TWI484083B - 雙磺基型螢光增白劑組成物 - Google Patents
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Description
本發明係有關於用於紙或紙板的增白作用之含有至少二種特定的雙磺基型螢光增白劑之螢光增白劑組成物。
眾所周知可藉由添加螢光增白劑(FWA)而增進紙與紙板的白度。紙與紙板產業中所用之最重要的螢光增白劑係4,4’-二胺基茋-2,2’-雙磺酸(黃酮酸)之經苯胺基取代的雙三基衍生物。已知來自該等螢光增白劑之雙磺基、四磺基及六磺基類型。在苯胺環不具有磺酸基之雙磺基型螢光增白劑在水中的溶解度低及對於纖維素纖維的親和力高。其等特別適用於製紙製程之濕端。在各苯胺環具有二個磺酸基之六磺基型螢光增白劑在水中的溶解度高及對於纖維素纖維的親和力低。當需要非常高的白度時,其等係較特殊的產品。在各苯胺環具有一個磺酸基之四磺基型螢光增白劑展現介於雙磺基型與六磺基型螢光增白劑之間之性質,及最常用於紙或紙板之增白作用。
為了處理與計量之方便,紙與紙板業界要求螢光增白劑係以液態形式及較佳為濃縮的溶液形式供應,其應在寬廣的溫度範圍之長期儲存期間具安定性。因為雙磺基型螢光增白劑在水中的低溶解度,目前所添加之增溶助劑諸如尿素、三乙醇胺或二乙二醇的量係高達30%,俾提供雙磺基型螢光增白劑的濃縮水溶液之儲存安定性。該等增溶劑對於纖維素不具有親和力及污染造紙廠的廢水,因而並非所欲的。EP-A-1 752 453教導含有磺酸基的特定相對離子之雙磺基型螢光增白劑的儲存安定性溶液,該等相對離子係衍生自特定的胺基烷醇。WO 02/055646 A1揭露含有由二種特定的雙磺基型螢光增白劑所組成之混合物的濃縮水溶液。
任擇地,如自EP 0 884 312 B1得知雙磺基型螢光增白劑於水中的漿體或分散液。然而,為能夠在製紙製程中進行均質製品之計量,通常需要攪拌作用。
已意外地發現,可藉由使用在苯胺環具有羧酸基之特定的雙磺基型螢光增白劑的混合物或組合物,而克服習知技術中之問題。該等混合物當用於紙或紙板的增白作用時,產生白度增加的紙或紙板。此外,在不添加增溶助劑之情況下,所用的雙磺基型螢光增白劑促成形成安定的濃縮含水製品或溶液。此外,相較於常用的雙磺基型螢光增白劑,該等螢光增白劑的製造製程更具成本效益,因其免除費力的分離與過濾步驟。
因此,本發明係有關於適用於紙或紙板的光學增白作用之螢光增白劑(FWA)組成物,其中該組成物含有選自具化學式(1)、化學式(2)及化學式(3)的螢光增白劑之至少二種螢光增白劑:
其中R1
、R2
、R3
及R4
係彼此獨立地代表氫、氰基、C1
-C4
烷基、C2
-C4
氰基烷基、C2
-C4
羥基烷基或C1
-C4
烷氧基烷基;或R1
與R2
或R3
與R4
係彼此獨立地與氮原子一起形成啉、哌啶或吡咯啶環;或-(CH2
)l
-SO3
M,其中l為1、2或3;或-(CH2
)i
-COOR、-(CH2
)i
-CONHR、-(CH2
)i
-OR,其中i為自1至4之一整數,R係C1
-C3
烷基或具有與M相同之意涵;M係代表氫或一當量的一種陽離子,特別是鋰、鈉、鉀、鈣、鎂、銨或經C1
-C4
烷基或C2
-C4
羥基烷基單取代、二取代、三取代或四取代的銨。
本發明亦有關用於製備該螢光增白劑(FWA)組成物之一種方法,及其等在紙漿中或在表面用於紙增白作用之用途,如在塗覆或施膠壓製應用中。此外,本發明係有關於用於紙的增白作用之一種方法及有關於可藉由該方法製得之紙。本發明的較佳實施例係述於後述的說明部分、圖式與申請專利範圍中。
第1圖係顯示不同的螢光增白劑及其等的混合物之增白性能之一圖。
在本發明的一個較佳實施例中,該螢光增白劑組成物係一種濕端組成物,及該方法係用於紙的增白作用之一種方法,其中將一紙漿或紙漿懸浮液與該組成物接觸。在另一個較佳實施例中,該螢光增白劑組成物係用於製備一種施膠壓製液或一種塗覆組成物。
如本發明,該組成物或混合物含有至少二種具上述定義的化學式(1)、(2)及(3)之雙-三基胺基-茋化合物。在本發明的上下文中,化學式(1)、(2)及(3)中之烷基可為直鏈或支鏈,及烷基的可能取代基即烷氧基、氰基及/或羥基可連接在該烷基鏈的任一位置。在本發明中,C1
-C4
烷氧基烷基係指經C1
-C4
烷氧基取代之C1
-C4
烷基。在一個較佳實施例中,R1
、R2
、R3
及R4
係彼此獨立地代表C2
-C4
羥基烷基、C1
-C4
烷氧基烷基或C1
-C4
烷基,較佳為C2
-C4
羥基烷基或C1
-C4
烷氧基烷基,尤其羥基乙基或羥基異丙基。R1
、R2
、R3
及R4
最佳代表羥基乙基。
M的較佳實施例為氫、鈉、鉀、鈣、鎂,尤其M為鈉、鉀或氫,最佳為鈉。
可藉由已知程序製備具化學式(1)、(2)及(3)的螢光增白劑及其混合物。螢光增白劑係以游離酸形式或以較佳為其鹼金屬鹽類的鹽類形式使用。一般而言,藉由將三聚氯化氰與4,4’-二胺基茋-2,2’-雙磺酸或其一鹽類、2-胺基苯甲酸及/或4-胺基苯甲酸及經取代的脂族胺類或雜環化合物反應,而製備該等化合物。可選擇2-胺基苯甲酸相對於4-胺基苯甲酸之比例,藉此在該混合物中獲得具化學式(1)、(2)及/或(3)的螢光增白劑之所欲比例。例示性方法係示於後述的第3與4例。PL專利61710揭露在各苯胺環的對位具有一個羧酸基之具上述定義的化學式之一些特定螢光增白劑之製備作用。GDR(DDR)專利55668揭露用於製備具上述定義的化學式之一些特定螢光增白劑之另一方法。具化學式(1)、(2)及(3)的螢光增白劑之純化作用係比常用的雙磺基型螢光增白劑容易,及因為可免除分離步驟而因此更具成本效益。例如可藉由膜過濾作用進行純化。不同於PL專利61710中所揭露之水蒸發或鹽沉澱步驟,螢光增白劑的純化作用可藉由膜過濾作用達成,及所製得的產物即可使用。其係歸因於該等螢光增白劑之意外高的溶解度。
能以具所欲比例的螢光增白劑之一混合物形式,製造具化學式(1)、(2)及/或(3)的螢光增白劑之組成物。適宜的方法係述於下列實例中。任擇地,可藉由技藝中已知的方法及如上述分別製備具化學式(1)、(2)及/或(3)的螢光增白劑,然後在其等製備之後,以所欲的比例摻合或混合一起而製造該組成物。
本發明的組成物含有選自具化學式(1)、(2)及(3)的螢光增白劑之至少二種及尤其二或三種螢光增白劑。在一個較佳實施例中,該組成物係包含具化學式(1)與(2)的螢光增白劑。在另一個較佳實施例中,該組成物係包含具化學式(1)與(3)的螢光增白劑。在又一較佳實施例中,該組成物係包含具化學式(2)與(3)的螢光增白劑。在一個特佳實施例中,該組成物係包含具化學式(1)、(2)及(3)的螢光增白劑。該組成物亦可含有具化學式(1)、(2)及/或(3)的各螢光增白劑之一或多者。此外,該組成物可含有一或多種已知的雙-三基胺基-茋或二苯乙烯基-聯苯基式螢光增白劑。
在該組成物中所存在之螢光增白劑的量,係依所存在的螢光增白劑之數目與存在何種螢光增白劑而定。如本發明,該組成物所含有的較佳至少一種具化學式(1)之螢光增白劑的量為0至99重量%,較佳為2至90重量%,最佳為5至80重量%;至少一種具化學式(2)之螢光增白劑的量為0至99重量%,較佳為2至90重量%,最佳為5至80重量%;及至少一種具化學式(3)之螢光增白劑的量為0至99重量%,較佳為2至90重量%,最佳為5至80重量%;在各情況下係以所存在之具化學式(1)、(2)及/或(3)的螢光增白劑總量之100重量%為基礎。在其他實施例中,該組成物所含有的較佳至少一種具化學式(1)之螢光增白劑的量為10至80重量%,尤其20至70重量%;至少一種具化學式(2)之螢光增白劑的量為10至60重量%,尤其10至50重量%;及至少一種具化學式(3)之螢光增白劑的量為10至80重量%,尤其20至70重量%,在各情況下係以所存在之具化學式(1)、(2)及/或(3)的螢光增白劑總量之100重量%為基礎。
該螢光增白劑組成物能以液態形式及尤其一溶液形式存在,或以一粉末形式存在。在較佳的實施例中,該等組成物含有水,尤其含有20至90重量%之一量,以螢光增白劑與水的總量之100重量%為基礎。該等含水的螢光增白劑組成物或混合物係以液態形式及尤其一溶液形式存在。其等較佳不含結晶的增白劑顆粒,特別是其等的水合形式。
螢光增白劑組成物及尤其是含水組成物,可含有少量的助劑。其可能與供寒冷區域使用以增進該製品的冷安定性之螢光增白劑組成物特別相關。在一個較佳實施例中,含水的螢光增白劑組成物所含有之螢光增白劑與水以外的組分係低於30重量%,較佳低於20重量%,更佳低於15重量%,尤其低於10重量%,例如可使用配製助劑諸如標準化劑、表面活性組成物、消泡劑、有機增稠劑、防腐劑及/或電解質。然而,為了生態的緣故,含水的螢光增白劑製品較佳僅含有非常少量的其他組分,如有機添加劑或助劑,特別是其加總係低於3重量%,尤其低於1重量%,以100%之含水的螢光增白劑組成物重量為基礎。特佳地,該組成物不含有機共溶劑及/或尿素。在又一較佳實施例中,該組成物係由或實質上由螢光增白劑與水所組成。
較佳藉由將所欲比例之具化學式(1)、(2)及/或(3)的螢光增白劑或其等的混合物以其粉末或濃縮溶液形式導入水中,而製備含水的螢光增白劑組成物。可選擇性地在該混合物的製備期間或之後,添加任一助劑。
如本發明的組成物可用於紙或紙板的增白作用,較佳在紙漿懸浮液(漿料)或紙漿中,尤其在濕端。任擇地,該組成物可用於紙的表面之增白作用。在濕端應用中,可在紙張成形前之紙漿迴路的任一點如儲存槽或管,添加該組成物。依所用的製紙製程而定,該等組成物亦能以稀釋形式添加至製紙製程,其中藉由添加水及/或助劑而將該組成物稀釋至所欲的濃度。在一個較佳實施例中,選擇性地在以水稀釋之後,將較佳為含水的螢光增白劑組成物導入紙漿或紙漿懸浮液中。該等組成物能以連續或不連續方式添加。該應用對於含木紙漿與無木紙漿均有益,尤其有益於含木紙漿。在表面應用中,該等組成物可用於製備施膠壓製液或塗覆漿液。
含水的螢光增白劑組成物展現高儲存安定性及應用的方便性。同時,其等提供對於纖維的高親和性(親和力)及高的增白性能。
本發明亦有關於用於紙的增白作用之一種方法,其包括提供一紙漿或紙漿懸浮液;在紙漿或紙漿懸浮液中添加如上述的一種螢光增白劑組成物,其量較佳為0.01至5重量%,更佳為0.02至2重量%,以100%的乾紙漿重量為基礎;自該紙漿製造一紙張;及乾燥該紙張。在該方法之一實施例中,在以水及/或助劑稀釋及尤其以水稀釋之後,在該紙漿或紙漿懸浮液中添加該組成物。
相較於使用典型所用的雙磺基型螢光增白劑所製造之紙,藉由使用如本發明的螢光增白劑組成物所製造之紙展現較高的白度。
所製造之紙的白度,其特徵可在於CIE白度。當依據CIE白度測定時,不同的螢光增白劑可就飽和度性質而互相比較。換言之,若使用大量的螢光增白劑及發現白度未進一步增加時,即為飽和度性質,及當使用更高量時可能對於白度甚至有反效果。飽和度效應亦稱作綠變。可自例如a*-b*圖導出綠變限度,亦即所用的螢光增白劑遞增量實質上並未進一步增加白度之點,其中a*與b*係CIE-L*a*b*系統中之色坐標。
下列實例係說明本發明及顯示較佳實施例,而不侷限保護之範圍。
在配備有一個攪拌器、pH電極、溫度計及冷凝器之一個2公升的燒瓶中,添加600毫升之8℃的水及100克(0.542莫耳)的三聚氯化氰。在pH值降至4.5之後,逐滴添加112.2克(0.27莫耳)的2,2’-雙磺基-4,4’-茋二胺二鈉鹽於835克的水中之一溶液。同時,在反應混合物中逐滴添加氫氧化鈉(222克)的10%(重量/重量)溶液,以將pH值維持在4.5,同時將混合物加熱至16℃。在添加試劑之後,反應混合物在16℃攪拌1小時,同時將pH值維持在4.5。
在45分鐘內,將296.1克之4-胺基苯甲酸(0.54莫耳)的25%(重量/重量)溶液添加至第1步驟的水懸浮液中。藉由同時添加10%氫氧化鈉溶液而將pH值維持恆定(pH=6.8),及將溫度逐漸升高至60℃。然後在60℃與pH 6.8攪拌該反應混合物,直至氫氧化鈉溶液的消耗停止為止。
在20分鐘內,將67.8克(0.54莫耳)的二乙醇胺添加至來自第2步驟的水懸浮液中。藉由同時添加10%氫氧化鈉溶液而將pH值維持恆定(pH=8),及將溫度逐漸升高至100℃。然後在100℃與pH 8攪拌該反應混合物3小時。將所產生的溶液冷卻至約50℃,及藉由過濾淨化而得如後所示之具化學式1的化合物之溶液(88.7%)。
在45分鐘內,將296.1克之2-胺基苯甲酸(0.54莫耳)的25%(重量/重量)溶液添加至來自第1步驟的水懸浮液中。藉由同時添加10%氫氧化鈉溶液而將pH值維持恆定(pH=6.8),及將溫度逐漸升高至60℃。然後在60℃與pH 6.8攪拌該反應混合物,直至氫氧化鈉溶液的消耗停止為止。
在20分鐘內,將67.8克(0.54莫耳)的二乙醇胺添加至來自第2步驟的水懸浮液中。藉由同時添加10%氫氧化鈉溶液而將pH值維持恆定(pH=8),及將溫度逐漸升高至100℃。然後在100℃與pH 8攪拌該反應混合物3小時。將所產生的溶液冷卻至約50℃,及藉由過濾淨化而得如後所示之具化學式3的化合物之溶液(89.4%)。
在45分鐘內,將296.1克(0.54莫耳)之4-胺基苯甲酸及2-胺基苯甲酸(重量/重量比例為4/1)的混合物以25%(重量/重量)溶液之形式添加至來自第1步驟的水懸浮液中。藉由同時添加10%氫氧化鈉溶液而將pH值維持恆定(pH=6.8),及將溫度逐漸升高至60℃。然後在60℃與pH 6.8攪拌該反應混合物,直至氫氧化鈉溶液的消耗停止為止。
在20分鐘內,將67.8克(0.54莫耳)的二乙醇胺添加至來自第2步驟的水懸浮液中。藉由同時添加10%氫氧化鈉溶液而將pH值維持恆定(pH=8),及將溫度逐漸升高至100℃。然後在100℃與pH 8攪拌該反應混合物3小時。將所產生的溶液冷卻至約50℃,及藉由過濾淨化而得如後所示之化合物1(65%)、化合物2(30.3%)及化合物3(4.7%)的混合物之溶液,總產率為84.3%。
在45分鐘內,將296.1克(0.54莫耳)之4-胺基苯甲酸及2-胺基苯甲酸(重量/重量比例為1/1)的混合物以25%(重量/重量)溶液之形式添加至來自第1步驟的水懸浮液中。藉由同時添加10%氫氧化鈉溶液而將pH值維持恆定(pH=6.8),及將溫度逐漸升高至60℃。然後在60℃與pH 6.8攪拌該反應混合物,直至氫氧化鈉溶液的消耗停止為止。
在20分鐘內,將67.8克(0.54莫耳)的二乙醇胺添加至來自第2步驟的水懸浮液中。藉由同時添加10%氫氧化鈉溶液而將pH值維持恆定(pH=8),及將溫度逐漸升高至100℃。然後在100℃與pH 8攪拌該反應混合物3小時。將所產生的溶液冷卻至約50℃,及藉由過濾淨化而得如後所示之化合物1(25.9%)、化合物2(48.1%)及化合物3(26%)的混合物之溶液,總產率為92.6%。
製得如後所示之螢光增白劑。在應用實例中係使用如後所示之比較用螢光增白劑。
該等螢光增白劑與混合物係用於下列應用實例中。
使用下列試驗程序,研究螢光增白劑及其等的混合物之增白性能。
漿料(紙漿懸浮液)係由85部分(以重量為基礎之部分)的機械紙漿與15部分之研磨程度為40°SR(肖伯爾-瑞格勒(Schopper-Riegler))的長纖維所組成。
在一燒杯中稱重800毫升的0.625%對應漿料,以就各實驗系列製備一張約120克/平方公尺的5克手抄紙。使用蒸餾水製備0.1重量%的螢光增白劑溶液。藉由一吸量管將一對應量的0.1重量%螢光增白劑溶液添加至經攪拌的紙漿懸浮液中,及在添加螢光增白劑之後攪拌該紙漿懸浮液10分鐘,而達到如下列第1表所示之螢光增白劑的量。以100重量%的乾紙漿之有效成分形式,計算第1表之螢光增白劑的量。
將一張濕濾紙置於紙張成形器的金屬絲網上,將漿料置於該紙張成形器上及吸乾。藉由另外一張乾濾紙保護所形成的手抄紙,在100℃的滾筒上壓製與乾燥。之後,使所得的手抄紙在標準條件下的氣候室中平衡過夜,然後使用一種德塔(Datacolor)光譜儀(ISO2469)測量而測定CIE、L*、a*及b*,所用的光源係依據ISO2469標準。
所得的結果係歸納於第1表及進一步示於第1圖中。
因此,如本發明的螢光增白劑組成物所展現的增白性能,係優於個別的雙磺基型螢光增白劑。
第1圖係顯示不同的螢光增白劑及其等的混合物之增白性能之一圖。
Claims (23)
- 一種用於紙或紙板的光學增白作用之螢光增白劑組成物,其中該組成物含有選自具化學式(1)、化學式(2)及化學式(3)的螢光增白劑之至少二種螢光增白劑:
- 如申請專利範圍第1項之螢光增白劑組成物,其中M代表鋰、鈉、鉀、鈣、鎂、銨或經C1 -C4 烷基或C2 -C4 羥基烷基單取代、二取代、三取代或四取代的銨。
- 如申請專利範圍第1項之螢光增白劑組成物,其中R1 、R2 、R3 及R4 係彼此獨立地代表C2 -C4 羥基烷基或C1 -C4 烷氧基烷基。
- 如申請專利範圍第1項之螢光增白劑組成物,其中R1 、R2 、R3 及R4 係代表羥基乙基。
- 如申請專利範圍第1項之螢光增白劑組成物,其中該組成物含有具化學式(1)、化學式(2)及化學式(3)的螢光增白劑。
- 如申請專利範圍第2至4項中任一項之螢光增白劑組成物,其中該組成物含有具化學式(1)、化學式(2)及化學式(3)的螢光增白劑。
- 如前述申請專利範圍第1項之螢光增白劑組成物,其中該組成物含有至少一種具化學式(1)之螢光增白劑的量為0至99重量%,至少一種具化學式(2)之螢光增白劑的量為0至99重量%,及至少一種具化學式(3)之螢光增白劑的量為0至99重量%,在各情況下係以所存在的具化學式(1)、(2)及/或(3)之螢光增白劑總量的100重量%為基 礎。
- 如前述申請專利範圍第2至5項中任一項之螢光增白劑組成物,其中該組成物含有至少一種具化學式(1)之螢光增白劑的量為0至99重量%,至少一種具化學式(2)之螢光增白劑的量為0至99重量%,及至少一種具化學式(3)之螢光增白劑的量為0至99重量%,在各情況下係以所存在的具化學式(1)、(2)及/或(3)之螢光增白劑總量的100重量%為基礎。
- 如申請專利範圍第1項之螢光增白劑組成物,其中該組成物含有水,以螢光增白劑與水的總量之100重量%為基礎。
- 如申請專利範圍第2至5項及第7項中任一項之螢光增白劑組成物,其中該組成物含有水以螢光增白劑與水的總量之100重量%為基礎。
- 如申請專利範圍第9項之螢光增白劑組成物,其中該組成物含有呈20至90重量%之量的水,以螢光增白劑與水的總量之100重量%為基礎。
- 如申請專利範圍第10項之螢光增白劑組成物,其中該組成物含有呈20至90重量%之量的水,以螢光增白劑與水的總量之100重量%為基礎。
- 如申請專利範圍第9項之螢光增白劑組成物,其中該含水的螢光增白劑組成物係含有低於30重量%的其他組分。
- 如申請專利範圍第13項之螢光增白劑組成物,其中該含水的螢光增白劑組成物係含有低於20重量%的其他組 分。
- 一種用於製備如申請專利範圍第1至14項中任一項之螢光增白劑組成物之方法,其係藉由將三聚氯化氰與4,4’-二胺基茋-2,2’-雙磺酸或其一鹽類、2-胺基苯甲酸、4-胺基苯甲酸及適當的經取代脂族胺類或雜環化合物反應。
- 一種如申請專利範圍第1至14項中任一項之螢光增白劑組成物的用途,其係用於紙或紙板的光學增白作用。
- 如申請專利範圍第16項之螢光增白劑組成物的用途,其係用於紙漿懸浮液(漿料)或紙漿中。
- 如申請專利範圍第17項之螢光增白劑組成物的用途,其係用於無木紙漿或含木紙漿中。
- 如申請專利範圍第16項之螢光增白劑組成物的用途,其係用於紙的表面之光學增白作用。
- 如申請專利範圍第16項之螢光增白劑組成物的用途,其係藉由塗覆或施膠壓製應用。
- 一種用於紙的增白作用之方法,其包括提供一紙漿或紙漿懸浮液,在該紙漿或紙漿懸浮液中添加如申請專利範圍第1至14項中任一項所界定之一種螢光增白劑組成物,製造一紙張,及乾燥該紙張。
- 如申請專利範圍第21項之方法,其中在以水及/或助劑稀釋之後,在紙漿或紙漿懸浮液中添加該螢光增白劑組成物。
- 一種可藉由如申請專利範圍第21或22項之方法所製得之紙。
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