DE69433311T2

DE69433311T2 - Verfahren und Zusammensetzung zur Leimung von Papier

Info

Publication number: DE69433311T2
Application number: DE69433311T
Authority: DE
Inventors: Michael G. Fitton; Luc A. Van Der Auwera; Dr. Jan-Luiken Hemmes
Original assignee: Cerestar Holding BV
Current assignee: Cerestar Holding BV
Priority date: 1993-04-16
Filing date: 1994-04-07
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2014-04-08
Also published as: EP0620315A1; ATE254212T1; JP3424976B2; EP0620315B1; NO307475B1; FI941772A0; GB9307866D0; FI941772L; NO941372D0; NO941372L; JPH07197397A; DE69433311D1; CA2121432A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Leimung von Papier unter Verwendung einer Stärke-enthaltenden Zusammensetzung, worin jedes Stärkemolekül durch eine kationische Gruppe und eine n-Alkenylsuccinylgruppe substituiert ist, wobei die n-Alkenylsuccinylgruppe 5 bis 20 Kohlenstoffatome in der Alkenylkette enthält.
EP-A-350 668 beschreibt und beansprucht eine Stärkezusammensetzung, die ein physikalisches Gemisch aus 10 bis 70% (Gewicht) einer kationischen Stärke und 30 bis 90% (Gewicht) einer ASA-behandelten Stärke ist, wobei die ASA-behandelte Stärke ein Monoester eines Alkenylsuccinats ist. Im Rahmen des Patents steht „ASA" für „Alkenylbemsteinsäureanhydrid". Über das Stärkegemisch von EP-A-350 668 wird gesagt, daß es als ein äußerer Leim für Papier oder Pappe von besonderer Nützlichkeit ist, wenn es als eine wäßrige Dispersion mit einem Feststoffgehalt von etwa 2 bis etwa 20 Gew.-% aufgetragen wird.
Die in EP-A-350 668 beschriebenen Stärkegemische werden durch das physikalische Beimischen einer kationischen Stärke und einer ASA-behandelten Stärke hergestellt, und das resultierende Gemisch besteht daher aus Stärkemolekülen, die durch einen einzigen wichtigen Substituenten substituiert sind. Wir haben jedoch herausgefunden, daß die Zusammensetzungen von EP-A-350 668 trotz eines effektiven Leims einen signifikanten Nachteil bei der Verwendung aufweisen, da Stärke verloren geht, wenn das Papier wiederaufgeschlämmt und recycelt wird. Wir haben ebenso herausgefunden, daß dieser Nachteil überwunden werden kann, wenn anstelle eines Gemisches aus zwei Stärken, von denen jede durch einen einzigen wichtigen Substituenten substituiert ist, eine zweichfach substituierte Stärke als Grundlage der Leimzusammensetzung verwendet wird, in der die Stärke beide wichtige Substituenten in demselben Molekül enthält. Die neue Zusammensetzung kann sowohl als ein innerer als auch als ein äußerer Leim bei der Papier- und Pappeverarbeitung verwendet werden.
US-A-4 626 288 enthält eine Beschreibung eines Produktes, das durch die Umsetzung eines kationisierten Stärkeethers mit Tetradecenylbernsteinsäureanhydrid erzeugt wird. Das Produkt ist jedoch nicht als ein Verleimungsmittel vorgesehen, sondern als ein Produkt, das ein Hochtemperaturgel mit einer starken Gelstruktur ergibt, das insbesondere in Nahrungsmittelpräparaten von Nutzen ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Leimung einer Papierzusammensetzung daher durch die Einlagerung in oder die Auftragung auf das Papier, einer Stärkzusammensetzung, in der die Stärkemoleküle in der Zusammensetzung sowohl durch kationische als auch durch n-Alkenylsuccinylgruppen substituiert sind, worin die n-Alkenylsuccinylgruppe 5 bis 20 Kohlenstoffatome in der Alkenylkette enthält, charakterisiert.
Das Leimungsverfahren kann unter Bedingungen durchgeführt werden, die bei der Auftragung von Stärke-basierenden Leimen auf Papier und Pappe üblich sind. Daher kann die Stärkezusammensetzung am „Nassende" des Papierherstellungsverfahrens in den Papierzellstoff eingelagert werden (innerer Leim) oder sie kann in einer Leimpresse auf den Papierbogen aufgetragen werden (äußerer Leim). Für beide Anwendungen sollte die Stärkezusammensetzung vor der Verwendung gelatiniert werden, und zur Verwendung als ein äußerer Leim wird die Stärkezusammensetzung vorzugsweise als eine gelatinierte wäßrige Dispersion, die 2 bis 30 Gew.-% Feststoffe enthält, aufgetragen werden.
Der kationische Substituent in dem Stärkemolekül kann jeder Substituent sein, der in herkömmlichen mono-substituierten kationischen Stärken zu finden ist. Vorzugsweise ist der kationische Substituent eine tertiä re Amino- oder quartäre Ammoniumgruppe, wie das Produkt, das aus der Umsetzung einer Stärke unter alkalischen Bedingungen mit einem Dialkylaminoalkylhalogenid, einem Trialkylammoniumalkylhalogenid, einem Dialkylaminoalkylchlorhydrin, einem Trialkylammonimalkylchlorhydrin oder mit einer Epoxidform der Chlorhydrine erhalten wird. Besonders bevorzugt sind kationische Substituenten, die durch die Umsetzung von Mais-, Wachsmais-, Weizen-, Gerste- oder Kartoffelstärke mit dem Chlorhydrin 3-Chlor-2-(hydroxypropyl)trialkylammoiniumchlorid oder seinem Epoxidäquivalent eingelagert werden. In der letzteren Verbindung ist „Alkyl" geeigneterweise Methyl, Ethyl oder Propyl.
Der n-Alkenylsuccinyl-Substituent enthält 5 bis 20 Kohlenstoffatome in der Alkenylkette, wobei der n-Octenylsuccinyl-Substituent bevorzugt wird.
Die zweifach substituierte Stärke, die in den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen verwendet wird, wird vorzugsweise aus einer kationischen Stärke durch die Umsetzung mit n-Alkenylbernsteinsäureanhydrid hergestellt. Die kationische Stärke wird beispielsweise durch die Umsetzung von Stärke mit einem Chlorhydrin wie 3-Chlor-2-(hydroxypropyl)-trimethylammoiniumchlorid, geeigneterweise bei einer Temperatur von 40 bis 45°C und bei einem pH von 11 oder mehr hergestellt. Die hergestellte kationische Stärke weist geeigneterweise einen Substitutionsgrad von 0,005 bis 0,06 auf, vorzugsweise 0,01 bis 0,05. Die nachfolgende Umsetzung der kationischen Stärke mit dem n-Alkenylbernsteinsäureanhydrid wird geeigneterweise bei einem pH von etwa 8 und bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 30°C durchgeführt. Der Substitutionsgrad der n-Alkenylsuccinylgruppe liegt geeigneterweise zwischen 0,01 und 0,06, vorzugsweise zwischen 0,02 und 0,04.
Wird die zweifach substituierte Stärke als ein innerer Leim verwendet, d. h, sie wird zu dem Papierzellstoff zugegeben, ist sie im allgemeinen nicht zersetzt, aber wird sie als ein äußerer Leim verwendet, ist sie durch die Behandlung mit einer Säure oder einem Enzym oder mit einem Oxidationsmittel wie Wasserstoffperoxid oder Natriumhypochlorit vorzugsweise leicht zersetzt. Die Zersetzung kann vor oder nach der Substitution oder in einem Zwischenstadium der Substitution stattfinden. Sie findet vorzugsweise nach der Kationisation, aber vor der Umsetzung der kationisierten Stärke mit dem n-Alkenylbernsteinsäweanhydrid statt. Wünschenswert ist ebenso die Einbeziehung eines Antischaummittels, zum Beispiel eines Silikons, in die Zusammensetzung, um der Wirkung der n-Alkenylsuccinylgruppe auf die Oberflächenaktivität entgegenzuwirken.
EP-A-350 668, auf das oben bezug genommen wurde, offenbart, daß die Zugabe einer kleinen Menge eines Aluminium-III-Salzes, die Eigenschaften des Gemisches der Stärken, das in dem Patent beschrieben wird, erhöht, wobei Aluminiumchlorid bevorzugt wird. Auf ähnliche Weise wird ein Aluminiumsalz die Leistung der erfindungsgemäßen Stärkezusammensetzung erhöhen, obgleich nicht vergessen werden darf, daß Aluminiumchlorid eine sehr korrosive Chemikalie ist und wir haben herausgefunden, daß die Gegenwart des Aluminiumsalzes die Schäumungstendenzen aller Zusammensetzungen, in denen es verwendet wird, erhöht.
Papier, das unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Leimungsverfahrens hergestellt wird, ist besonders für Tintenstrahldruck geeignet.
Die Erfindung wird nun bezüglich der folgenden Beispiele weiter beschrieben.
Beispiel
a) Herstellung zweifach substituierter Stärken
Kationisierung
Eine 37 gew.%ige Aufschlämmung einer natürlichen Getreidestärke, die 7,5 Gew.-% Natriumchlorid, basierend auf trockener Stärke, enthält, wird auf 40°C erhitzt und 2,2 Gew.-% 3-Chlor-2-(hydroxypropyl)trimethylammoniumchlorid, basierend auf trockener Stärke werden zugegeben, gefolgt von 1,5 Gew.-% Natriumhydroxid (15 Gew.-% wäßrige Lösung), basierend auf trockener Stärke. Der Reaktions-pH betrug etwa 11,5 und die Reaktionszeit bei 40°C 5 Stunden.
Am Ende der Reaktion wurde der pH des Reaktionsgemisches durch die Zugabe von Salzsäure auf 0,6 verringert und das Gemisch auf 50°C erwärmt und bei dieser Temperatur für einen Zeitraum von 21 Stunden gehalten.
Am Ende des Säureausdünndungsverfahrens wurde der pH des Reaktionsgemisches durch die Zugabe einer Natriumhydroxidlösung auf 8,0 bis 8,5 eingestellt und n-Octenylbernsteinsäureanhydrid in Mengen von 1%, 3% bzw. 5%, basierend auf trockener Stärke, zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde dann bei 30°C eine Stunden gehalten, während der pH bei 8,0 bis 8,5 gehalten wurde. Das Reaktionsgemisch wurde schließlich auf einen pH von 5 neutralisiert und das Produkt mit Wasser gewaschen. Die Einlagerung des n-Octenylbemsteinsäureanhydrids war in jedem Fall größer als 90%.
b) Herstellung der Leimzusammensetzung
Die oben in (a) hergestellten Stärken wurden zu wäßrigen Dispersionen gemacht, die 15 bis 16,5% Trockenfeststoffe enthalten. Die Dispersionen wurden dann in einem Chargenkocher bei 95°C 30 Minuten erwärmt, um die Stärke zu gelatinieren. Die signifikanten Eigenschaften der Stärkedispersionen werden in der folgenden Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1
Verglichen mit der kationischen Stärke A ergeben die zweifach-substituierten Stärkenproben Leimzusammensetzungen mit wesentlich verbesserter Viskositätsstabilität. Außerdem zeigen die Zusammensetzungen, die Stärken mit mehr als 1% n-Octenylsuccinylgruppen enthalten, offensichtlich keine Retrogradation der gelatinierten Stärkedispersion bei einem TF-(Trockenfeststoff)-Gehalt von 15%.
c) Leimung
Die oben in (b) beschriebenen Dispersionen wurden bei einem Trockenfeststoffniveau von 8% in einem Labor-Leimbeschichter bei 80 g/m² holzfreiem Grundpapier mit inner Leimung (UK paper, Cobb-Wert 20 g/m²) verwendet. Die Aufnahme der trockenen Stärke betrug ungefähr 2,6 g/m² insgesamt.
Die Leimpresse-behandelten Bögen wurden nach der Konditionierung gemäß der Verfahren, die in DIN oder TAPPI-Standards spezifiziert werden, getestet. Die Ergebnisse der verschiedenen Tests werden nachstehend in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2
Die Wirkung der Leimdispersionen auf die Wasseraufnahme wird durch den Cobb-Test gemessen. Die Wasseraufnahme verringert sich von A zu E, keine weitere Verbesserung wird von F gezeigt. Eine ähnliche Wirkung wird für die Porosität der Bögen aufgezeichnet, obgleich in diesem Fall die Dispersion F signifikant die am wenigsten poröse ist.
Die Oberflächen-geleimten Bögen wurden ebenso mit einem HP-Deskjet 500 C-Tintenstrahldrucker unter Verwendung schwarzer Tinte bedruckt. Es wurde eine signifikante Verbesserung sowohl der Gratbildung als auch dem Durchdrucken nachgewiesen. Derartige Verbesserungen werden normalerweise nur durch die Zugabe synthetischer Verleimungsmittel erreicht.
d) Stärkeretention und -wiederaufschlämmung
Ein gemäß (c) oben geleimtes Papier wurde in einer Simulation des Recyclings von Papier wieder aufgeschlämmt. Der Stärkeverlust aus den Papierfasern wurde als „Chemischer Sauerstoffverbrauch" (CSV) gemessen und betrug 95 mg/l. Wurde derselbe Test unter Verwendung des äquivalenten physikalischen Gemisches aus kationischer Stärke und ASA-behandelter Stärke gemäß der Lehre aus EP-A-350 668 dwchgeführt, betrug der CSV 275 mg/l, was einen weit größeren Verlust an Stärke aus den Papierfasern anzeigt.

Claims

Verfahren zur Leimung einer Papierzusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, das in das Papier eine Stärkezusammensetzung eingelagert oder auf das Papier aufgetragen wird, in der die Stärkemoleküle in der Zusammensetzung sowohl durch kationische als auch n-Alkenylsuccinylgruppen substituiert sind und worin die n-Alkenylsuccinylgruppe 5 bis 20 Kohlenstoffatome in der Alkenylkette enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kationische Gruppe eine tertiäre Aminoder quartäre Ammoniumgruppe ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kationische Substituent eine quartäre Ammoniumgruppe ist, die durch Reaktion mit 3-Chlor-2-(hydroxypropyl)-trialkylammoniumchlorid oder seinem Epoxidäquivalent in das Stärkemolekül eingeführt wird, wobei „Alkyl" vorzugsweise Methyl, Ethyl oder Propyl ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der n-Alkenylsuccinylsubstituent n-Octenylsuccinyl ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Substitutionsgrad der Stärke durch die kationische Gruppe 0,005 bis 0,06 beträgt und der Substitutionsgrad durch die n-Alkenylsuccinylgruppe 0,01 bis 0,05 beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Stärkezusammensetzung zur Verwendung in dem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine kationische Stärke mit n-Octenylbernsteinsäureanhydrid umgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung leicht zersetzte Stärkemoleküle umfaßt, die sowohl durch kationische als auch durch n-Alkenylsuccinylgruppen substituiert sind, und sie als ein äußerer Leim aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Stärkezusammensetzung gelatiniert wird.
Verfahren nach entweder Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Stärkezusammensetzung ein Aluminiumsalz vorliegt.
Papier-Leimzusammensetzung, umfassend eine gelatinierte Stärkedispersion, in der die Stärkemoleküle sowohl durch kationische als auch durch n-Octenylsuccinylgruppen substituiert sind.
Zusammensetzung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die gelatinierte Stärkedispersion ein Antischaummittel enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, die ebenso ein Aluminiumsalz enthält.