JPS6112998A - 製紙業に使用するポリウレタンラテツクス・サイズ剤およびその製造方法 - Google Patents

製紙業に使用するポリウレタンラテツクス・サイズ剤およびその製造方法

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JPS6112998A
JPS6112998A JP60122353A JP12235385A JPS6112998A JP S6112998 A JPS6112998 A JP S6112998A JP 60122353 A JP60122353 A JP 60122353A JP 12235385 A JP12235385 A JP 12235385A JP S6112998 A JPS6112998 A JP S6112998A
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  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、水にラテックス状で分散したカチオン性ポリ
ウレタンを含む、製紙業特に紙およびカートンに使用す
る新規サイズ剤およびその製造方法に関する。
カチオン性ポリウレタンには既に特許になっているもの
がある。例えば、ポリイソシアネートを2個の水酸基を
有する脂肪族単量体化合物に付加して得られ、且つ塩化
しうるおよび/または4級化しうる第3窒素原子を有す
る脂肪族ジオールによって連鎖が延長された、NGO末
端基を有するプレポリマーから4級アンモニウム化合物
を製造・することが知られている。これは、フランス特
許! 2.256.937号の例である。
また、ジアエニルメタン型)のポリイソシアネートと、
アルキル鎖1が1〜6mの・炭素原子を有している炭素
数5)〜・12′ON、−アルキルシアル方ノ′−ルア
ミンとの・反応生成物であ・っ1て、場合によ、では反
応基が連鎖、*止剤:とじて働(力・チオン性f、、1
1′ウレタンであって、痕ポリウレタンは、プロトンイ
ヒされたおよび/または4級化されたアンモニウム基を
有しており、水に溶解して、紙のサイズ剤として用いる
カチオン性ポリウレタンがフランス特許j12.322
.236号に記載されている。低分子量でありかつ良好
な親水性を有するこれらの化合物は、従来の紙サイズ剤
に用いられたカチオン性化合物に比較してより効果的で
あるとこれらの発明者に認識されている。
本発明に従うと、炭素数7以上のアルキル鎖を有し、ラ
テックス状で使用されるポリウレタンオリゴマーが、紙
の内部サイズに特に有効であることが見出された。紙の
内部サイズとは、シート作製中において本来は減少すべ
き有機物を導入することからなり、それによって印刷も
しくは筆記に適した性質を紙に付与するため)に紙の親
水性を排除する・ことである。
簡1漠に逮べると、本発明;は、オリボウルり・ン・ラ
テックス状の)力・チオン性ボグウレタ′ンを含むサイ
ズ剤からなり、後ウレタンは以j下の式1を有してし)
る。、ただし、上記式において、R2は、炭素1i2〜
6を有するアルキレン基、若しくは、重縮合度1〜4の
ポリオキシアルキレン基であり、R。
は7以上の炭素数を有するアルキル基であ、R4および
Xは、4級化剤R,Xの残基であり、且つ、 H3 で表わされ、R9は炭素数4以下の脂肪族基であり、n
は1〜3の数であるか若しくは、CH。
で表わされ、R5が式: (ただし、R3、R3、R1およびXは前記定義通り)
で表わされ、nは2〜6の数である。
本発明はまた、後述するように、このような化合物を製
造する方法も含んでいる。
本発明は更に、これらのサイズ剤が中性溶媒中で利用す
ることができるという点に特徴を有する紙のサイズ法を
も含んでいる。本発明中で、「サイズ」という語は、紙
の内部サイズのみでなく、製紙後の紙表面のサイズをも
意味するものと解するべきである。
本発明のラテックスは、製紙業に使用するサイズ剤を目
的とするものである。ここで使用する「紙」の語は、包
装紙、カートン等のように通常サイズされる全ての紙若
しくは板紙製品を意味する。
本発明に従って利用されるオリゴウレタンは、有機ポリ
イソシアネート、この場合にはトルエンジイソシアネー
)(TDI)を、7以上の炭素数を有する脂肪族鎖でN
置換されているジアルカノールアミンと、場合によって
は連鎖停止剤として作用する1官能価化合物とを反応さ
せて得られる生成物である。該反応生成物は、そのN−
アルキルジアルカノールアミンの第三窒素原子を適切な
4級化剤と反応させることによって、4級アンモニウム
イオンを有するオリゴウレタンに転化される。好ましく
は、上記N−アルキルジアルカノールアミンは、トルエ
ンジイソシアネートと反応させる前に4級アンモニウム
にかえておくことが望ましい。しかしながら4級化の程
度は、オリゴウレタンが、該生成物の疎水力を損うこと
なく自己分散しうる程度である。
出発物質の比は、得られるポリマーの最大分子量が30
00であり、連鎖切断剤または連鎖停止剤を使用する場
合には500まで下げられるように選択する。
かくして本発明の生成物は、分子量500〜3000で
、水に分散でき、十分な疏水性を有しており、その結果
セルロース繊維に吸着されうる安定なラテックスを形成
することができ、かくして紙のサイズに用いることので
きるカチオン性オリゴウレタンである。
゛このようなオリゴウレタンを製造するには、トルエン
2.4−若しくは2,6−ジイソシアネートまたはそれ
らの混合物(TDI)をポリイソシアネートとして用い
ることができる。
「N−アルキルジアルカノールアミン」とは、各々が炭
素数2〜6の脂肪族鎮若しくは重縮合度1〜4のポリオ
キシアルキレン鎖を介して窒素原子と結合している2個
の水素基と、同じく該窒素原子と結合し、7以上の炭素
数を有する1個の疏水性脂肪族置換基とを有する有機化
合物を意味する。とりわけ、ステアリルジェタノールア
ミンは有用である。本発明による条件下においては、即
ち、以下に述べる製造方法に従ってTDIを用いる反応
においては、余り短いN−アルキル鎖を有するジアルカ
ノールアミンは紙のサイズに効果的なラテックスを生成
しない。
また上記ポリアルキレン鎖は、好ましくはエチレンオキ
シド、プロピレンオキシド若しくはブチレンオキシドの
縮合体である。
オリゴウレタンの分子量を制限する目的で連鎖停止剤を
使用する場合には、該連鎖停止剤としてはエタノールの
ような1級モノアルコールを使用することが好ましい。
本発明の範囲内において、第3ジアルカノールアミンは
トルエンジイソシアネートと反応させる前に4級化して
おくことが好ましい。しかしながら、オリゴウレタン生
成の後若しくはその途中で第3アミンを4級アンモニウ
ムに転化することも不可能ではない。4級化剤としては
、原則とじて全ての4級化剤を使用しうる。例えば、塩
化メチル、臭化メチル、沃化メチル、ベンジルクロリド
、アリルクロリド、エピクロルヒドリン等の活性ハロゲ
ンを含む化合物およびジメチル硫酸等の活性エステルを
好ましい例として挙げることができる。
本発明によるオリゴウレタンは、一般式=(AB)、で
表わされる構造単位を有している。
ここでAは4級化N−アルキルジアルカノールアミン、
Bはトルエンジイソシアネートであり、nは、連鎖切断
剤を使用するか否かによって変化する1〜6の数である
かくして本発明のカチオン性オリゴウレタンは以下の式
で示される。
ただし、上記式において、R2は、炭素数2〜6を有す
るアルキレン基、若しくは、重縮合度1〜4のポリオキ
シアルキレン基であり、R3は7以上の炭素数を有する
アルキル基であり、R9およびXは、4級化剤R,Xの
残基であり、更に、R1、R5およびnは以下の意味を
有している。
a)連鎖停止剤を使用する場合には、 CH3 を表わし、R6は炭素数4以下の脂肪族基であり、nは
1〜3の数であり、また、 b)連鎖停止剤を使用しない場合には、CH。
を表わし、R3が式: −0−R2−N−Ra  −0H (ただし、R2、R3、R4およびXは前述した定義通
り)を表わし、nは2〜6の数である。
第3ジアルカノールアミンの4級化の時期は、得られる
オリゴウレタンの連鎖構造に対しいかなる影響をも及ぼ
さない。
ポリイソシアネート、この場合トルエンジイソシアネー
トと、場合によっては4級化されてし)るジアルカノー
ルアミンを使用する際の反応は、通常液相で行い、これ
によって上記反応の発熱性をよく制御し、更に好ましく
ないゲル化の原因となる架橋の発生を抑制することかで
きる。
使用する溶媒は、最終ラテックスから容易に留去できる
よう沸点の低いものである。更に、これらの溶媒は、ポ
リマーが水中に分散するのを容易にするものがよい。得
られるオリゴウレタンが20〜75%の乾燥重量となる
ような比率でメチレンクロリド(CH2C12)を使用
することは、好ましい溶媒の例である。
トルエンジイソシアネ・−トとジアルカノールアミンと
の重合反応を促進する触媒の使用は重要ではない。何故
なら、かかる触媒は、低分子量のオリゴウレタンを得る
ことからなる本発明の反応に逆行するものだからである
。逆に、例えばエタノールのような連鎖停止剤を使用す
ることは、分子量を制限するうえで好ましい。
N−アル革ルジアルカノールアミン、特にステアリルジ
ェタノールアミンの4級化は、上記した適切な4級化剤
によって、25〜100℃の範囲で行う。好ましい4級
化の程度は、4級化しうる窒素原子数に対して10〜6
0%である。4級化の程度が高すぎると、最終製品の親
水性を増加することとなるのでその効果を害することに
なる。逆に4級化の程度が低すぎる場合には、重合反応
物を良好に分散させることができない。硫酸メチルは、
その反応が極めて速いので、最も好ましい4級化剤の1
つに挙げることができる。
4級化窒素原子を有するオリゴウレタンは、一般に、該
有機オリゴウレタンが20〜75%の乾燥重量となるよ
うな方法で、メチレンクロリド中に希釈した4級化N−
アルキルジアルカノールアミン中に、攪拌下でトルエン
ジイソシアネートを徐々に添加することによって得るこ
とができる。上記反応は発熱反応であり、トルエンジイ
ソシアネートの添加速度によって制御され、温度は溶媒
を還流することたよって抑制される。また11週常は反
応容器中でNGO基に対してOH基が過剰になるように
操作する。かくして、トルエンジイソシアネートと、ア
ルカノールアミンおよび連鎖停止剤のようなOH末端基
を有する成分とは、NCO/OH比が1より小さいか若
しくは好ましくは1となるような比率で使用することが
できる。
重合反応の終了した後、カチオン性オリゴウレタンの有
機溶液を水中にあけて分散させる。このように溶媒中に
溶解したオリゴウレタンを水中でエマルジョンとするた
めには、第3の溶媒を用いると容易である。この第3の
溶媒を使用する目的は、分散状態にある混合物の3つの
成分、即ち、オリゴウレタン、該オリゴウレタンの可溶
化溶媒および水からなる系を均一にすることである。水
に対する挙動が正反対である2種の溶媒、例えばアセト
ンとメチレンクロリドの組み合せは微細で安定な分散を
促進する。
最適な微細分散体を得るために必要な第3の溶媒の量は
、オリゴウレタンの大きさおよび該オリゴウレタンが可
溶化している溶媒の量に依存する。
例えば、アセトン/メチレンクロリドの組合せを用いた
ある例では、メチレンクロリドの2〜5倍量のアセトン
を必要とする。分散に必要な水の量は、全溶媒量によっ
て決定される成る限界値以上でなければならず、それ以
下であると安定で効果的なラテックスを得ることができ
ない。最適量は、各オリゴウレタンの種類およびそれが
溶解している溶媒量に対して、試験バッチを作製して容
易に・定めることができる。
第3の溶媒の存在下に、水相と有機相を混合するには、
通常の連続攪拌装置であればいずれを用いることも可能
である。または、普通の攪拌ではあるが活発に攪拌を行
うような場合においては、分散状混合物の粘性が突如減
少することによって禾責される転相が起きる時点まで、
有機相に水を徐々に添加していくことも、興味ある方法
である。
しかる後・、溶媒を留去する。
本工程によって、カチオン性オリゴウレタンラテックス
が10゛〜)1重量%の乾、燥吻質量で得られる。
ラテックスに優れた安定性を与えるためには一般に粒子
の寸法は0.5.μを縫えてはならない。
本発明の興味ある他の点は、得られるラテックスのpn
が6〜7と中性であることである。従って、このような
物質は中性溶媒中で用いることができるので、酸性溶媒
中で使用しなければならない通常のサイズ剤にみられる
多くの欠点を回避することが可能である。
これらの物質は、製紙業界で通常用いられる全ての充填
剤と共に用いることができる。
以下に実施例によって本発明を更に詳しく説明するが、
本発明の範囲は何等これに制限されるものではない。
実施例I A、アミンの4級化 上部に冷却器を有し攪拌装置を備えた反応器に、原則と
して炭素数18の、牛脂の脂肪酸に由来する・ジェタノ
ールアミン[CECA社製のノラモツクス(NORAM
’0X)32) 233.5部とジメチル硫酸16.5
部を導入する。該混合物を約70℃に加熱する。
発熱反応が終了した時点で直ちに4級化を停止する。
B4重合反応 上記4級化ノラモックX(NORAMOX)S。
をメチレンクロリド5.3&、、5. 語に希釈し、そ
れにエタノール6Q−3′怒を添加する。その後、TD
I8Q/2ocrnt−44が80%とTDI−2,6
が20%の混合物)  22&、2部を絶えず攪拌しな
がら徐々に・加えて、反応混合物を加熱する。TDIの
導入速度は、溶媒の還流が一定に保たれるような速度で
ある。
かくしてメチレンクロリド中50%の乾燥物質量で、本
明細書中に記載の式に対応するカチオン性オリゴウレタ
ンが得ばblその4級化度は20%である。
C,ラテックスの生成 前記工程で得られたメチレンクロリドに溶解したオリゴ
ウレタン100部に対してアセトン150部を加える。
その後、激しく攪拌しながら、水250部を加え、ポリ
マー/水/溶媒のエマルジョンを形成する。しかる後、
メチレンクロリドとアセトンを留去する。
このようにして、17重量%の乾燥物質量を有するラテ
ックスを得る。該ラテックスの乾燥物質量は、水を除去
することによって30%まで高めることが可能である。
実施例2 実施例1におけるノラモックス(NORAMOX)S2
の代わりに、ココナツオイルに由来するジェタノールア
ミンであって、炭素数12 (48%)、14(17%
)、16.8.10等の脂肪族鎖を有するノラモックス
(NORAMOX)C2(CECA社製)を用いて実施
例1と同じ操作を行なった。ノラモックX (NORA
MOX)C2146,5部をジメチル硫酸12.6部で
4級化し、次いでメチレンクロリド961.5部中に希
釈する。
エタノール46部を加え、その後、TDI80/201
74部を徐々こ導入した。メチレンクロリド中ミ28%
の乾燥物質量の本明細書中に記載の式に対応するカチオ
ン性オリゴウレタンが得られ、その4級化度は20%で
あった。
上記オリゴウレタンのメチレンクロリド溶液100部と
、アセトン200部とを混合し、更に激しく攪拌しなか
ら水300部中でエマルジョンにする。
しかる後、溶媒を留去する。かくして、その後除去され
る水の量に応じて乾燥物質量が9.5〜30重量%のラ
テックスが得られ志。
実施例3 A1重合反応 上部に冷却器を有し、攪拌装置を備えた反応器にメチレ
ンクロリド534部中に溶解したノラモックス(NOR
AMOX)3.178部を導入し、その後、メチレンク
ロリド261部に溶解したTDI80/2087部を徐
々に加える。
B、4級化 メチレンクロリドの全量を酢酸エチル795部で置換す
る。しかる後。エピクロルヒドリン41.6部を加える
。該反応混合物を70℃で4時間加熱する。
本明細書に記載の式を有するカチオン性オリゴウレタン
が得られ、その4級化度は20%である。゛C,ラテッ
クスの生成 上記工程で得られたポリマーの酢酸エチル溶液100部
に対して、アセトン100部、次いで水200部を激し
く攪拌しながら添加し、エマルジョンを形成する1次い
で溶媒を留去する。
かくして、その後除去される水の量に応じて乾燥物質量
が14〜30重量%のラテックスが得られる。
実施例4 A、4級化 上部に冷却器を有し、攪拌装置を備えた反応器中にノラ
モックス(NORAMOX)52178部とジメチル硫
酸31.5部を導入して、該混合物を約70℃に加熱す
る。この反応は実際には瞬時に行われる。
B1重合反応 4級化されたノラモックス(NORAMOX)S。
をメチレンクロリド795部で希釈する。しかる後、T
D I80/2087部を徐々に加える。かくして、4
級化度50%の本明細書に記載の式に対応するカチオン
性オリゴウレタンのメチレンクロリド溶液が得られる。
C,ラテックスの生成 得られたオリゴウレタン溶液100部をアセトン200
部と混合し、次いで強攪拌下に水350部中でエマルジ
ョンとする。
かくして、その後に除去される水の量に応じて乾燥物量
7〜30重量%のラテックスが得られる。
実施例5 実施例1におけるジメチル硫酸の代わりにエピクロルヒ
ドリン12部を用いて実施例1と同様の操作を行った。
得られたオリゴウレタンは、4級化度が20%であった
実施例6 ノラモツクス(NORAMOX)C275,8部をジメ
チル硫酸13部で4級化して、実施例2と同様の操作を
行った。重合反応はエタノール23部およびメチレンク
ロリド481部を加え次いでTDI80.、/2087
部を徐々に加えることによって行う。得られたカチオン
性オリゴウレタンは40%の4級化度を有していた。
かくして得られた有機オリゴウレタン溶液100部をア
セトン200部の存在下に水300部中でエマルジョン
とし、その後溶媒を留去した。
実施例7(比較) TDIと、短い鎖でN−置換されたジェタノールアミン
とからオリゴウレタンラテックスを製造した。このよう
なラテックスは、製造が難しく、且つ紙のサイズには全
く効果のないことが明らかになった。
試験1: N−メチルジェタノールアミン51.7部と
エタノール40部とメチレンクロリド729部とからな
る混合物にT D I 80 /20151.3部を徐
々に添加した。その後、メチレンクロリドを同量の酢酸
エチルで置換し、次いでエピクロルヒドリン10部を用
いて70℃、4時間で4級化した。
4級化オリゴウレタン100部をアセトン100部の存
在下に水400部中でエマルジョンとし、次いで溶媒を
留去した。
試験2: インプロパツールは、溶媒と連鎖停止剤の2
つの作用を行う。インプロパツール66.5部に溶解し
たN−メチルジェタノールアミン33.1部にTDI8
0/20 65.4部を徐々に加えて、オリゴウレタン
Pを得た。
試験2.1= 上記オリゴウレタンPを、酢酸エチル2
00部およびアセトン300部からなる混合物中に溶解
させた後、エピクロルヒドリン15部を用いて、60℃
、4時間で4級化した。
得られた4級化オリゴウレタン溶液200部を水550
部中でエマルジョンとした。しかる後溶媒を留去して、
ラテックスAを得た。
試験2.2: 上記オリゴウレタンPを酢酸の水溶液に
溶解した。得られた溶液BはpH3であった。
実施例8 紙に対するサイズ性を試験するために、ASTM規格り
、3285若しくはy5−ンx規格qoalo18ニ相
当するC0BB試験を用いた。この試験は、所定時間に
紙若しくはカートンが吸収する水の量を測定するもので
ある。即ち、一定の時間内に、単位表面積当たりに保持
される水の重量を測定する。
吸収する水の量が低ければ低い程、サイズ効果は良好で
ある。
サイズ剤は、サイズ紙を製造するための内部サイズとし
て用いた。漂白し25°S、R,に精製し、各種割合で
サイズ剤を加えた長いセルロース繊維から工業的製造過
程と同様の条件で紙を製造した。
製造された紙は秤量65g/m’であった。
C0BB試験の測定は、表面積100cdの円形サンプ
ルを用いて行った。水と紙の接触時間は50秒である。
比較のため、既知のカチオン性サイズ剤で本発明の物質
と同様に中性溶媒で使用することができ、製紙過程で加
えられるもの、即ちバーキュレス(HERCULES)
社製のアクアペル(A Q U A P E L)36
0を用いて同様の試験を行った。
得られた結果を以下の第1表に示す。
サイズ度は乾燥セルロースに対する活性物質で示した。
以上のように本発明を好ましい態様と関連して記載して
きたが、これは何ら本発明の範囲を限定。
するものではなく、特許請求の範囲に定義した本発明の
思想および範囲に含まれる変形、変更および均等例を示
すためにのみ記載したものである。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)一般式: ▲数式、化学式、表等があります▼ ただし、上記式において、R_2は、炭素数2〜6を有
    するアルキレン基、若しくは、重縮合度1〜4のポリオ
    キシアルキレン基であり、R_3は7以上の炭素数を有
    するアルキル基であ、R_4およびXは、4級化剤R_
    4Xの残基であり、且つ、a)R_1が式:▲数式、化
    学式、表等があります▼ で表わされ、R_5が炭素数4以下の脂肪族基であり、
    nは1〜3の数であるか若しくは、 b)R_1が式:▲数式、化学式、表等があります▼ で表わされ、R_5が式: ▲数式、化学式、表等があります▼ (ただし、R_2、R_3、R_4およびXは前記定義
    通り)で表わされ、nは2〜6の数である、を有するオ
    リゴウレタンのラテックスを含むサイズ剤。
  2. (2)4級化しうる窒素原子数に対する4級化の度合い
    が10〜60%の範囲にあることを特徴とする特許請求
    の範囲第1項に記載のサイズ剤。
  3. (3)上記オリゴウレタンの分子量が500〜3000
    であることを特徴とする特許請求の範囲第1項若しくは
    第2項に記載のサイズ剤。
  4. (4)各々が炭素数2〜6の脂肪族鎖若しくは重縮合度
    1〜4のポリオキシアルキレン鎖を介して窒素原子と結
    合している2個の水酸基と、7以上の炭素数を有し、該
    窒素原子に結合するN−置換基とを有する4級化N−ア
    ルキルジアルカノールアミンとポリイソシアネートとを
    反応させ、次いで得られるオリゴウレタンを水中に分散
    してラテックスを生成することを特徴とする一般式: ▲数式、化学式、表等があります▼ ただし、上記式において、R_2は、炭素数2〜6を有
    するアルキレン基、若しくは、重縮合度1〜4のポリオ
    キシアルキレン基であり、R_3は7以上の炭素数を有
    するアルキル基であり、R_4およびXは、4級化剤R
    _4Xの残基であり、且つ、 a)R_1が式:▲数式、化学式、表等があります▼ で表わされ、R_5が炭素数4以下の脂肪族基であり、
    nは1〜3の数であるか若しくは、 b)R_1が式:▲数式、化学式、表等があります▼ で表わされ、R_5が式: ▲数式、化学式、表等があります▼ (ただし、R_2、R_3、R_4およびXは前記定義
    、通り)で表わされ、nは2〜6の数である、を有する
    オリゴウレタンのラテックスを含むサイズ剤を製造する
    方法。
  5. (5)上記ポリイソシアネートと上記ジアルカノールア
    ミンとの反応を溶媒中で行い、且つ該ポリイソシアネー
    トがトルエンジイソシアネートであることを特徴とする
    特許請求の範囲第4項に記載の方法。
  6. (6)上記溶媒がメチレンクロリドであることを特徴と
    する特許請求の範囲第5項に記載の方法。
  7. (7)上記トルエンジイソシアネートと上記ジアルカノ
    ールアミンとの反応を連鎖停止剤の存在下に行うことを
    特徴とする特許請求の範囲第6項に記載の方法。
  8. (8)上記連鎖停止剤がエタノールであることを特徴と
    する特許請求の範囲第7項に記載の方法。
  9. (9)上記反応溶媒中のNCO/OH比が1より小さい
    ことを特徴とする特許請求の範囲第4項乃至第8項のい
    ずれか1項に記載の方法。
  10. (10)上記オリゴウレタンを溶媒の存在下に水中に分
    散することを特徴とする特許請求の範囲第4項乃至第8
    項のいずれか1項に記載の方法。
  11. (11)上記オリゴウレタンをアセトンの存在下に水中
    に分散することを特徴とする特許請求の範囲第4項乃至
    第8項のいずれか1項に記載の方法。
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