Brevet FR2182151A1 — publié le 19731207

L'invention concerne de nouvelles dispersions aqueuses de cire, plus particulièrement utilisables pour l'apprêt de papier. Des dispersions aqueuses de cire, et leur utilisation pour l'apprêt de papier, sont bien connues. De telles dispersions 5 aqueuses sont essentiellement constituées par de l'eau, des particules de cire finement divisée, et par un agent dispersant pour les particules de cire finement divisée, lequel agent peut être un sel d'un acide gras ou résineux, un sel d'un acide sulfonique combiné à une gomme naturelle du type hydrate de carbone ou un 10 amidon cationique tel que celui utilisé dans le brevet Etats-Unis d'Amérique n° 3.096.232, par exemple. Toutefois, d'autres agents d'addition supplémentaires peuvent être nécessaires quand de telles émulsions sont utilisées comme agents d'apprêt interne pour du papier, car dans ces conditions lesdites émulsions peuvent 15 produire un "glissant" excessif. On a découvert qu'un apprêt plus efficace du papier est produit lorsqu'on utilise une dispersion aqueuse de cire dans laquelle l'agent dispersant est une résine cationique thermodurcissable, soluble dans l'eau, du type amino-polyamide-épichlorhydrine. Le susdit agent dispersant est le plus 20 souvent désigné plus simplement ci-après par l'expression "résine cationique". Les dispersions aqueuses de cire comprises dans la portée de l'invention comprennent essentiellement, en poids, depuis environ 1% jusqu'à environ 50% de cire sous une forme finement divisée, 25 cette proportion étant de préférence comprise entre environ 5% et environ 45%; comme agent dispersant, depuis environ 0,1% jusqu'à environ 20%, et de préférence depuis environ 0,5% jusqu'à environ 10%, d'une résine cationique thermodurcissable, soluble dans l'eau, du type aminopolyamide-épichlorhydrine; le reste étant de 30 l'eau jusqu'à un complément de 100 %. Pour préparer les dispersions aqueuses selon l'invention, on commence par mélanger de la cire fondue avec une solution aqueuse de résine cationique servant d'agent dispersant, tout en maintenant le mélange à une température suffisamment élevée pour main-35 tenir la cire à l'état fondu, et ensuite on soumet le mélange chaud à un cisaillement extrêmement fort afin d'aboutir à l'obtention d'une dispersion aqueuse pratiquement stable. Un cisaillement extrêmement fort est convenablement réalisé à l'aide d'un homogénéiseur. Le passage du mélange chaud dans un homogénéiseur 40 sous une pression comprise entre environ 70 et environ 560 kg/cm6. 73 15195 2 2182151 aboutit à la formation d'une dispersion pratiquement stable. Quelques particules de cire peuvent s'agglomérer en formant des agglomérats qui éventuellement peuvent se séparer de la dispersion» Ces agglomérats peuvent facilement être enlevés de la dis-5 persion qui, par ailleurs, est pratiquement stable; on peut enlever les agglomérats par filtration, par décantation, ou par tous autres moyens adéquats connus dans la technique. A titre de variante, la dispersion aqueuse, pratiquement stable, de cire selon l'invention, peut être préparée en commen-10 çant par dissoudre la cire dans un solvant organique qui dissolve la cire mais qui ne soit pas miscible avec l'eau, solvant tel, par exemple, que benzène, xylène, chloroforme, 1,2-dichloropro-pane. On peut aussi utiliser, si on le désire, un mélange d'au moins deux tels solvants. La solution de cire dans le solvant or-15 ganique est ensuite mélangée avec une solution aqueuse de résine cationique; il se forme ainsi une émulsion essentiellement instable et dans laquelle la solution de cire dans le solvant organique constitue .la phase dispersée. L'émulsion essentiellement instable est ensuite soumise à un cisaillement extrêmement fort 20 pour aboutir à une émulsion aqueuse essentiellement stable, analo gue à celle préparée, de la manière décrite ci-dessus, à partir de cire fondue. Ultérieurement, le composant solvant organique de 1'émulsion est éliminé à partir de 1'émulsion, et on obtient ainsi une dispersion aqueuse pratiquement stable de particules de 25 cire. */ Les cires utilisées pour préparer des dispersions aqueuses de cire selon l'invention peuvent être des cires minérales telles que cire de paraffine, cire microcristalline, cire microcristalline oxydée, cire montan, cire Hoechst, ozokérite et analogues; 30 des cires végétales telles que cire de carnauba, cire d'alfa, cire de lin, cire de canne à sucre, cire de candelilla' et analogues; des cires animales telles que la cire d'abeilles.; et des cires synthétiques telles que les cires de polyéthylène, la c&re de tétrastéarate de pentaérythritol, des cires chlorées, et ana-3 5 logues. Les résines cationiques thermodurcissables, solubles dans l'eau, du type aminopolyamide-épichlorhydrine, utilisées comme agent dispersant selon l'invention, se trouvent décrites dans les brevets Etats-Unis d'Amérique n° 2.926.116 et n' 2.926.154. Ces 40 résines solubles sont des produits polymères de la réaction d'é- 73 15195 3 2182151 pichlorhydrine avec un aminopolyamide soluble dans l'eau et qui est lui-même obtenu en faisant réagir un acide dicarboxylique avec une polyalcoylènepolyamine selon un rapport molaire de la poly-alcoylènepolyamine à 1'acide dicarboxylique compris entre environ 5 0,8:1 et environ 1,4:1. Des acides dicarboxyliques particulièrement adéquats sont l'acide diglycolique et des acides dicarboxyliques aliphatiques saturés comportant de 3 à 10 atomes de carbone et tels qu'acide malonique, acide succinique, acide glutarique, acide adipique, 10 acide pimélique, acide subérique, acide azélaïque et acide séba-cique. Comme autres acides dicarboxyliques adéquats, on peut notamment citer les acides téréphtalique, isophtalique, phtalique, maléique, fumarique, itaconique, glutaconique, citraconique et 15 mésaconique. Les anhydrides disponibles des acides sus-spécifiés sont utilisables en vue de la préparation de 1'aminopolyamide soluble dans l'eau, aussi bien que les esters de ces acides.Pour préparer les aminopolyamides solubles dans l'eau, on peut aussi utiliser, 20 si on le désire, des mélanges d'au moins deux des susdits acides dicarboxyliques, anhydrides et esters correspondants. On peut utiliser un certain nombre de polyalcoylènepolyami-nes, y compris polyéthylènepolyamines, polypropylènepolyamines, polybutylène-polyamines et analogues. Des polyalcoylènepolyamines 25 peuvent être représentées comme étant des polyamines dans lesquelles les atomes d'azote sont liés ensemble par des radicaux représentables par la formule _cnH2n~ n est un Petit nombre entier supérieur à l'unité, le nombre de tels radicaux dans la molécule étant compris entre deux et environ huit. Les atomes 30 d'azote peuvent être attachés à des atomes de carbone adjacents dans le radical -cnH2n~ ou ^ des forces de carbone plus éloignés, mais non pas au même atome de carbone. Des polyamines telles que diéthylènetriamine, triéthylènetétramine, tétraéthylènepentamine et dipropylènetriamine, qui peuvent être obtenues sous une forme 35 raisonnablement pure, sont adéquates en vue de la préparation d'aminopolyamides solubles dans l'eau. Parmi d'autres polyalcoylènepolyamines utilisables, on peut notamment citer : méthyl-bis (3~a*inopropyl)aminé; méthyl-bis(2-aminoéthyl)aminé, et 4,7-di-méthyltriéthylènetétramine. On peut, si on le désire, utiliser 40 des mélanges d'au moins deux polyalcoylènepolyamines. 73 15195 4 2182151 L'espacement d'un radical amino sur 1 'aminopolyamide peut. être augmenté si on le désire. Ceci est réalisable en utilisant une diamine telle qu'éthylènediamine, propylènediamine, hexamé— thylènediamine et analogue à la place d'une portion de la poly— 5 alcoylènepolyamine. A cette fin, jusqu'à environ 80% de la polyalcoylènepolyamine peuvent être remplacés par une proportion ma— lairement équivalente de diamine. Habituellement, un replacement inférieur ou au plus égal à 50% sera adéquat. Les températures utilisées pour effectuer la réaction entre 10 l'acide dicarboxylique et la polyalcoylènepolyamine peuvent varier entre environ 110°C et environ 250°C ou même plus soîis la pression atmosphérique. En vue de la plupart des applications, des températures comprises entre environ 160°C et 2100C sont préférées. La durée du temps de réaction peut habituellement se 15 trouver comprise entre environ 30 minutes et deux heures, cette durée varie en raison inverse des températures de réaction utilisées. Lors de la conduite de la réaction, il est considéré comme préférable d'utiliser une proportion d'acide dicarboxylique suf-20 fisante pour réagir d'une manière sensiblement complète avec les radicaux amino primaire de la polyalcoylènepolyamine, mis insuffisante pour réagir avec les radicaux amino secondaire et/ou avec les radicaux amino tertiaire à un degré tant soit pea substantiel» Ceci nécessite habituellement la mise en oeuvre d'un, rapport irio-25 laire de la polyalcoylènepolyamine à l'acide dicarboxylique compris entre environ 0,9:1 et environ 1,2:1. On peut toutefois utiliser des rapports molaires compris entre environ 0,8sl et environ 1,4:1. L'aminopolyamide, obtenu de la.manière décrite ci-dessus, est admis à réagir avec de 1'épichlorhydrine à une tempe— 30 rature comprise entre environ 45 "C et environ 100°C, et de préférence entre environ 45°C et 70°C, jusqu'à ce que la viscosité d'une solution à 20% de solides dans l'eau à 25°C atteigne une valeur d'environ C ou une valeur plus élevée sur l'écïielle Gardner-Holdt. Cette réaction est de préférence effectuée en so— 35 lution aqueuse pour modérer la réaction. Un ajustement du pH n'est habituellement pas nécessaire. Toutefois, étant donné que le pH diminue au cours de la phase polymérisation de la réaction, il peut être désirable, dans certains cas, d'ajouter tm alcali pour qu'il se combine à au moins une partie de l'acide formé. 40 Quand la viscosité désirée est atteinte, on peut ajuster de l'eau 73 15195 5 2182151 pour ajuster la teneur en solides de la solution de résine à une proportion désirée, habituellement comprise entre environ 2% et environ 50%. Au cours de la réaction entre 1'aminopolyamide et 1'épi-5 chlorhydrine, des résultats satisfaisants peuvent être obtenus en utilisant depuis environ 0,1 mole jusqu'à environ 2 moles d'épi-chlorhydrine pour chaque radical amino secondaire ou tertiaire de 1'aminopolyamide, et de préférence depuis environ 1 mole jusqu'à environ 1,5 mole d'épichlorhydrine. 10 On peut, si on le désire, utiliser un agent alcoylant mono fonctionnel comme réactif additionnel lors de la mise en oeuvre de la réaction ci-dessus. Un tel agent alcoylant monofonctionnel peut être admis à réagir d'abord avec 1'aminopolyamide, après quoi on fait réagir le produit de réaction, ainsi obtenu, avec de 15 1'épichlorhydrine, ou bien on peut faire réagir l'agent alcoylant monofonctionnel avec le produit de la réaction formé entre 1'aminopolyamide et 1 *épichlorhydrine. Ainsi, par exemple, l'épichlorhydrine peut être ajoutée à une solution aqueuse de 1'aminopolyamide à une température comprise entre environ 45°C et 55°C. 20 On chauffe ensuite le mélange réactionnel à une température comprise entre environ 50°C et 100°C, et de préférence entre environ 60°C et 80°C, selon la vitesse de réaction désirée. Après un laps de temps d'une durée convenable à cette température, c'est-à-dire une durée comprise entre environ 10 et 100 minutes, et de 25 préférence jusqu'à ce que la viscosité d'une solution à approximativement 25% de solides constituée par le mélange réactionnel à 25°C soit comprise entre A et B sur l'échelle Gardner-Holdt, stade auquel la majeure partie des radicaux époxy de 1'épichlorhydrine ont réagi avec les radicaux amino de 1'aminopolyamide, on 30 ajoute un agent alcoylant monofonctionnel et on chauffe le mélange réactionnel, de préférence à une température comprise entre environ 60°C et environ 80°C, jusqu'à ce que la viscosité Gardner-Holdt d'une solution à approximativement 25% de solides à 25°C soit égale à au moins A et soit de préférence d'au moins 35 B à C. La relation entre la teneur en solides et la viscosité peut être obtenue par réaction directe à la teneur de 25% suivie d'une dilution jusqu'à 25% de solides, ou bien par réaction à une teneur inférieure suivie d'une concentration à une température inférieure à 40°C et sous une pression réduite jusqu'à la teneur 40 de 25% de solides. Des esters d'alcoyle inférieur d'acides miné 73 15195 6 2182151 raux, esters tels que les halogénures, sulfates et phosphates, halogénures d'alcoyle substitué, et analogues, sont des agents alcoylants monofonctionnels adéquats. Comme exemples de tels composés utilisables, on peut notamment citer : sulfate de dimé-5 thyle, de diéthyle, et de dipropyle; chlorure de méthyle; iodure de méthyle; iodure d'éthyle; bromure de méthyle; bromure de pro-pyle; et les phosphates de mono-, di- ou tri-méthyle, -éthyle et -propyle. Certains composés aromatiques tels que chlorure de benzyle et paratoluènesulfonate dé méthyle sont utilisables aussi. 10 On peut utiliser depuis environ 0,1 mole jusqu'à environ 0,9 mole d'agent alcoylant monofonctionnel pour chaque radical amino. Les exemples suivants, bien entendu non limitatifs, illustrent différents modes de réalisation de l'invention. Toutes les quantités spécifiées en "parties" (en abrégé : p.) et en pour-15 centages (%) doivent s'entendre en poids, sauf indication contraire. Les résultats d'apprêt décrits dans les exemples sont obtenus à l'aide de l'appareil d'épreuve connu dans la technique sous la dénomination "Hercules Sizing Tester". L'épreuve de l'apprêt consiste à déterminer la résistance d'une feuille de papier 20 apprêté à la pénétration par une solution d'épreuve n° 2 (qui est une solution aqueuse contenant, en poids, 1,0% d'acide formique et 1,25% de vert naphtol B) . La durée du laps de temps nécessaire pour que la pénétration de l'encre abaisse le pouvoir réflecteur de la lumière jusqu'à 80% du pouvoir réflecteur initial, de la 25 feuille sert à représenter le degré d'apprêt. L'exemple suivant illustre la préparation d'une résine du type aminopolyamide-épichlorhydrine qui est particulièrement intéressante à utiliser comme résine cationique servant d-'agent dispersant pour mettre en oeuvre l'invention. 30 Exemple 1.- On forme un aminopolyamide en ajoutant 219,3 p. d'acide adipique, lentement et en agitant, à 151,3 p. de diéthy-lènetriamine dans un ballon équipé d'un agitateur et d'un condenseur pour recueillir le distillât constitué par de l'eau. On agite le mélange réactionnel et on le chauffe à 170-180°C sous 35 atmosphère protectrice d'azote jusqu'à ce que la formation d'amide soit complètement terminée. Après refroidissement à l'air jusqu' à environ 140°C, on ajoute de l'eau chaude en agitant de façon à aboutir à une solution de résine de polyamide à 50% de solides et ayant une viscosité intrinsèque de 0,140 mesurée en utilisant 40 une solution à 2% dans NH^Cl IN. On prépare un dérivé d'épi- 73 15195 7 2182151 chlorhydrine de 1'aminopolyamide en ajoutant environ 150 p. d'eau à environ 50 p. de la solution à 50% de solides, puis en ajoutant 13,7 p. (0,149 mole) d'épichlorhydrine. On chauffe le mélange réactionnel à 70°C tout en l'agitant sous un condenseur à reflux 5 jusqu'à ce que la viscosité Gardner-Holdt atteigne une valeur de D. On dilue le mélange réactionnel avec de l'eau jusqu'à une teneur en solides d'environ 10%. Exemple 2.- 400 p. d'une solution à 10% de solides d'une résine du type aminopolyamide-épichlorhydrine préparée de la maniè-10 re décrite dans l'exemple l*et 360 p. d'eau sont mélangées et chauffées rapidement jusqu'à 90°C et placées dans le réservoir d'alimentation d'un homogénéiseur de laboratoire Manton-Gaulin (capacité 56,8 litres/heure). On ajoute 240 p. de cire de paraffine raffinée fondue (P.P. 65,6-68,3°C) à la solution chaude dans 15 le réservoir d'alimentation tout en mélangeant au moyen d'un agitateur du type à pales. Avant d'introduire la solution aqueuse de résine dans le réservoir d'alimentation, on préchauffe 1'homogénéiseur en y soufflant un courant de vapeur d'eau sous la pression atmosphérique, le réservoir d'alimentation étant lui-même 20 chauffé en soufflant également de la vapeur dans un serpentin en acier inoxydable brasé sur la paroi extérieure du réservoir. On homogénéise le mélange en le faisant passer deux fois dans 1'homogénéiseur sous 210 kg/cm^. Le produit homogénéisé est recueilli dans une bouteille en verre et est refroidi jusqu'à la températu-25 re ambiante ordinaire en plaçant la bouteille dans un bain d'eau froide tout en agitant le produit pendant le refroidissement. Le produit est une dispersion aqueuse d'un blanc bleuté contenant 28% de solides totaux, à savoir 24% de cire et 4% de résine du type aminopolyamide-épichlorhydrine. Une petite proportion de ci-30 re non-dispersée présente dans la dispersion est séparée par fil-tration au travers d'une toile métallique à mailles à ouvertures carrées de 0,149 mm de côté. On applique cette dispersion sur une feuille non encollée de papier kraft de 65 g/m^ blanchie; l'application se fait à l'aide d'une presse à apprêter en utili-35 sant suffisamment de dispersion pour appliquer 0,39% d'apprêt (solides de la dispersion) sur la base du poids du papier, après quoi «n sèche au tambour le papier ainsi traité. L'épreuve normalisée de l'apprêt donne une pénétration d'encre d'une durée de 191 secondes. 40 Exemple 3.- On prépare un mélange par mise en oeuvre du même 73 15195 8 2182151 mode opératoire que celui décrit dans l'exemple 1, à l'exception du fait que l'on utilise 300 p. de la solution à 10% de solides de la résine du type aminopolyamide-épichlorhydrine préparée de aï wciâifc.-re décrite dans l'exemple 1, 640 p. d'eau, et 60 p. de la 5 même cire de paraffine raffinée fondue. On homogénéise le mélange en le faisant passer deux fois dans 1'homogénéiseur sous une pression de 280 kg/cm2. On recueille le produit homogénéisé, on le place dans une bouteille en verre et on le refroidit jusqu'à la température ambiante ordinaire de la même manière que dans l'exem-10 pie 2. Le produit est une dispersion aqueuse d'un blanc bleuté contenant au total 9% de solides Exemple 4.- On prépare un mélange en opérant de la manière décrite dans l'exemple 2 et en utilisant 60 p. d'une solution 25 aqueuse de résine du type aminopolyamide-épichlorhydrine préparée de la manière décrite dans l'exemple 1 (10% de solides), 504 p. d'eau, et 36 p. de cire de paraffine fondue. On homogénéise le mélange en le faisant passer deux fois dans 1'homogénéiseur sous une pression de 210 kg/.cm2. On place le produit homogénéisé dans 30 une bouteille en verre, et on le refroidit jusqu'à la température ambiante ordinaire en opérant de la manière décrite dans l'exemple 2. Le produit est une dispersion aqueuse d'un blanc bleuté contenant au total 7% de solides (6% de cire et 1% de résine du type aminopolyamide-épichlorhydrine). La dispersion contient une 35 petite proportion de solides non dispersés que l'on sépare par filtration au travers d'une toile métallique à mailles à ouvertures carrées de 0,149 mm de côté. On applique cette dispersion sur v.n3 feuille non encollée de papier kraft de 65 g/m2 blanchie; l'application se fait à l'aide d'une presse à apprêter en utili-40 sant suffisamment de dispersion pour appliquer 0,33% d'apprêt 73 15195 9 2182151 (solides de la dispersion) sur la base du poids du papier; on sèche ensuite au tambour le papier ainsi traité. L'épreuve normalisée du papier donne une pénétration d'encre d'une durée de 182 secondes. Exemple 5.- On prépare un mélange en opérant de la manière décrite dans l'exemple 2 en utilisant 562,5 p. d'une solution aqueuse de résine du type aminopolyamide-épichlorhydrine préparée de la manière décrite dans l'exemple 1 et contenant 10% de solides, 337,5 p. d'eau, et 112,5 p. de cire de paraffine raffinée 10 fondue. On homogénéise le mélange en le faisant passer deux fois dans 1'homogénéiseur sous une pression de 210 kg/cm2. On place le produit homogénéisé dans une bouteille en verre et on le refroidit jusqu'à la température ambiante ordinaire en opérant de la manière décrite dans l'exemple 2. Le produit est une dispersion 15 aqueuse d'un blanc bleuté contenant au total 16,7% de solides (11,1% de cire et 5,6% de résine du type aminopolyamide-épi-chlorhydrine). La dispersion contient une petite proportion de solides non dispersés que l'on sépare par filtration au travers d'une toile métallique à mailles à ouvertures carrées de O,149 mm 20 de côté. On applique cette dispersion sur une feuille non encollée en papier kraft de 65 g/m2 blanchie; l'application se fait à l'aide d'une presse à apprêter en utilisant suffisamment de dispersion pour appliquer 0,4% d'apprêt (solides de la dispersion) sur la base.du poids du papier; on sèche ensuite au tambour le 25 papier ainsi traité. L'épreuve normalisée de l'apprêt donne une pénétration d'encre d'une durée de 32 secondes. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spéciale-30 ment envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. 73 15195 2182151 REVENDICATIONS 1.- Dispersion aqueuse de cire pratiquement stable, caractérisée en ce qu'elle comprend essentiellement, en poids, (A) depuis environ 1 % jusqu'à environ 50 % de cire sous une forme 5 finement divisée, (B) depuis environ 0,1 % jusqu'à environ 20 % d'une résine cationique thermodurcissable, soluble dans l'eau, du type aminopolyamide-épichlorhydrique, et (C) de l'eau en quantité suffisante pour compléter à 100 %. 2.- Dispersion aqueuse selon la revendication 1, caracté-10 risée en ce que le composant (A) y est présetnt en une proportion comprise entre environ 5 % et environ 45 % et le composant (B) y est. présent en une proportion comprise entre environ 0,5 % et environ 10 %. 3.- Dispersion aqueuse selon la revendication 1 ou 2, carac-15 térisée en ce que la cire est une cire de paraffine, tandis que la fraction aminopolyamide de la résine du type aminopolyamide-épichlorhydrine dérive d'acide adipique et de diéthylènetriamine. 4.- Procédé pour préparer une dispersion aqueuse de cire pratiquement stable selon l'une quelconque des revendications 20 précédentes, lequel procédé est caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à préparer un mélange comprenant essentiellement environ de 1% à 50 % de cire dans un état fondu, environ 0,1 % à 20% d'une résine cationique thermodurcissable, soluble dans l'eau, du type aminopolyamide-épichlorhydrine, et de l'eau 25 jusqu'à un complément de 100% en poids, à maintenir le mélange à une température suffisamment élevée pour maintenir la cire dans son état fondu, à homogéniser le mélange sous une pression 2 2 comprise entre environ 70 kg/cm et environ 560 kg/cm , et a refroidir, jusqu'à la température ambiante ordinaire, la disper- 30 sion de cire résultante pratiquement stable. 5.- Procédé pour l'apprêt de papier, lors de la mise en oeuvre duquel on utilise une dispersion aqueuse de cire comme composition d'apprêt, lequel procédé est caractérisé en ce que l'on utilise, comme dispersion de cire, une dispersion aqueuse selon 35 l'une quelconque des revendications 1 à 3, ou préparée par mise en oeuvre d'un procédé selon la revendication 4. 6.- Papier apprêté,caractérisé en ce qu'il contient comme apprêt les solides contenus dans une dispersion aqueuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.