專利名稱：施膠組合物的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及紙張和紙板制品的施膠。更具體地說，本發(fā)明涉及基本上不含水的施膠組合物和含水施膠分散體，該分散體包含纖維素反應性施膠劑和可從含脂族烯烴和不飽和羧酸的衍生物的混合物得到的酯化共聚物。
通常的纖維素反應性施膠劑，特別是取代的琥珀酸酐在含水介質(zhì)中分解，即喪失了施膠能力。因此，含有纖維素反應性施膠劑的施膠分散體必須制備后很快使用。取代的琥珀酸酐在水介質(zhì)中很不穩(wěn)定，以至含該施膠劑的分散體必須在接近使用的地點配制，即在造紙廠。
因此，本發(fā)明的目的是提供儲存穩(wěn)定的施膠組合物，該組合物含有容易乳化的纖維素反應性施膠劑。
本發(fā)明的另一個目的是通過不使用高壓乳化/分散設備來簡化含有纖維素反應性施膠劑的分散體/乳液的制備。
本發(fā)明的另一個目的是通過不加入任何另外的乳化劑而形成乳液來簡化分散體/乳液的制備，所述乳化劑不包含在本發(fā)明的組合物中。
本發(fā)明的另一個目的是降低本發(fā)明的組合物的運輸成本。
從下面的描述中，本發(fā)明的其它目的顯而易見。
US5266165公開了長鏈烯烴和以半酰胺形式存在的馬來酸酐或衣康酸酐和嗎啉的共聚物，其包含于含水施膠分散體中。
WO9916973提到含有纖維素反應性膠料和纖維素非反應性膠料的水性分散體，其中纖維素非反應性膠料是苯乙烯或取代的苯乙烯與含羧基的乙烯基單體或烯屬不飽和羧酸的共聚物。
US4695401和US4915786提到含有通過ASA和具有1至3個反應性極性基團的非離子水溶性化合物進行反應生成的乳化劑的ASA組合物。后一種化合物的具體例子為聚乙二醇或聚丙二醇，其一端可用烷基進行封端。形成的產(chǎn)物是酯，其中聚亞烷基二醇與1至3個ASA化合物相連。
通過提供基本上不含水的施膠組合物，得到了儲存的穩(wěn)定性。而且，基本上不含水的施膠組合物可以長距離運輸，這不僅由于提高的穩(wěn)定性，還在于其防水性。含有纖維素反應性施膠劑的基本上不含水的施膠組合物與水性分散體相比，對溫度變化的耐受力更強。發(fā)明詳述根據(jù)本發(fā)明，纖維素反應性施膠劑選自本領域公知的任何纖維素反應性施膠劑。纖維素反應性施膠劑以2-氧雜環(huán)丁酮(2-oxetanone)類施膠化合物或取代的琥珀酸酐(通常稱為ASA)或其混合物為宜，尤其優(yōu)選ASA。
優(yōu)選的2-氧雜環(huán)丁酮施膠劑是具有至少一個反應性2-氧雜環(huán)丁酮基團和疏水烴側基的2-氧雜環(huán)丁酮類施膠化合物的混合物。2-氧雜環(huán)丁酮化合物的混合物以在35℃不是固態(tài)為宜。優(yōu)選2-氧雜環(huán)丁酮化合物的混合物在25℃、更優(yōu)選在20℃不是固態(tài)。更優(yōu)選施膠劑在35℃、更優(yōu)選在25℃、最優(yōu)選在20℃是液態(tài)。術語“液態(tài)”用于施膠劑本身而不是組合物或分散體。2-氧雜環(huán)丁酮施膠劑的優(yōu)選結構如下 其中n可為0～6，更優(yōu)選0～3，最優(yōu)選為0。R和R"可以相同也可以不同，它們選自直鏈或支鏈的烷基或烯基。如果n＝0，以不是所有的都是直鏈烷基為宜。優(yōu)選施膠劑的至少25wt％由2-氧雜環(huán)丁酮結構組成，其中R和R"中的至少一個不是直鏈烷基。R和R"在本質(zhì)上可以基本上是疏水性的，以無環(huán)為宜，而且優(yōu)選長度至少為6個碳原子，更優(yōu)選從8個到最多36個、最優(yōu)選從12個到最多20個碳原子。當n＞0時，類施膠劑稱為2-氧雜環(huán)丁酮多聚體。R’優(yōu)選直鏈烷基，更優(yōu)選含6～16個碳原子、最優(yōu)選含8～20個碳原子的直鏈烷基。優(yōu)選2-氧雜環(huán)丁酮施膠劑由具有諸如雙鍵和鏈支化之類的不規(guī)則性的脂肪酸或脂肪酰氯組成。優(yōu)選的脂肪酸選自油酸、亞油酸、亞油酸、棕櫚油酸、十二碳烯酸、十四碳烯酸(肉豆蔻腦酸)、十六碳烯酸(棕櫚油酸)、十八碳二烯酸(反亞油酸)、十八碳三烯酸(亞麻酸)、二十碳烯酸(順9-二十碳烯酸)、二十碳四烯酸(花生四烯酸)，二十二烯酸(芥酸)、二十二碳烯酸(巴西烯酸)和二十二碳五烯酸(clupanodinic)或其混合物。
根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方案，纖維素反應性施膠劑是適當?shù)闹T如取代的琥珀酸酐的酸酐，其可用下述通式(I I)表示，其中RA和RB可以相同或不同，并表示適當?shù)睾?～30個碳原子的飽和或不飽和烴基，或RA與RB一起和-C-O-C-部分可形成5～6員環(huán)，可以選擇性地進一步用含最多30個碳原子的烴基取代。工業(yè)上使用的酸酐的例子包括烷基和烯基琥珀酸酐，特別是異十八烯基琥珀酸酐。取代的琥珀酸酐的另外例子為異十八烷基琥珀酸酐、正十六碳烯基琥珀酸酐、十二碳烯基琥珀酸酐、癸烯基琥珀酸酐、辛烯基琥珀酸酐、三異丁烯基琥珀酸酐、1-辛基-2-癸烯基-琥珀酸酐和1-己基-2-辛烯基-琥珀酸酐。 適當?shù)南┩畚锖退狒ㄓ涊d于美國專利4,522,686、3102064、3821069、3968005中的化合物，在此將上述文獻引入作為參考。
在本發(fā)明中適于用作乳化劑的酯化共聚物優(yōu)選是可由含一種或多種脂族烯烴和一種或多種不飽和羧酸的衍生物的反應混合物得到的共聚物。該共聚物通過含一種或多種脂族烯烴和一種或多種不飽和羧酸的衍生物的單體混合物來適當?shù)刂苽?，條件是所述混合物不含丙烯酸烷基酯。適當?shù)墓簿畚镉涊d于DE3136931A1中，在此將其引入作為參考。
為得到共聚物而使用的脂族烯烴優(yōu)選脂族α-烯烴，該脂族α-烯烴通常含約3至約36個碳原子，優(yōu)選約8至約30個碳原子，更優(yōu)選約12至約26個碳原子，最優(yōu)選14至24個碳原子。脂族烯烴以直鏈或支鏈或直鏈或支鏈烯烴的混合物為宜，盡管更優(yōu)選直鏈烯烴。
根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方案，酯化共聚物由含脂族烯烴和不飽和二羧酸的衍生物的混合物來制備。術語“不飽和二羧酸”也包括不飽和酸酐。不飽和二羧酸的衍生物以α，β-不飽和二羧酸的衍生物為宜，α，β-不飽和二羧酸可以是馬來酸、富馬酸、檸康酸、甲基富馬酸、衣康酸、烏頭酸(aconitric acid)等，其中優(yōu)選馬來酸和富馬酸。諸如α，β-不飽和二羧酸的不飽和二羧酸的衍生物以諸如不飽和二羧酸的二酯或單酯、優(yōu)選單酯的二羧酸酯為宜。
不飽和二羧酸的衍生物以包括含有親水性部分的化合物為宜，所述的親水性部分通過酯官能團共價連接到不飽和二羧酸上，即不飽和二羧酸的衍生物以用含親水性部分的化合物諸如聚環(huán)氧烷烷基醚進行酯化為宜。聚環(huán)氧烷烷基醚以含有1至45個亞烷氧基，更優(yōu)選5至30個，最優(yōu)選7至25個亞烷氧基。適當?shù)木郗h(huán)氧烷為聚環(huán)氧乙烷和聚環(huán)氧丙烷，其中優(yōu)選聚環(huán)氧乙烷烷基醚。聚環(huán)氧烷烷基醚中的烷基優(yōu)選含有1至36個碳原子，以含1至8個碳原子為宜，最優(yōu)選含1至8個碳原子的直鏈烷基。烷基可以是直鏈或支鏈的。
乳化劑的平均分子量以1000至100000為宜，優(yōu)選為10000至50000。
共聚物以由兩種方式得到為宜。根據(jù)本發(fā)明的一種實施方案，以通過將烯烴與不飽和二羧酸或酸酐的衍生物進行共聚合、隨后用含親水性部分的化合物進行酯化來制備該共聚物為宜。不飽和二羧酸與烯烴優(yōu)選在過氧化物催化劑存在下，在惰性氣氛中進行共聚合，反應溫度為70℃至250 ℃。不飽和二羧酸與烯烴的摩爾比可為0.5∶1至4∶1，更優(yōu)選0.8∶1至3∶1。含親水性部分的化合物與不飽和二羧酸的摩爾比以0.5∶1至3∶1為宜，更優(yōu)選1∶1至2∶1。按照該反應途徑得到的共聚物(乳化劑)中烯烴與不飽和二羧酸的摩爾比可以為約1∶1。
根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方案，共聚物可由與烯烴共聚合反應的已經(jīng)酯化的不飽和二羧酸得到。該方法的特點在于在過氧化物催化劑存在下在惰性氣氛中，烯烴與已經(jīng)酯化的不飽和二羧酸進行共聚合反應，溫度為約120℃至250℃。在反應混合物中的酯化的不飽和二羧酸與烯烴的摩爾比可在1∶0.5～1∶7的范圍內(nèi)變化。根據(jù)該實施方案，以得到烯烴與不飽和二羧酸的摩爾比為0.5∶1至4∶1的共聚物為宜。
而且，該共聚物以具有由碳原子組成的主鏈為宜。
本發(fā)明提供了基本上不含水的施膠組合物和含水施膠分散體，其中分散體包含纖維素反應性施膠劑和可從含有脂族烯烴和不飽和羧酸的衍生物的混合物得到的酯化共聚物?！盎旧喜缓笔侵缚梢源嬖谏倭康乃?；水含量可為0wt％至10wt％，以小于5wt％為宜，優(yōu)選小于2wt％。最優(yōu)選基本上不含水的組合物不含水，即組合物含有小于0.1％的水。
本發(fā)明還包括制備含水施膠分散體的方法，該方法包括將含有纖維素反應性施膠劑和可從含脂族烯烴和不飽和羧酸衍生物的混合物得到的酯化共聚物的基本上不含水的組合物在水溶液中進行分散，其中優(yōu)選使用低剪切力。
本發(fā)明還涉及基本上不含水的組合物或含水施膠分散體在紙張或紙板的施膠或表面施膠中的應用。
基本上不含水的組合物以包含約0.1到50wt％、更優(yōu)選0.5到20wt％、最優(yōu)選5到15wt％的乳化劑為宜，所述組合物中的其余部分以基本上是纖維素反應性施膠劑為宜。優(yōu)選將共聚物與纖維素反應性施膠劑在溫和加熱、以30℃到100℃的溫度為宜進行混合。根據(jù)本發(fā)明，基本上不含水的組合物因沒有與纖維素反應性施膠劑進行反應的化學部分而具有優(yōu)異的儲存穩(wěn)定性。因此，該施膠組合物可以在使用地點以外的地方配制。該組合物可在高溫下儲存較長的時間，而不會損害粒徑和/或粒徑分布和/或降低隨后的分散體/乳液的施膠性能。
優(yōu)選將基本上不含水的組合物在就要加入到濕料之前進行乳化。但是，為了得到適當粒徑的纖維素反應性施膠劑，只要提供適當量的剪切力就可將基本上不含水的組合物直接引入到濕料中。優(yōu)選將該組合物水相中進行乳化。優(yōu)選用低剪切力將該基本上不含水的組合物進行乳化。高剪切力與低剪切力的區(qū)別是本領域的公知常識。優(yōu)選在不需要高剪切渦輪泵或高壓均化作用的條件下，而是僅僅通過攪拌、通過使用低剪切文丘里系統(tǒng)、通過混合閥或使用紙漿生產(chǎn)系統(tǒng)中存在的攪拌，引入低剪切力。而且，還可以通過使用葉輪攪拌器引入剪切力。不管使用哪種方法應用剪切力，生成的水性乳液具有窄的粒徑分布和適當?shù)牧健?br> 優(yōu)選含水施膠分散體至少含有約0.5wt％、更優(yōu)選約0.5到20wt％、最優(yōu)選1到5wt％的纖維素反應性施膠劑。
根據(jù)本發(fā)明的另一種優(yōu)選實施方案，該組合物和/或分散體可含有本領域的技術人員公知的常用固定劑、穩(wěn)定劑和/或活化劑(下文稱為添加劑)，諸如陰離子化合物、陽離子化合物或兩性化合物或其混合物，例如陽離子或兩性淀粉、聚胺、聚酰胺型胺或另外的乙烯基加成聚合物。這些添加劑以在制備水性分散體時加入為宜，更優(yōu)選在乳化之后加入。
本發(fā)明的組合物/乳液可用作利用任何類型的纖維素纖維來生產(chǎn)紙張或紙板過程中的傳統(tǒng)方式的施膠劑。優(yōu)選將本發(fā)明用于紙張或紙板的生產(chǎn)過程中，即，將基本上不含水的組合物或施膠劑的含水乳液加入到含纖維素纖維和可有可無的填料的紙漿中，然后將該紙漿在造紙網(wǎng)上進行脫水來得到紙張或紙板和白水。而且，乳液的應用不限于內(nèi)施膠，因此，乳液還可用于表面或紙漿施膠。術語“紙張”應該理解為廣義的，包括諸如板或紙板之類的片狀或網(wǎng)狀的所有類型的纖維素基產(chǎn)品。紙漿包括纖維素纖維，其選擇性地與纖維素纖維含量至少50重量％(按照干料計)的無機填料相結合。無機填料的例子包括高嶺土、瓷土、氧化鈦、石膏、滑石和諸如粉筆、磨碎的大理石和沉淀碳酸鈣之類的天然的和合成的碳酸鈣。加入到紙漿中的纖維素反應性施膠劑的量可為0.01到5wt％、適當?shù)貫?.05到1.0wt％(按照纖維素纖維和可有可無的填料的干重計)，其中劑量主要取決于紙漿或紙的質(zhì)量、所用的施膠劑和所需的施膠程度。
在造紙過程中加到料中的諸如助留劑、鋁的化合物、染料、濕強度樹脂、光學增亮劑的傳統(tǒng)化學品可與本發(fā)明的施膠組合物/乳液一起使用。適當?shù)闹魟┑睦影栯x子聚合物或與有機聚合物混合的陽離子無機材料，例如膨潤土與陽離子聚合物混合、二氧化硅基溶膠與陽離子聚合物或陽離子和陰離子聚合物進行組合。當本發(fā)明的組合物/乳液與含有陽離子聚合物的助留劑組合使用時，可以得到特別良好的紙漿施膠。適當?shù)年栯x子聚合物包括陽離子淀粉、瓜爾膠、丙烯酸酯和丙烯酰胺-基聚合物、聚乙烯亞胺、二氰胺-甲醛、聚胺、聚酰胺型胺和聚(二烯丙基二甲基氯化銨)和其組合物。優(yōu)選使用陽離子淀粉和陽離子丙烯酰胺基聚合物，單獨使用或組合使用。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，將乳液與含有至少一種陽離子聚合物和陰離子二氧化硅基顆粒的助留系統(tǒng)組合使用?？稍诩尤腙栯x子聚合物之前、之中、之后或同時加入本發(fā)明的乳液。也可以將膠料乳液與諸如陽離子聚合物或陰離子二氧化硅基材料的助留劑進行預混合，然后再把這樣得到的混合物加到料中。
下述實施例進一步說明了本發(fā)明，但是本發(fā)明并不受它們的限制。除非另有指出，“份”和“％”分別表示“重量份”和“重量％”。
表1
制備施膠組合物乳化劑(A-F)以適當量與ASA混合，得到澄清液。將該混合物于80℃至少保持2小時，得到完全的乳化作用。
將含有乳化劑的每種施膠組合物按照乳化后的粒徑分布進行評價。在水中的乳化是利用葉輪攪拌機在低剪切下、在設定時間內(nèi)完成。燒杯(250ml)裝有100ml的冷自來水。在攪拌(1600rpm)條件下，向燒杯中加入3gASA/乳化劑組合物。使用Mastersizerμ(Malvern儀器)分析得到的組合物/乳液的粒徑分布。使用不同的乳化劑得到的結果總結于表II中。所有顆粒的50％(90％)不大于Dv50(Dv90)給出的數(shù)。小顆粒、尤其是90％的值是良好的施膠性能所必需的。表II將ASA和乳化劑在80℃下混合2小時。在20℃下儲存1個月后進行乳化。
實施例2將本發(fā)明的乳化劑與現(xiàn)有技術的乳化劑進行對比。按照本發(fā)明的乳化劑A，通過適量的聚乙二醇前體(PEG)或甲氧基聚乙二醇前體(MPEG)與ASA的反應就地得到的乳化劑進行對比。乳化劑含量的有效量是加入的PEG或MPEG與用PEG或MPEG酯化的ASA的等同量的和?？紤]到本發(fā)明的聚合乳化劑含有高達2wt％的MPEG，其與ASA反應，因此，得到更高的有效乳化劑濃度。
下面實施例中的ASA/乳化劑組合物由ASA與適量的PEG、MPEG或本發(fā)明的聚合乳化劑分別混合制備，使得到的組合物共計為200g，有效乳化劑濃度為12wt％。在80℃下利用磁性攪拌器進行攪拌，制備組合物，并在烘箱中的密閉玻璃器皿中在80℃下另外放置21/2小時。表III
*與ASA反應后生成12％的有效乳化劑。
表III說明，本發(fā)明的施膠組合物在儲存以后與現(xiàn)有技術的乳化劑相比，乳化能力明顯提高。
用作施膠劑的ASA乳液通過ASA-乳化劑組合物用根據(jù)實施例1的10wt％的乳化劑A(Dapral GE202)乳化來制備。在不同的加入速率下的施膠結果和ASA乳液的粒徑分布列于表IV中。表IV
從表IV可明顯的看出本發(fā)明的組合物表現(xiàn)出良好的施膠性能。
權利要求
1.一種基本上不含水的施膠組合物，其特征在于，該組合物含有纖維素反應性施膠劑和可以從含脂族烯烴和不飽和羧酸衍生物的混合物得到的酯化共聚物。
2.根據(jù)權利要求1所述的施膠組合物，其特征在于，不飽和羧酸衍生物是不飽和二羧酸的衍生物。
3.根據(jù)權利要求2所述的施膠組合物，其特征在于，不飽和二羧酸的衍生物是酯化的α，β-不飽和二羧酸。
4.根據(jù)權利要求2所述的施膠組合物，其特征在于，不飽和二羧酸的衍生物是不飽和二羧酸的單酯。
5.根據(jù)權利要求2所述的施膠組合物，其特征在于，不飽和二羧酸的衍生物是不飽和二羧酸的二酯。
6.根據(jù)權利要求2至5所述的施膠組合物，其特征在于，將不飽和二羧酸用含親水性部分的化合物酯化。
7.根據(jù)權利要求2至6所述的施膠組合物，其特征在于，將不飽和二羧酸用聚環(huán)氧烷烷基醚酯化。
8.根據(jù)權利要求7所述的施膠組合物，其特征在于，聚環(huán)氧烷烷基醚含有1至45個亞烷氧基。
9.根據(jù)權利要求7至8所述的施膠組合物，其特征在于，聚環(huán)氧烷烷基醚中的烷基含有1至36個碳原子。
10.根據(jù)前述權利要求的任何一項所述的施膠組合物，其特征在于，纖維素反應性施膠劑是取代的琥珀酸酐或2-氧雜環(huán)丁酮類化合物。
11.根據(jù)前述權利要求的任何一項所述的施膠組合物，其特征在于，纖維素反應性施膠劑是取代的琥珀酸酐。
12.權利要求1至11所述的基本上不含水的施膠組合物在施膠或表面施膠紙或板中的應用。
13.一種生產(chǎn)紙或板的方法，該方法包括將權利要求1至11所述的基本上不含水的施膠組合物加入到含纖維素纖維和任選的填料的料中，然后將料在造紙網(wǎng)上脫水，得到紙或板和白水。
14.一種含水施膠分散體，其特征在于，該分散體含有纖維素反應性施膠劑和可從含脂族烯烴和不飽和羧酸衍生物的混合物得到的酯化共聚物。
15.根據(jù)權利要求14所述的含水施膠分散體，其特征在于，纖維素反應性施膠劑的量至少為0.5wt％。
16.按照權利要求14和15所定義的含水施膠分散體在施膠或表面施膠紙或板中的應用。
17.一種制備紙或板的方法，該方法包括將按照權利要求14所述的含水施膠分散體加入到含纖維素纖維和任選的填料的料中，然后將料在造紙網(wǎng)上脫水，得到紙或板和白水。
18.一種制備含水施膠分散體的方法，該方法包括將按照權利要求1至11所述的基本上不含水的組合物在水溶液中進行分散。
全文摘要
本發(fā)明涉及基本上不含水的施膠組合物、含水施膠分散體、其在施膠或表面施膠紙張和紙板中的應用和制備紙張和紙板的方法。該基本上不含水的施膠組合物含有纖維素反應性施膠劑和從含脂族烯烴和不飽和羧酸的衍生物的混合物得到的酯化共聚物。更具體地說，該組合物含有從含α－烯烴和α，β－不飽和羧酸衍生物的混合物得到的酯化共聚物。
文檔編號D21H17/16GK1409788SQ00817149
公開日2003年4月9日 申請日期2000年12月12日 優(yōu)先權日1999年12月16日
發(fā)明者R·J·米爾斯, J·霍夫曼, R·克魯克爾, A·范德伯格 申請人:阿克佐諾貝爾公司