Brevet FR2565267A1 — publié le 19851206

LATEX DE POLYURETHANNE COMME AGENT DE COLLAGE EN INDUSTRIE PAPETIERE, SON PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne un nouvel agent pour le collage en industrie papetière, plus particulièrement du papier et des cartons, consistant en un polyuréthanne cationique dispersé dans l'eau sous forme de latex, et son procédé de préparation. Les polyuréthannes cationiques font déjà l'objet de brevets. I1 est par exemple connu de préparer un composé d'ammonium quaternaire à partir d'un prépolymère à terminaisons NCO, obtenu par addition d'un polyisocyanate sur un composé dihydroxylé aliphatique monomère, allongé par un diol aliphatique contenant un azote tertiaire sali- fiable et/ou quaternisable. C'est le cas, par exemple, du brevet francais n 2 256 937. Dans le brevet n 2 322 236 sont décrits des polyuréthannes cationiques, produits de réaction de polyisocyanates de la série du diphénylméthane avec des N-alkyldialcanolamines en C5-C12 dont la chaîne alkyl est en C1C6 et éventuellement des groupes réactifs servant de rupteur de chaîne, polyuréthannes portant des groupes ammonium protonisés et/ou quaternisés, en solution dans l'eau et utilisés pour le collage du papier. Ces produits, à faible poids moléculaire et bien qu'hydrophiles, sont reconnus par leurs inven- teurs comme efficaces, comparativement aux produits cationiques pour le collage du papier connus antérieurement. Selon l'invention il a été trouvé que des oligomères polyuré- thannes dont la chaîne alkyl est supérieure à 7 atomes de carbone, utilisés sous forme de latex, sont particulièrement efficaces pour le collage du papier dans la masse. Le collage du papier dans la masse consiste à incorporer lors de la formation de la feuille, des produits organiques destinés à réduire voire supprimer l'hydrophilie des papiers pour les rendre aptes à l'impression et à l'écriture. L'invention concerne donc des produits pour le collage du papier consistant en des oligouréthannes portant des groupes ammonium quaternisés, susceptibles de s'adsorber sur la fibre cellulosique, et rendus ainsi hydrodispersibles pour former un latex prêt à l'utilisation. Cet oligouréthanne cationique comporte aussi une chaîne alipha- tique d'au moins 7 carbones conférant un caractère hydrophobe propre à l'efficacité du collage. L'invention comprend en outre le procédé d'obtention de ces latex à partir de toluène diisocyanate et de Nalkyldialcanolamine. L'invention comprend enfin un procédé pour le collage des papiers et cartons, caractérisé en ce que l'on peut utiliser ces produits de collage en milieu neutre. Il est entendu que le terme collage concerne aussi bien un collage dans la masse qu'un collage en surface. Les oligouréthannes utilisés selon l'invention sont des produits de réaction d'un polyisocyanate organique, en l'occurence le toluène diisocyanate (TDI), d'une dialcanolamine N-substituée par une chatne aliphatique comprenant au moins 7 atomes de carbone, et éventuellement un composé monofonctionnel faisant fonction de rupteur de chaîne. Ces produits de réaction sont convertis en oligouréthannes contenant des ions ammonium quaternisés par réaction des azotes tertiaires de la Nalkyldialcanolamine avec un agent quaternisant approprié. La Nalkyldialcanolamine est de préférence modifiée en ammonium quaternaire avant sa réaction avec le toluène diisocyanate. Le taux de quaternisation est tel que l'oligouréthanne puisse être autodispersible, sans toutefois altérer le pouvoir hydrophobe du produit. Les proportions des produits de départ sont choisies de manière à obtenir un polymère de poids moléculaire maximal 3000 et pouvant descendre jusqu'à 500 dans le cas de l'uti- lisation d'un rupteur de chaîne. Les produits de l'invention sont donc des oligouréthannes cationiques, de poids moléculaires compris entre 500 et 3000, possédant un important pouvoir hydrophobe, dispersibles dans l'eau pour former un latex stable susceptible de s'adsorber sur les fibres cellulosiques et donc utilisable pour le collage du papier. Pour la préparation de ces oligouréthannes on utilise comme polyisocyanate les diisocyanates de 2,4- ou 2,6- toluène ainsi que leurs mélanges (TDI). Par N-alkyldialcanolamine on entend les composés organiques contenant deux groupes hydroxy reliés chacun à l'azote par une chatne aliphatique de 2 à 6 carbones et un substituant aliphatique hydrophobe, lui aussi relié à l'azote et comprenant donc au moins 7 atomes de carbone. La stéaryldiéthanolamine est particulièrement appréciée. Les dialcanolamines à chatne N-alkyl trop courte ne permettent pas dans les conditions de l'invention, c'est-à-dire en réaction avec le TDI selon le procédé opératoire décrit par la suite, d'aboutir à des latex efficaces pour le collage du papier. Comme rupteur de chatne, dans le cas o l'on en utilise un pour limiter le poids moléculaire de l'oligouréthanne, on préfère un monoalcool primaire court comme par exemple l'éthanol. Il est préférable, dans le cadre de l'invention, de mettre la dialcanolamine tertiaire sous sa forme quaternisée avant sa réaction avec le toluène diisocyanate. Néanmoins, il n'est pas impossible de transformer l'amine tertiaire en ammonium quaternaire après ou même pendant la formation de l'oligouréthanne. Les agents quaternisants qui conviennent sont en principe toutes les substances quaterni- santes. On citera de préférence des composés contenant un halogène activé comme par exemple le chlorure, le bromure ou l'iodure de méthyle, le chlorure de benzyle, le chlorure d'allyle, ou encore l'épichlorhydrine ou les esters actifs comme par exemple le sulfate de diméthyle. Les oligouréthannes décrits selon l'invention sont composés d'unités structurales de formule générale (AB), A correspondant à la Nalkyldialcanolamine quaternisée, B correspondant au toluène diisocyanate et n variant de 1 à 6 selon que l'on utilise ou non un composé rupteur de chaîne. L'oligouréthanne cationique peut donc s'écrire de la façon suivante: iDCH3 R 2 N R2 -O-C- NH NH -C O - R5 R4 X in dans lequel R2 représente un radical alkylène en C2 - C6 R3 représente un radical alkyle en C7 minimum R4 et X représentent le reste de l'agent quaternisant R4X et dans lequel R1 et R5, ainsi que n, ont les significations suivan- tes: a) lorsqu'on utilise un rupteur de chatne R =R5 - O - C - NH t i 5 i CH3 R5 étant un radical aliphatique en C4 maximum et n varie de 1 à 3 ou b) lorsqu'on n'utilise pas de rupteur de chaîne R = OCN NH - C - o CH3 R5 étant: - R3 1 + - O - R - N- R2 - OH dans lequel R2, R3, R4 et X 1 G conservent les significations R4 R4X -définies précédemment et n varie de 2 à 6. Le moment de la quaternisation de la dialconolamine tertiaire n'intervient en aucune façon sur l'enchainement structural de l'oligouréthanne. La réaction entre le polyisocyanate, en l'occurence le toluène diisocyanate, et la dialcanolamine éventuellement quaternisée est effectuée habituellement en phase solvant afin de mieux contrôler l'exothermie de la réaction et de limiter ainsi les risques de réticulation conduisant à des gélifications inexploitables. Les solvants utilisés sont à faible point d'ébullition afin qu'ils puissent être facilement éliminés du latex final. Ces solvants doivent par ailleurs faciliter la dispersion du polymère dans l'eau. Le chlorure de méthylène (CH2C12), dans des quantités telles que l'oligouréthanne obtenu ait un extrait sec compris entre 20 et 75 %, est un des solvants préférés. L'emploi d'un catalyseur favorisant la réaction de polyméri- sation entre le toluène diisocyanate et une dialcanolamine ne présente pas d'intérêt puisqu'il va à l'encontre de l'invention qui consiste à faire des oligouréthannes à faible poids moléculaire. Par contre, l'utilisation d'un rupteur de chalne comme par exemple l'éthanol contribue avantageusement à limiter le poids moléculaire. La quaternisation de la N-alkyldialcanolamine, et plus particu- lièrement la stéaryldiéthanolamine, est effectuée entre 25 C et 100 C par un agent quaternisant approprié, défini précédemment. Le taux de quaternisation se situe de préférence entre 10 et 60 % par rapport aux azotes quaternisables. Une quaternisation trop élevée nuit à l'efficacité du produit final puisqu'elle contribue à exagé- rer son caractère hydrophile. Une quaternisation trop faible ne permet pas de disperser correctement le produit de polyméraisation. Il est noté que le sulfate de méthyle est l'un des agents quater- nisants les plus appropriés dans la mesure o son action est très rapide. L'oligouréthanne portant des atomes d'azote quaternisé est en général obtenu sous agitation par addition progressive du toluene diisocyanate sur la N-alkyldialcanolamine quaternisée diluée dans le chlorure de méthylène de façon à obtenir un extrait sec de l'oligo- uréthanne organique compris entre 20 et 75 %. La réaction, exother- mique, est contr8lée par la vitesse d'introduction du toluène diisocyanate; la température est limitée par le reflux du solvant. On opère habituellement de façon à être en excès de fonctions OH par rapport aux fonctions NCO dans le récipient réactionnel. Ainsi le toluène diisocyanate et les constituants à terminaisons OH, aussi bien l'alcanolamine que le rupteur de chaîne, peuvent être utilisés dans des proportions telles que le rapport NCO/OH soit inférieur ou de préférence égal à 1. Après la réaction de polymérisation, la solution organique d'oligouréthanne cationique est mise en dispersion dans l'eau. Cette mise en émulsion dans l'eau de l'oligouréthanne en solution dans le solvant est facilitée par l'utilisation d'un tiers solvant. Ce solvant a pour but d'homogénéiser l'ensemble des trois constituants du mélange en dispersion: l'oligouréthanne, son solvant de solubi- lisation et l'eau. Par exemple l'association de l'acétone au chlo- rure de méthylène, deux solvants dont le comportement est totalement opposé vis-à-vis de l'eau, favorise l'obtention de dispersions fines et stables. La quantité de tiers solvant nécessaire à l'optimisation de la finesse de la dispersion est fonction de la taille de l'oligo- uréthanne ainsi que de la quantité de solvant dans lequel il est solubilisé. Dans le cas par exemple du couple acétone-chlorure de méthylène il faut selon les cas 2 à- 5 fois plus d'acétone que de chlorure de méthylène. L'eau nécessaire à la mise en dispersion doit être supérieure à un seuil, déterminé par la quantité totale des solvants, en dessous duquel il est impossible d'obtenir un latex stable et efficace. Le mélange de la phase aqueuse et de la phase organique, en présence d'un tiers solvant, peut être effectué par un dispositif mélangeur classique à opération continue. Sinon, dans le cas d'une agitation normale mais néanmoins vive, on a tout intérêt à ajouter l'eau progressivement dans la phase organique jusqu'à l'inversion de phase matérialisée par une brusque diminution de viscosité du mélange en dispersion. Les solvants sont ensuite éliminés par distillation. Selon le procédé on obtient des latex d'oligouréthannes catio- niques à des teneurs en matière sèche de 10 à 30 % en poids. La dimension de particule n'excède généralement pas 0,5 p ce qui confère aux latex une excellente stabilité. Un autre point intéressant réside dans la neutralité des latex obtenus dont les pH sont compris entre 6 et 7. De tels produits sont donc utilisables en milieu neutre, évitant ainsi les nombreux inconvénients des collages classiques en milieu acide. Ils peuvent être utilisés avec toutes les charges usuelles de l'industrie papetière. EXEMPLE 1 Quaternisation de l'amine - On introduit dans un réacteur surmonté d'un réfrigérant et muni d'un dispositif d'agitation, 233,5 parties d'une diéthanolamine dérivée des acides gras du suif donc principalement en C18 (NORAMOX S2 de CECA) et 16,5 parties le sulfate de diméthyle. Le mélange s'échauffe à 70 C environ. La quaternisation est terminée dès la fin de l'exothermie. Polymérisation - Le NORAMOX S2, précédemment quaternisé, est dilué dans 538,5 parties de chlorure de méthylène auquel on ajoute 60,3 parties d'éthanol. On introduit alors progressivement toujours sous agitation 228,2 parties de TDI 80/20 (mélange de 80 % de TDI - 2,4 et de 20 % de TDI - 2,6). Le mélange réactionnel s'échauffe. La vitesse d'introduction de TDI est telle que l'on puisse maintenir régulier le reflux du solvant. On obtient ainsi un oligouréthanne cationique à 50 % de matière sèche dans le chlorure de méthylène correspondant à la formule donnée dans la desription avec un taux de quaternisation de 20 %. Formation du latex - On ajoute 150 parties d'acétone à 100 parties d'oligouréthanne dans le chlorure de méthylène précédemment préparé. 250 parties d'eau sont alors ajoutées sous agitation violente pour former une émulsion polymère/eau/solvants. Le chlorure de méhtylène et l'acétone sont ensuite éliminés par distillation. On obtient ainsi un latex à 17 % en poids de matière sèche. L'extrait sec du latex peut être amené à 30 % en éliminant une partie de l'eau. EXEMPLE 2 On opère selon l'exemple 1 en remplaçant le NORAMOX S2 par le NORAMOX C2 (produit de CECA) qui est une diéthanolamine dérivant de l'huile de coprah donc comprenant des chaînes grasses en C12 (48 %), C14 ( 17 %), C16, C8, C10 et autres. 146,5 parties de NORAMOX C2 sont quaternisées par 12,6 parties de sulfate de diméthyle puis diluées dans 961,5 parties de chlorure de méthylène. On ajoute 46 parties d'éthanol puis on introduit progressive- ment 174 parties de TDI 80/20. L'oligouréthanne cationique obtenu est à 28 % en matière sèche dans le chlorure de méthylène corres- pondant à la formule donnée dans la description avec un taux de quaternisation de 20 %. parties de cette solution d'oligouréthanne dans le chlorure de méthylène sont mélangées à 200 parties d'acétone puis émulsionnées sous violente agitation dans 300 parties d'eau. Les solvants sont ensuite éliminés. On obtient un latex dont la teneur en matière sèche va de 9,5 % jusqu'à 30 % en poids selon la quantité d'eau que l'on élimine. EXEMPLE 3 Polymérisation - On introduit dans un réacteur surmonté d'un réfrigérant et muni d'un dispositif d'agitation, 178 parties de NORAMOX S2 dans 534 parties de chlorure de méhtylène puis on ajoute progressivement 87 parties de TDI 80/20 dans 261 parties de chlorure de méthylène. Quaternisation - La totalité du chlorure de méthylène est substituée par 795 parties d'acétate d'éthyle. On ajoute ensuite 41,6 parties d'épichlorhydrine. On porte le mélange réactionnel à C pendant 4 heures. L'oligouréthanne cationique obtenu correspon- dant à la formule donnée dans la description possède un taux de quaternisation de 20 %. Formation de latex - Pour 100 parties de polymère dans l'acé- tate d'éthyle précédemment prépare, on ajoute sous vive agitation, parties d'acétone puis 200 parties d'eau pour former une émul- sion. Les solvants sont éliminés par distillation. On obtient ainsi un latex de 14 à 30 Z en poids de matière sèche selon la quantité d'eau que l'on élimine. EXEMPLE 4 Quaternisation - On introduit dans un réacteur surmonté d'un réfrigérant et muni d'un dispositif d'agitation 178 parties. de NORAMOX S2 et 31,5 parties de sulfate de diméthyle. Le mélange s'échauffe à 70 C environ. La réaction est pratiquement instantanée. Polymérisation - Le NORAMOX S2 quaternisé est dilué dans 795 parties de chlorure de méthylène. Puis on ajoute progressivement 87 parties de TDI 80/20. On obtient ainsi un oligouréthanne cationique dans le chlorure de méthylène correspondant à la formule donnée dans la description avec un taux de quaternisation de 50 %. Formation du latex - 100 parties de la solution d'oligouréthan- ne obtenue sont mélangées à 200 parties d'acétone puis émulsionnées sous vive. agitation dans 350 parties d'eau. Les solvants sont ensuite éliminés. On obtient ainsi un latex de 7 Z à 30 % en poids de matière sèche selon la quantité d'eau éliminée. EXEMPLE 5 On opère selon l'exemple 1 mais en remplaçant le sulfate de diméthyle par 12 parties d'épichlorhydrine. L'oligouréthanne obtenu possède un taux de quaternisation de 20 %. EXEMPLE 6 On opère selon l'example 2 en quaternisant 75,8 parties de NORAMOX C2, par 13 parties de sulfate de diméthyle. La polyméri- sation se fait en ajoutant 23 parties d'éthanol, 481 parties de chlorure de méthylène puis progressivement 87 parties de TDI 80/20. L'oligouréthanne cationique obtenu possède un taux de quaternisation de 40 Z. parties d'oligouréthanne organique ainsi obtenu sont émulsionnées en présence de 200 parties d'acétone, dans 300 parties d'eau. Les solvants sont ensuite éliminés. EXEMPLE 7 (comparatif) On réalise des latex d'oligouréthannes à partir de TDI et d'une diéthanolamine N-substituée par une chaîne courte. On constate que ces latex, difficiles à obtenir, sont totalement inefficaces pour le collage du papier. Essai 1: On ajoute progressivement 151,3 parties de TDI 80/20 sur un mélange de 51,7 parties de N-méthyldiéthanolamine, 40 parties d'éthanol et 729 parties de chlorure de méthylène. Ce dernier est ensuite substitué par autant d'acétate d'éthyle, puis on quaternise à 70 C pendant 4 heures par 10 parties d'épichlorhydrine. 100 parties d'oligoyréthanne quaternisé sont émulsionnées dans 400 parties d'eau en présence de 100 parties d'acétone. Les solvants sont ensuite éliminés. Essai 2: L'isopropanol joue le double rôle de solvant et de rupteur de chalne. L'oligouréthanne P est obtenu par addition progressive de ,4 parties de TDI 80/20 sur 33,1 parties de N-méthyldiéthanolamine dans 66,5 parties d'isopropanol. Essai 2.1: L'oligouréthanne P est quaternisé par 15 parties d'épichlorhy- drine pendant 4 heures à 60 C après avoir été solubilisé dans un mélange comprenant 200 parties d'acétate d'éthyle et 300 parties d'acétone. parties de l'oligouréthanne quaternisé en solution sont émulsionnées dans 550 parties d'eau. Les solvants sont ensuite éliminés. On obtient le latex A. Essai 2.2: L'oligouréthanne P est dissous dans une solution aqueuse d'acide acétique. La solution B obtenue a un pH de 3. EXEMPLE 8 Pour l'étude des propriétés de collage sur le papier, on utilise le test COBB conformément à la norme ASTM D.3285 ou à la norme française Q 03-018. Cet essai détermine la quantité d'eau que peut absorber un papier ou un carton pendant un temps donné. On mesure le poids d'eau retenu par unité de surface pendant une durée fixée. Plus l'absorption d'eau est faible et meilleur est l'effet de collage. L'agent de collage est utilisé dans la masse du papier. Ce papier est préparé selon des conditions s'apparentant à une fabri- cation industrielle, à partir d'une cellulose fibres longues blanchie et raffinée à 25 S.R. à laquelle on a ajouté le produit de collage dans différentes proportions. Le papier formé a un grammnage de 65 g/m2. La mesure du COBB s'effectue sur un échantillon circulaire de 100 cm2 de surface. Le temps de contact entre l'eau et l'échantillon de papier est de 50 secondes. A titre de comparaison on utilise également dans les essais un produit de collage cationique déjà connu, utilisable comme les produits de l'invention en milieu neutre et dans la masse: 1'AQUAPEL 360 d'HERCULES. Les résultats obtenus sont résumés dans le tableau suivant: Le taux de colle est donné en substance active par rapport à la cellulose sèche. 25652-67 PRODUIT TAUX DE COLLE:: DE DANS: COBB 60: COLLAGE LE PAPIER:: :: :: : AQUAPEL: 0,15 %: 21,0: 0,5 %: 22,1: EXEMPLE 1 0,25 % 27,3 : EXEMPLE 2: 0,5 %: 27,2: : EXEMPLE 3: 0,4 %: 20,0: : EXEMPLE 4: 0,5 %: 23,9: : EXEMPLE 5: 0,5 %: 22,0: : EXEMPLE 6: 0,5 %: 27,8: : EXEMPLE COMPARATIF 7:: : Essai 1: 2 %: TRANSPERCEMENT: : Latex A: 2 %: TRANSPERCEMENT: : Solution B: 2 %: TRANSPERCEMENT: R E V E N D I CATIONS 1. Agent de collage pour l'industrie papetière à base de polyuréthanne cationique caractérisé en ce qu'il se présente sous forme de latex d'oligouréthanne de formule: RX 1 CHC 17- 2-i 2o_ R4 x n dans lequel R2 représente un radical alkylène en C2 C6 R3 représente un radical alkyle en C7 minimum R4 et X représentent le reste de l'agent quaternisant R4X avec a) R1 représentant _-o _- - - CH3 R5 étant un radical aliphatique en C4 maximum et n variant de 1 à 3 ou b) R1 représentant OCN NH C CH3 R5 étant: R3 i - O - R2 - N - R2 - OH 2 2 R4 X R2, R3, R4 et X conservant les définitions précédentes et n variant de 2 à 6. 2. Agent de collage selon la revendication 1 caractérisé en ce que le taux de quaternisation par rapport aux azotes quaternisables se situe entre 10 et 60 %. 3. Agent de collage selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que le poids moléculaire de l'oligouréthanne est compris entre 500 et 3000. 4. Procédé de fabrication de l'agent de collage des revendi- cations 1 à 3 par réaction d'un polyisocyanate sur une N-alkyl- dialcanolamine quaternisée avant, pendant ou après la réaction caractérisé en ce que le polyisocyanate est le toluène diisocyanate et l'amine est une dialcanolamine N substituée contenant deux groupes hydroxy reliés chacun à l'azote par une chaîne aliphatique de 2 à 6 atomes de carbone, le N substituant comprenant au moins 7 atomes de carbone et en ce que après réaction l'oligouréthanne obtenu est dispersé dans l'eau sous forme de latex. 5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que la réaction du toluène diisocyanate sur la dialcanolamine s'effectue en milieu solvant. 6. Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que le solvant est le chlorure de méthylène. 7. Procédé selon l'une des revendications 4 à 6 caractérisé en ce que la réaction entre le toluène diisocyanate et la dialcano- lamine s'effectue en présence d'un rupteur de chaîne. 8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que le rupteur de chaîne est l'éthanol. 9. Procédé selon l'une des revendication 4 à 8 caractérisé en ce que le rapport NCO/OH du milieu réactionnel est au plus égal à 1. 10. Procédé selon l'une des revendications 4 à 9 caractérisé en ce que l'oligouréthanne est dispersé dans l'eau en présence d'un tiers solvant. 11. Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que le tiers solvant est l'acétone. 12. Procédé selon l'une des revendications 4 à 11 caractérisé en ce que le solvant est éliminé du latex par distillation.