH dépasse 5 %.
L'homme du métier sait depuis longtemps améliorer la REH du papier. Généralement il procède en incorporant, dans la masse de la pâte cellulosique (appelée aussi suspension fibreuse ou pâte à papier), des résines pouvant réagir avec les fibres cellulosiques, telles que les résines cationiques spontanément réticulables sur la fibre à pH neutre, comme par exemple les résines du type polyamidopolyamine-épichlorhydrine, désignées ci-après par PAE, de bas poids moléculaire bien connues de l'homme du métier.
Cependant il est connu que l'amélioration de la REH due à la PAE présente une saturation avec le taux de PAE introduit dans la pâte car la quantité de PAE pouvant s'adsorber sur les fibres cellulosiques est limitée. Ceci est d'autant plus vrai que les fibres présentent une densité surfacique de charges négatives faible, comme c'est par exemple le cas pour les pâtes coton. Ainsi les REH optimales obtenues dans une pâte chimique atteignent difficilement les 20 à 25 %, alors que dans certaines applications spécifiques une REH de l'ordre de 40 % est demandée.
On a alors tenté d'améliorer la résistance humide en associant à la résine PAE diverses substances dites promoteurs de résistance humide, généralement des polymères d'origine naturelle ou issus de polymères naturels, à caractère anionique ou amphotère plus ou moins prononcé, entre autres, la carboxyméthylcellulose sodique (H. Espy, 1983 Papermakers Research J., pp. 191 -195 ou E. Strazdins 1994, Wet Strength Resins and their applications, Ed by L. Chan, TAPPI Press pp. 78-79) et la gomme guar modifiée (brevets CA 808,531 ou US 5,318,669). Ces produits sont commercialisés sous présentations pulvérulentes. Leur mise en solution aqueuse est une opération longue et délicate qui doit être réalisée préalablement à leur utilisation dans la partie humide de la machine à papier. Ces solutions sont très sensibles à la dégradation bactérienne et ne se conservent pas dans les conditions de température ambiante des ateliers de production.
US 5,200,036 propose une solution basée sur l'utilisation d'une PAE modifiée par réaction avec la fonction acide portée par un monomère polymérisable par voie radicalaire. La double liaison libre du monomère est ensuite copolymérisée avec un mélange de monomères pour former un monocomposé réticulé. Cette solution peut ne pas être efficace car la PAE réticule à pH neutre et à température ambiante et d'autant plus vite que la température est élevée, voir par exemple le livre "Applications of Wet End Paper Chemistry", O. Au, I. Thorn, Ed: Blackie Académie and Professional. Il est donc vraisemblable que la PAE réticule au moment de la copolymérisation et n'est donc plus totalement réactive pour réagir avec les fibres cellulosiques.
La demanderesse a maintenant trouvé qu'on peut améliorer à la fois la résistance humide et la résistance à sec du papier grâce, soit à un procédé particulier de traitement de papier mettant en oeuvre une résine cationique et un promoteur de résistance humide à base d'une dispersion aqueuse d'un polymère renfermant des fonctions acides, soit à une composition particulière stable à base d'une résine cationique et d'un promoteur de résistance humide à base d'une dispersion aqueuse d'un polymère renfermant des fonctions acides et stabilisé par un tensio-actif non ionique.
La dispersion aqueuse au sens de l'invention est désignée souvent par latex.
Un des objets de l'invention est un procédé de traitement du papier consistant en l'application sur le papier d'une résine cationique et d'une dispersion aqueuse de particules de polymère thermoplastique de diamètre allant de 30 à 500 nm, stabilisées par un tensio-actif polymérique ou non polymérique.
La dispersion aqueuse de l'invention contient :
- de 0,5 à 10 % en poids par rapport au poids total des particules de motifs obtenus par polymérisation d'au moins un monomère A portant au moins une fonction acide, et
- de 90 à 99,5 % en poids par rapport au poids total des particules de motifs obtenus par polymérisation d'au moins un monomère B copolymérisable avec A et choisi dans le groupe constitué par les monomères vinyliques, styréniques, (méth)acryliques et diéniques.
La concentration en polymère de la dispersion aqueuse n'a pas d'influence sur le procédé.
Les résines cationiques utilisées pour la mise en oeuvre de l'invention sont des résines de bas poids moléculaire à structure azétidinium réticuiables à pH neutre sur la fibre cellulosique. Les résines de structure polyamido- polyamine-épichlorhydrine (PAE) constituent un exemple typique des résines cationiques, et sont d'ailleurs couramment utilisées par l'homme du métier. Ces résines (PAE) sont obtenues par la condensation d'acide adipique et de diéthylènetriamine suivie d'une condensation sur l'épichlorhydrine.
Les monomères (A) ayant les fonctions acides peuvent appartenir indifféremment, partiellement ou en totalité au tensio-actif polymérique ou au polymère thermoplastique dispersé.
Lorsqu'on souhaite intégrer la totalité des fonctions acides dans le tensio-actif polymérique, on prépare la dispersion aqueuse par la polymérisation radicalaire en émulsion au sein de la solution de tensio-actif qui est un polymère anionique ou amphotère, d'un monomère hydrophobe ou d'un mélange globalement hydrophobe de monomères dont on peut régler la composition pour obtenir un polymère avec une température de transition vitreuse Tg choisie à l'avance. Comme expliqué plus loin, ces polymères anioniques ou amphotères peuvent être les polymères naturels dont il a été question plus haut ; ils peuvent être aussi des polymères ou copolymères comportant d'une part un monomère choisi dans la famille de l'acide acrylique, acide méthacrylique ou anhydride maléique, et d'autre part, un monomère choisi dans la famille des monomères styréniques, vinyliques ou des esters acryliques ou méthacryliques, par exemple et de façon non limitative, un copolymère styrène / anhydride maléique, un copolymère styrène / acide acrylique, un copolymère de méthacrylate de méthyle et d'acide acrylique, un copolymère de styrène et d'acrylate de butyle.
En revanche, lorsque la totalité des fonctions acides est portée par le polymère dispersé, on prépare la dispersion aqueuse par la polymérisation radicalaire en émulsion en présence d'au moins un tensio-actif d'un mélange de monomères contenant :
- de 0,5 à 10 % en poids d'au moins un monomère A contenant des fonctions acides choisi dans le groupe constitué de mono ou diacides carboxyliques α, β insaturés tels que l'acide acrylique, l'acide méthacrylique, l'acide itaconique, l'acide maléique ou leurs dérivés. - de 90 à 99,5 % en poids d'au moins un monomère B choisi dans le groupe constitué de monomères vinyliques, styréniques, esters (méth)acryliques en C-| -C8 et diéniques.
Selon une forme préférée de l'invention le monomère A représente de 0,5 à 5 % en poids.
Le monomère A préféré de l'invention est l'acide acrylique ou l'acide méthacrylique.
Le mélange de monomères représente en pratique de 5 à 60 % en poids de la solution aqueuse, cependant, comme décrit précédement la concentration en monomères n'a pas d'influence sur le procédé de traitement du papier.
- Le ou les monomère(s) A et le ou les monomère(s) B sont choisis et leurs quantités respectives définies en fonction des propriétés et caractères qu'on souhaite conférer au polymère visé. Par exemple, la transition vitreuse
(Tg) d'un polymère peut être estimée à l'avance par la loi suivante : , ∑τ&
Tgi ∑ iTgi
Tgi : est la température de transition vitreuse de l'homo-polymère obtenu par polymérisation du monomère i
WJ : est la fraction pondérale du monomère i.
Ainsi, selon l'application visée, la Tg du polymère est fixée et les monomères (i) choisis en conséquence.
Le (ou les) tensio-actif(s) est (sont) choisi(s) dans le groupe constitué :
- des tensio-actifs micromoléculaires ioniques ou non ioniques. Les tensio-actifs ioniques peuvent être anioniques, cationiques ou amphotères. Le plus souvent des tensio-actifs anioniques sont utilisés tels que le dodécylbenzène sulfonate de sodium ou les sulfates d'alcool gras éthoxylés... Les tensio-actifs non ioniques sont choisis dans la famille des alkyls phénol éthoxylés ou celle des alcools gras éthoxylés.
- des tensio-actifs polymèriques tels que les copolymères comportant d'une part un monomère choisi dans la famille de l'acide acrylique, acide méthacrylique ou anhydride maléique, et d'autre part, un monomère choisi dans la famille des monomères styréniques, vinyliques ou des esters acryliques ou méthacryliques, par exemple et de façon non limitative, un copolymère styrène / anhydride maléique, un copolymère styrène / acide acrylique, un copolymère de méthacrylate de méthyle et d'acide acrylique, un copolymère de styrène et d'acrylate de butyle.
Des formes préférées de ces latex ont été divulguées dans les demandes de brevets français FR-A-96 08226 et 96 08875 (Elf Atochem S.A.).
On met en oeuvre l'invention en introduisant la résine cationique et le latex dans la suspension aqueuse de fibres cellulosiques désignée souvent par pâte à papier. La résine et le latex peuvent être introduits successivement sans ordre particulier, ou bien en même temps, ce qui simplifie considérablement l'installation.
Les quantités utiles selon l'invention sont, en ce qui concerne la résine, de 0,25 à 3 % en poids de matière sèche de résine par rapport à la masse de fibres sèches et de 0,25 à 3 % en ce qui concerne le latex.
Il est préférable selon l'invention de garder un rapport matière sèche de latex / matière sèche de résine de 0,5 à 2.
Ainsi on obtient des résistances humides exprimées en REH de 25 à 40 %. La résistance à sec des papiers obtenus par ce procédé est également accrue de 10 à 40 % par rapport au papier non traité.
Pour simplifier les procédés de traitement du papier comme celui décrit précédemment, on a tenté de réduire le nombre d'opérations en effectuant une seule introduction dans la machine à papier d'un mélange contenant la PAE et un latex. Cependant un tel mélange n'est pas envisageable industriellement car la PAE est conservée en milieu acide et le latex n'est pas stable en milieu acide.
La demanderesse a découvert aussi qu'il est possible sous certaines conditions, de préparer un mélange stable et prêt à l'emploi contenant la PAE et un latex. En effet, la demanderesse a découvert que lorsque le latex est stabilisé par un tensio-actif non ionique ou par un mélange majoritairement non ionique, constitué de tensio-actifs ioniques et de tensio-actifs non ioniques, il est possible de le mélanger à la résine cationique sans que la composition obtenue évolue ou se déstabilise au cours du stockage.
Un autre objet de l'invention est une composition aqueuse pour l'amélioration de la résistance humide et à sec du papier contenant :
- de 5 à 20 % en poids d'une " résine cationique telle que définie précédemment et en particulier de la PAE
- de 5 à 40 % en poids d'un polymère thermoplastique dispersé sous forme de particules de diamètre compris entre 30 et 500 nm caractérisée en ce que ledit polymère contient des fonctions acides et que les particules sont stabilisées généralement par 0, 1 à 5 % en poids d'au moins un tensio-actif non ionique cationique ou amphotère ou encore d'un mélange de tensio-actifs ionique et non ionique.
Les résines cationiques utilisées pour la mise en oeuvre de l'invention sont des résines de bas poids moléculaire à structure azétidinium réticuiables à pH neutre sur la fibre cellulosique. Les résines de structure polyamido- polyamine-épichlorhydrine constituent un exemple typique des résines cationiques, et sont d'ailleurs couramment utilisées par l'homme du métier. Ces résines (PAE) sont obtenues par la condensation d'acide adipique et de diéthylènetriamine suivie d'une condensation sur l'épichlorhydrine.
Les dispersions aqueuses, ou latex, sont constituées par une dispersion de particules de diamètre compris entre 30 et 500 nm de polymères thermoplastiques contenant des fonctions acides et stabilisées par un tensio- actif macromoléculaire ou non. Ces latex sont obtenus par la polymérisation radicalaire en émulsion en présence d'au moins un tensio-actif ionique ou non ioniqu ou encore d'un mélange de tensio actifs majoritairement non ioniques d'un mélange de monomères contenant :
- de 0,5 à 10 % en poids et de préférence de 0,5 à 5 % d'au moins un monomère A contenant des fonctions acides choisi dans le groupe constitué de mono ou diacides carboxyliques α, β insaturés tels que l'acide acrylique, l'acide méthacrylique, l'acide itaconique, l'acide maléique et leurs dérivés
- de 90 à 99,5 % en poids et de préférence de 95 à 99,5 % d'au moins un monomère B choisi dans le groupe constitué de monomères vinyliques, styréniques, esters (méth)acryliques en C-j -Cs et diéniques.
Le monomère A préféré de l'invention est l'acide acrylique.
Le mélange de monomères représente généralement de 5 à 60 % en poids de la solution aqueuse, cependant la concentration en monomères n'a pas d'inluence sur la stabilité de la composition ni sur le procédé de traitement du papier mettant en oeuvre telle composition.
Le ou les monomère(s) A et le ou les monomère(s) B sont choisis et leurs quantités respectives définies en fonction des propriétés et caractères qu'on souhaite conférer au polymère fini.
Le tensio-actif non ionique est choisi dans le groupe constitué des alkyl phénol éthoxylés tels que le nonyl phénol éthoxylé et/ou des alcools gras éthoxylés.
Les compositions décrites précédemment sont stables dans le temps. Elles peuvent être stockées et utilisées telles quelles dans un procédé d'amélioration de la résistance humide et à sec du papier.
Un des objets de l'invention est un procédé d'amélioration de la résistance humide et à sec du papier consistant en l'introduction de la composition aqueuse stable décrite précédemment dans la suspension aqueuse de fibres cellulosiques.
Pour la mise en oeuvre de l'invention, seul le rapport matière sèche d'additif / matière sèche fibres compte. La concentration de la suspension fibreuse n'est pas connue à l'avance, et quel que soit l'extrait sec initial du mélange, l'homme du métier sait diluer celui-ci afin d'en introduire la quantité adéquate dans la pâte.
Les exemples suivants illustrent l'invention sans en limiter la portée :
Exemples a- préparation d'un latex
Dans un réacteur en verre chauffé par une double enveloppe et agité à l'aide d'un agitateur mécanique, on introduit 438 g d'eau et 3,3 g de dodécyl benzène sulfonate de sodium. On porte ce mélange à 82 °C et on introduit 5 % de la préémulsion et 10 % de la solution catalytique en batch.
Après 30 minutes de réaction, les restes de la préémulsion et de la solution catalytique sont additionnées en 4 heures à l'aide de pompes doseuses de façon à maintenir le débit constant. Le milieu réactionnel est ensuite laissé 1 heure à 82°C dans le but d'abaisser le taux de monomères résiduels.
Solution catalytique
68,20 g d'eau
3,30 g de persulfate de sodium
Préémulsion
554 g d'eau
13,2 g de dodécylbenzène sulfonate de sodium
641 ,3 g d'acrylate de butyle
425,7 g de méthacrylate de méthyle
33 g d'acide méthacrylique.
Dans ces conditions, on obtient une dispersion (DAF 25) dont les caractéristiques physico-chimiques sont les suivantes :
E.S (extrait sec) = 49,2 % pH = 2,6
Taille de particules = 105 nm.
La dispersion DAF 36 est obtenue dans des conditions analogues en substituant la dodécylbenzène par un alcool gras en C12- 14 éthoxylé à 30 moles d'oxyde d'éthylène dans des quantités suffisantes pour obtenir une dispersion stable et sans coagulum. Les caractéristiques de cette dispersion sont les suivantes :
E.S = 50,6 % pH = 2,3
Taille de particules = 350 nm. b- traitement du papier
Dans ces exemples, les papiers sont obtenus suivant le processus général qui consiste à réaliser des formettes sur un appareil FRANCK à partir d'une pâte raffinée à un certain degré Shopper (pour le degré Shopper-Riegler -°SR-, voir la norme NF Q 50-003, détermination de l'égouttabilité, méthode de Schopper-Riegler).
A la suspension fibreuse constituée de 10 g/l de fibres dans de l'eau dont le pH, selon nécessité, est ajusté à 8,0 avec de l'acide sulfurique dilué ou de la soude, on ajoute sous agitation la composition d'agents de résistance humide, soit selon un premier mode le latex, puis environ une minute plus tard, la PAE-. (l'ordre d'introduction est sans importance : on peut intervertir l'ordre d'introduction de la PAE et du latex, ou les introduire simultanément), soit selon un deuxième mode la composition aqueuse stable contenant le latex et la PAE. Quel que soit le mode utilisé, on poursuit l'agitation pendant trois minutes environ. On réalise alors la formette à un grammage moyen de l'ordre de 65 g/m2, par égouttage de la suspension sur une grille métallique, on l'essore, et on sèche la formette 5 minutes à 95 °C. On réticule la résine PAE en mettant les formettes pendant 7 minutes dans une étuve à la température de 105°C.
Dans chaque formette, on a découpé deux bandelettes (éprouvettes) de papier de 180 mm de longueur et de 15 mm de largeur. La première sert à la détermination de la résistance du papier sec. Les tests mis en oeuvre sont des tests de résistance à la traction, exécutés conformément à la norme NF Q 03-004. Les essais de traction sont effectués avec un appareil ADAMEL Lhomargy, réglé sur une vitesse de 50 mm/mn. La force F exprimée en Newtons qu'il a fallu appliquer pour rompre la bandelette permet d'évaluer la longueur de rupture, calculée en mètres à partir de l'expression : L.R. (m) = 1 /9,81 . F . largeur1 . grammage- 1 dans laquelle la largeur est prise en mètres et le grammage en kilogrammes par mètre carré.
Les mesures affichées des LR grâce auxquelles on calcule la valeur REH sont des moyennes de cinq essais de traction effectués sur cinq éprouvettes, provenant chacune de ces cinq formettes distinctes.
Les tests de traction sur bandelette de papier sec sont réalisés après 24 heures minimum de conditionnement, à 23°C et 50 % d'humidité. Les tests de traction sur la bandelette de papier humide sont effectués suivant la norme NF Q 03-056 sur bandelettes qui, sauf indication contraire, ont été immergées pendant 1 heure dans l'eau de ville à température constante de 25 °C, essorées puis testées suivant une procédure rigoureuse décrite dans la norme.
La capacité d'absorption d'eau du papier est estimée selon l'essai Cobb, norme TAPPI T441 -OM90, qui consiste à mesurer la quantité d'eau absorbée par le papier pendant un temps de 60 secondes. Le résultat, appelé CobbβO» est exprimé en grammes d'eau par m2 de papier.
La résine PAE utilisée est une résine à 14 % d'extrait sec, stabilisée à pH 2,5 - 3,5 (CECA, R4947D).
Les latex utilisés sont :
- DAF 25 ; il s'agit d'une dispersion à 50,9 % en extrait sec, à base d'un terpolymère acrylate de butyle (ABu) / méthacrylate de méthyle (MAM) / acide méthacrylique de composition 58,3 / 38,7 / 3 de transition vitreuse de 10°C, stabilisée par un dispersant anionique (le dodécylbenzène sulfonate).
- DAF 36 ; il s'agit d'une dispersion à 50,6 % en extrait sec, à base d'un terpolymère ABu / MAM / AA de composition 58,3 / 38,7 / 3 ayant une Tg de 10°C stabilisée- par un dispersant non ionique (alcool gras en C12-C14 éthoxylé à 30 moles d'oxyde d'éthylène en moyenne).
Les latex (Starcote®) ici expérimentés et indiqués comme latex A, latex B, latex C, sont des latex dont le dispersant polymérique est un copolymère styrène /anhydride maléique hydrosoluble, disponible commercialement sous le nom de SMA® Resins (ELF ATOCHEM N.A. / ELF ATOCHEM S.A.). Ces résines sont des résines de faible masse moléculaire comprise entre 500 et 10 000 et d'indice d'acide tout au plus égal à 500. SMA 3 000 est une résine de rapport molaire styrène / anhydride maléique égal à 3 ; SMA 2625 est une résine de rapport molaire styrène / anhydride maléique égal à 2 estérifiée avec du propanol ou tout autre mélange d'alcool approprié, à un taux d'estérification compris entre 75 et 100 % de l'hémiester. A titre de comparaison, on a également préparé un latex D, qui est un latex anionique ordinaire dans lequel le dispersant est un tensioactif, le sodium dodécylsulfate (SDS). Le tableau ci- contre rassemble les compositions de ces latex. Les composants y sont exprimés en matière sèche. L'extrait de ces latex est voisin de 25 %.
Figure imgf000011_0001
Exemple 1 : (combinaison PAE/latex composite sur fibres de bois) L'exemple illustre la limite qu'on peut attendre d'un traitement par une résine PAE seule selon l'art antérieur d'une pâte cellulosique chimique constituée de fibres de résineux blanchies chimiquement (Cellulose du Rhône et d'Aquitaine) et raffinées à 25°SR. Le traitement de résistance à l'état humide selon l'art antérieur a consisté dans l'addition dans la masse de résine PAE à divers dosages jusqu'à 2,2 % (en poids de produit sec dosé par rapport aux fibres sèches). Sur le tableau ci-après sont consignées des valeurs de résistance humide en fonction de la teneur en PAE.
Figure imgf000012_0001
On y lit clairement l'effet de saturation à partir de 1 - 1 ,5 % de PAE.
Exemple 2 :
On a repris la pâte de l'exemple 1 , traitée successivement avec la résine PAE, par le latex mixte A, et par une combinaison du latex A et de PAE. La combinaison de la PAE avec le latex standard D est donnée en contre-exemple ; le taux de PAE et de latex utilisé sont tous deux exprimés en taux de matière sèche par rapport aux fibres.
Figure imgf000013_0001
On constate que le latex seul n'a pas d'influence notable sur la REH. Si l'association d'un latex anionique ordinaire avec une PAE relève la REH, l'amélioration est cependant limitée. Le résultat du traitement latex mixte / PAE y apparaît d'un tout autre niveau que celui qui serait dû à la simple juxtaposition des effets des composants du latex mixte ou à celui de la PAE seule. On note au passage l'augmentation substantielle de la résistance à sec du papier obtenu.
Au vu de ces résultats, on comprend qu'il est tout aussi aisé par le choix du latex mixte, et plus précisément par celui de sa température de filmification, et selon le procédé de l'invention d'obtenir des papiers fortement résistants à l'eau et sans hydrophobie tels que les papiers absorbants (filmification au moins égale à 60°C), que des papiers fortement résistants à l'eau et dont le Cobbβo es voisin de 20 g/m^, donc facilement imprimables, tels les papiers pour étiquettes, affiches, ou papiers-peints (polymère du latex à température de filmification à température ambiante).
Exemple 3 : combinaison PAE / latex mixte sur fibres de coton L'exemple illustre la limite qui est atteinte lors d'un traitement ordinaire par une résine PAE seule selon l'art antérieur d'une pâte cellulosique chimique constituée de fibres végétales blanchies chimiquement et raffinées à haut degré Shopper et la possibilité qu'offre le traitement de l'invention de la dépasser, un résultat inaccessible avec les moyens de l'art antérieur. Dans le cas du présent exemple, il s'agit de fibres de coton raffinées à 60°SR. Le traitement de résistance à l'état humide selon l'art antérieur a consisté dans l'addition dans la masse de résine PAE à divers dosages jusqu'à 3,5 % (PAE dosée en produit sec par rapport aux fibres sèches). Le taux de latex mixte ajouté est exprimé en taux de matière sèche par rapport aux fibres sèches. Le tableau montre l'évolution des longueurs de rupture en fonction de la teneur en PAE.
Figure imgf000014_0001
On aura noté que l'association PAE / latex mixte permet de relever sensiblement les valeurs de REH en même temps qu'elle permet d'obtenir de très faibles Cobb.
Exemple 4
Dans cet exemple la suspension fibreuse a été traitée seulement avec 1 % de PAE.
Exemple 5
Dans cet exemple la suspension fibreuse a été traitée successivement avec 1 % de PAE et avec 1 % de latex DAF 25.
Exemple 6
Pour cet exemple on a réalisé dans un premier temps une composition stable de PAE et de latex DAF 36. L'apport-de chaque composé dans la matière sèche est de 50 %. Dans un deuxième temps on a traité la suspension fibreuse avec 2 % de la composition stable.
Les résultats obtenus sont résumés dans le tableau suivant :
Figure imgf000014_0002
(*) Dans cet exemple le mélange PAE/Latex a été réalisé préalablement au traitement de la suspension fibreuse.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement du papier consistant en l'application sur le papier d'une résine cationique et d'une dispersion aqueuse d'un polymère dispersé sous forme de particules de diamètre allant de 30 à 500 nm, stabilisées par un tensio-actif polymérique ou non, caractérisé en ce que ladite dispersion contient :
- de 0,5 à 10 % en poids par rapport au poids total des particules de motifs dérivés par polymérisation d'au moins un monomère (A) portant au moins une fonction acide, et
- de 90 à 99,5 % en poids par rapport au poids total des particules de motifs dérivés par polymérisation d'au moins un monomère (B) polymérisable en émulsion et copolymérisable avec A tel que les monomères vinyliques, méth(acryliques), styréniques et diéniques, les monomères (A) étant portés indifféremment, partiellement ou en totalité par le tensio-actif polymérique ou par le polymère dispersé.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la dispersion renferme de 0,5 à 5 % en poids de motifs issus du monomère (A).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que (A) est choisi dans le groupe contenant les mono ou diacides carboxyliques α, β insaturés tels que l'acide acrylique, l'acide méthacrylique, l'acide maléique ou leurs dérivés tels que l'anhydride maléique.
4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que (A) est l'acide acrylique.
5. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que A est l'anhydride maléique.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le tensio-actif est choisi dans le groupe constitué de :
- tensio actifs ioniques tels que le dodécylbenzène sulfonate de sodium ou les sulfates d'alcool gras éthoxylés,
- tensio actifs non ioniques tels que les alcools gras éthoxylés, et
- tensio actifs polymériques tels que les polymères comportant d'une part un monomère A et d'autre part un monomère choisi dans la famille des monomères styréniques, vinyliques ou des esters (méth)acryliques ou les polymères naturels modifiés tels que l'amidon oxydé.
7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que le tensio-actif est un copolymère styrène / anhydride maléique.
8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que le tensio-actif est un copolymère méthacrylate de méthyle / acide acrylique.
9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que le tensio-actif est un copolymère styrène / acide acrylique.
10. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le tensio-actif est l'amidon oxydé.
11. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les polymères dispersés de la composition aqueuse sont issus de la polymérisation radicalaire en émulsion au sein de la solution de tensio-actif d'un mélange globalement hydrophobe de monomères, dont on peut régler la composition de façon à obtenir un polymère présentant une ou plusieurs températures de transition vitreuse Tg comprises entre -20°C et + 100°C.
12. Procédé selon la revendication 1 1 caractérisé en ce que les monomères à polymériser sont choisis parmi les monomères vinyliques, styréniques, (méth)acryliques, diéniques, et les acides carboxyliques α, β insaturés et leurs dérivés.
13. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel les quantités utiles des agents de résistance humide, exprimées en poids de matière sèche par rapport à la masse de fibres sèches, sont respectivement de 0, 1 à 5 %, préférentiellement de 0,5 à 3 %, de dispersion aqueuse, et de 0,1 % à 5 %, préférentiellement de 0,5 à 4 %, de résine PAE.
14. Composition aqueuse contenant :
- de 5 à 15 % en poids d'une résine cationique telle que la PAE et,
- de 5 à 15 % en poids d'un polymère thermoplastique dispersé sous forme de particules de diamètre compris entre 30 et 500 nm caractérisée en ce que ledit polymère contient de 0,5 à 10 % en poids de motifs dérivés par polymérisation d'au moins un monomère (A) contenant une fonction acide et que les particules sont stabilisées par un tensio-actif non ionique ou par un mélange de tensio-actifs ioniques et non ioniques.
15. Composition selon la revendication 14 caractérisée en ce que le monomère A est choisi dans le groupe contenant les mono ou diacides carboxyliques α, β insaturés tels que l'acide acrylique, l'acide méthacrylique, l'acide maléique et leurs dérivés tels que l'anhydride maléique.
16. Composition selon la revendication 15 caractérisée en ce que le monomère A est l'acide acrylique.
17. Composition selon la revendication 15 caractérisée en- ce que le monomère A est l'anhydride maléique.
18. Composition selon l'une des revendications 14 à 17 caractérisée en ce que le tensio-actif non ionique est choisi dans le groupe constitué par les nonylphénols éthoxylés et les alcools gras éthoxylés.
19. Composition selon l'une des revendications 14 à 18 caractérisée en ce que le polymère thermoplastique est obtenu par polymérisation en émulsion au sein de la solution de tensio-actif d'un mélange de monomères contenant :
- de 0,5 à 10 % d'au moins un monomère A, et
- de 99,5 à 90 % d'au moins un monomère B, la composition du mélange est définie de façon à obtenir un polymère thermoplastique présentant une ou plusieurs températures de transition vitreuse (Tg) comprises entre -20 °C et 100°C.
20. Procédé de traitement du papier consistant en l'application sur le papier de la composition des revendications 14 à 19 dans lequel les quantités utiles des agents de résistance humide exprimées en poids de matière sèche par rapport à la masse de fibres sèches est de 0, 1 à 10 % et de préférence de 0,2 à 5 %.
21. Procédé de fabrication de papier à résistance humide dans lequel on introduit dans une pâte cellulosique chimique constituée de fibres végétales raffinées à fort degré Shopper-Riegler, notamment des fibres de coton, successivement ou simultanément, une résine PAE et un promoteur constitué par un latex à base d'une dispersion très fine de copolymères thermoplastiques de styrène et d'acrylate de butyle dans une solution aqueuse d'un copolymère styrène / anhydride maléique.
22. Procédé de fabrication de papiers hydropobes à résistance humide dans lequel on introduit dans la pâte cellulosique, successivement ou simultanément, une résine PAE et un promoteur constitué par un latex à base d'une dispersion très fine de copolymères thermoplastiques de styrène et d'acrylate de butyle dans une solution aqueuse d'un copolymère styrène / anhydride maléique, ce latex ayant une température minimale de filmification comprise entre O et + 60°C, et présentant une température de transition vitreuse entre -20 et + 60°C.
23. Procédé de fabrication de papier à résistance humide dans lequel on introduit dans une pâte cellulosique chimique constituée de fibres végétales raffinées à fort degré Shopper-Riegler, notamment des fibres de coton, successivement ou simultanément, une résine PAE et un promoteur constitué par une dispersion très fine de polymères thermoplastiques de terpolymère acrylate de butyle / méthacrylate de méthyle / acide méthacrylique de composition 58,3 / 38,7 / 3.
24. Procédé de fabrication de papiers hydrophobes à résistance humide dans lequel on introduit dans la pâte cellulosique, successivement ou simultanément, une résine PAE et un promoteur constitué par une dispersion très fine de polymères thermoplastiques ayant une température minimale de filmification comprise entre 0 et + 60°C, et présentant une température de transition vitreuse entre -20 et + 60°C.
25. Procédé de fabrication de papiers hydrophobes à résistance humide dans lequel on introduit dans la pâte cellulosique une composition dont la matière sèche est composée de 50 % de PAE et de 50 % d'un terpolymère acrylate de butyle / méthacrylate de méthyle / acide acrylique de composition 58,3 / 38,7 / 3.
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