Химические соединения
Изобретение относится к соединениям формулы (I) и формулы (II), где R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из алифатических углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 30 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 8 атомов углерода, и A представляет собой галоген, в качестве обеспечивающего гидрофобность средства, такого как проклеивающее средство для производства бумаги. 6 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 6 пр.
Настоящее изобретение относится к новым азотсодержащим соединениям и их получению, применению азотсодержащих соединений в качестве обеспечивающих гидрофобность соединений, композициям, содержащим азотсодержащие соединения, способу получения композиций, способу получения бумаги и картона и к получаемым таким образом бумаге и картону.
Гидрофобность различных веществ можно увеличить посредством обработки соединениями с гидрофобными группами. Это используют, например, в области бумаги и строительного картона, которые часто нуждаются в определенной степени устойчивости к проникновению жидкости и влаги. Одним из способов получения бумаги и строительного картона с увеличенной устойчивостью к проникновению жидкости и влаги является использование в процессе производства бумаги определенных соединений. Такие соединения, часто обозначаемые как проклеивающие средства, можно добавлять к суспензии целлюлозы до формирования бумажного полотна или полотна строительного картона и/или к формируемому полотну. Добавление проклеивающих средств к суспензии целлюлозы и до формирования листа, как правило, обозначают как проклейка в массе, тогда как добавление проклеивающих средств к бумажному полотну или полотну строительного картона, как правило, обозначают как поверхностная проклейка. Как правило, проклеивающие средства содержат гидрофобные функциональные группы, а также могут содержать группы, которые могут химически связываться с составляющими в суспензии целлюлозы или составляющими в полотне целлюлозных волокон, как правило, связываться с целлюлозными волокнами. Проклеивающие средства, не способные к химической реакции, как правило, обозначают как нереакционно-способные проклеивающие средства. Проклеивающие средства, способные к химической реакции с составляющими в суспензии целлюлозы или с составляющими в бумажном полотне или полотне строительного картона, часто обозначают как химически реакционно-способные проклеивающие средства или способные к реакции с целлюлозой проклеивающие средства. Часто применяемые способные к реакции с целлюлозой проклеивающие средства включают кетеновые димеры, кетеновые полимеры, ангидриды кислот, органические изоцианаты и карбамоилхлориды. Как правило, проклеивающие средства не применяют сами по себе, а предоставляют в качестве водных композиций, в форме эмульсий или дисперсий, в основном вследствие гидрофобного характера проклеивающего средства. Для правильного диспергирования или эмульгирования проклеивающего средства, как правило, используют дополнительные соединения.
В статье ʺSynthesis and application of fatty amide sizing agentʺ, M Ye-Hong et al., Zaozhi Huaxuepin (2010), 22 (Suppl.), Nanjing Forestry University, pp 36-41, описаны катионные проклеивающие средства на основе амидов жирных кислот, получаемые посредством реакции стеариновой кислоты и диэтилентриамина (DETA), таким образом, формируя содержащий стеариновую кислоту аддукт и реакции указанного аддукта с эпихлоргидрином (EPI) с получением соединения катионного амида жирной кислоты.
В DE 1015574 описаны четвертичные аммонийные соединения, получаемые посредством реакции вторичных аминов и замещенных галогенами эпоксидов. Углеводородные остатки, связанные с четвертичным аммонием, самое большое содержат семь атомов углерода.
В статье ʺRing opening alkylations of 1,1-dialkyl-3-substituted azetidinium cations: substituent entropy controlled strained ring-chain equilibrium with aminedʺ, Gaertner, Journal of Organic Chemistry, 33: 523-530 (1968), описаны 1,1-диалкил-3-гидроксиазетидиновые катионы для алкилирования ряда активных нуклеофилов.
Статья ʺSome reactions of epichlorohydrine with aminesʺ Ross et.al., Journal of Organic Chemistry, 29: 824-826 (1964), относится к исследованию реакции эпихлоргидрина с этилендиамином.
Целью настоящего изобретения является предоставление альтернативного обеспечивающего гидрофобность средства высокой эффективности, такого как проклеивающее средство для производства бумаги.
Дополнительной целью изобретения является предоставление обеспечивающего гидрофобность средства, которое можно легко эмульгировать/диспергировать в воде.
Еще одной дополнительной целью изобретения является предоставление альтернативного обеспечивающего гидрофобность средства, которое можно легко получать из легкодоступного сырья.
Еще одной дополнительной целью изобретения является предоставление обеспечивающего гидрофобность средства, которое демонстрирует хорошие удерживающие свойства, например, при использовании в качестве средства для проклейки в массе при производстве бумаги.
Указанных выше целей можно достичь посредством предоставления соединения формулы (I)
где R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 30 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 предпочтительно выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 8 атомов углерода, и A представляет собой галоген.
В другом аспекте изобретение относится к соединению формулы (II)
где R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 30 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 8 атомов углерода, и A представляет собой галоген.
В другом аспекте изобретение относится к способу получения соединения, выбранного из соединения формулы (I), как определено выше, формулы (II), как определено выше, и их смесей, где способ включает реакцию соединений формулы (III) и формулы (IV),
где соединения формулы (III) представлены:
где соединения формулы (IV) представлены:
где R1 и R2 являются такими, как определено выше, и, когда применимо, A представляет собой галоген. Таким образом, для получения соединений формулы (I), R1 и R2 независимо друг от друга выбраны из углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 30 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 предпочтительно выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 8 атомов углерода. Для получения соединений формулы (II) по меньшей мере один из R1 и R2 выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 8 атомов углерода.
Дополнительный аспект изобретения относится к применению соединений, выбранных из соединений формулы (I), формулы (II), формулы (V) и их смесей, для обеспечения гидрофобности (т.е. в качестве обеспечивающего гидрофобность средства) соединений формулы (V), представленных:
где для формул (I), (II) и (V) R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 30 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 предпочтительно выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 4 атома углерода, A- представляет собой анион, выбранный из галогенов, и, когда применимо, A представляет собой галоген.
Также применение для обеспечения гидрофобности можно обозначить как способ увеличения гидрофобных свойств вещества посредством приведения его в контакт по меньшей мере с одним из соединений формул (I), (II) или (V), как описано в настоящем документе.
Когда их используют для обеспечения гидрофобности, можно проводить реакции соединений с другими негидрофобными или менее гидрофобными веществами с обеспечением их усиленных гидрофобных свойств.
Соединения можно использовать в их чистых формах или в композициях, таких как водные композиции, содержащие по меньшей мере одно из указанных соединений, или в композициях, в которых по меньшей мере одно из указанных соединений смешивают с органическим растворителем. Возможные органические растворители включают, например, по меньшей мере один углеводородный растворитель, совместимый с соединениями формулы (I), (II), и (V), которые присутствуют в композиции. Подходящие органические растворители включают углеводороды, содержащие от 1 до 12 атомов углерода, такие как углеводороды, содержащие шестичленное кольцо, которое может содержать 6 делокализованных π-электронов. Например, органический растворитель может представлять собой неполярный органический растворитель, как правило, содержащий от 5 до 12 атомов углерода, такой как неполярные ароматические или алифатические углеводороды. Примеры подходящих органических растворителей в качестве неограничивающих примеров включают спирты (метанол, этанол, изопропанол), полярные апротонные растворители (DMSO, DMF, DMA или ацетонитрил), алифатические углеводороды (например, пентан, гексан, гептан, циклопентан или циклогексан), дихлорметан или другие содержащие хлор растворители или широко распространенные ароматические растворители, такие как бензол, хлорбензол, толуол или различные изомеры ксилола. Можно использовать смесь различных органических растворителей, такую как любая смесь из классов растворителей или конкретных растворителей, описанных выше. Также можно использовать композиции, содержащие две или более из указанных соединений формул (I), (II) и (V), как определено выше, без дополнительных добавок, например смесь соединений формулы (II) и (V), как определено выше.
Дополнительный аспект изобретения относится к композиции, содержащей по меньшей мере одно соединение, выбранное из соединений формулы (I) или формула (II) и их смеси, и по меньшей мере один дополнительный компонент, где R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 30 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 предпочтительно выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 4 атома углерода, A- представляет собой анион, выбранный из галогенов, и, когда применимо, A представляет собой галоген. Указанный дополнительный компонент может представлять собой воду или по меньшей мере одно органическое соединение. Например, такое органическое соединение может представлять собой соединение формулы (V), в частности, как определено выше. Также органическое соединение может представлять собой органический растворитель или смесь растворителей. Для соединений формулы (I) предпочтительна их дисперсия или эмульсия в воде. Для соединений формулы (II) предпочтительна композиция, дополнительно содержащая соединение формулы (V) и/или другое органическое соединение, такое как органический растворитель, как определено выше.
Композицию, как описано выше, можно использовать в качестве обеспечивающей гидрофобность композиции. По одному из вариантов осуществления композиция может представлять собой водную композицию, такую как обеспечивающая гидрофобность водная композиция. В области производства бумаги и строительного картона соединения, придающие гидрофобность конечному продукту (такому как бумага и строительный картон), как правило, обозначают как проклеивающие соединения или проклеивающие средства. Выявлено, что соединения формул (I), (II) и (V), как описано выше, и их смеси являются пригодными в качестве проклеивающих средств и их можно включать в проклеивающие композиции. Например, проклеивающая композиция по изобретению может представлять собой водную композицию, содержащую по меньшей мере одно соединение формулы (I), (II) или (V), как описано выше.
В композициях соединения формул (I), (II), (V) и их смеси, в частности соединения формулы (I), функционируют преимущественно как соединения, обеспечивающие увеличенную гидрофобность, т.е. в качестве проклеивающих средств. Хотя соединения формулы (II) и (V) могут обеспечивать определенные характеристики гидрофобности бумаге и строительному картону, соединения формулы (II) и (V) при воздействии воды обладают способностью формировать соединения формулы (I).
По еще одному дополнительному аспекту изобретение относится к способу производства бумаги или строительного картона, включающему получение водной суспензии целлюлозы, обезвоживание водной суспензии целлюлозы, получая, таким образом, бумажное полотно или полотно строительного картона, где способ включает добавление к суспензии целлюлозы или к бумажному полотну или полотну строительного картона соединения, выбранного из соединений формулы (I), формулы (II), формулы (V) и их смесей, где R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 30 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 предпочтительно выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 4 атома углерода, и, когда применимо, A представляет собой галоген.
Таким образом, соединение, выбранное из соединений формулы (I), формулы (II), формулы (V) и их смесей, можно добавлять к суспензии целлюлозы или соединение можно добавлять к бумажному полотну или полотну строительного картона. Альтернативно, способ может включать добавление указанных компонентов и к водной суспензия целлюлозы, и к бумажному полотну или полотну строительного картона.
По одному из вариантов осуществления способа до применения в способе, например до добавления к водной суспензии целлюлозы или добавления к бумажному полотну или полотну строительного картона, соединение, выбранное из соединений формулы (I), формулы (II), формулы (V) и их смесей, можно предоставлять в качестве композиции, такой как водная композиция. Композицию и водную композицию можно обозначать как обеспечивающую гидрофобность (проклеивающую) композицию и обеспечивающую гидрофобность (проклеивающую) водную композицию.
Полагают, что варианты осуществления, описанные в настоящей заявке, не следует рассматривать как ограничивающие сущность настоящего изобретения.
В соответствии с вариантом, относящимся к вариантам осуществления, включающим гидрофобные средство, композицию, водную композицию, способу получения обеспечивающей гидрофобность композиции, применению соединений, способу производства бумаги или строительного картона и бумагу или строительный картон, указанные варианты осуществления могут относиться к любому из соединений формул (I), (II), (V) и их смесям. Таким образом, указанные варианты осуществления могут относиться к соединениям формулы (I), или относиться к соединениям формулы (II), или относиться к соединениям формулы (V), или относиться к соединениям из любой смеси, содержащей два различных или три различных соединения формул (I), (II) и (V).
Как используют в настоящей заявке, термин углеводород относится к молекуле/группе, не содержащей гетероатомов. Таким образом, термин углеводород относится к молекуле/группе, содержащей только атомы углерода и водорода. Таким образом, как правило, углеводород относится к группе/химической группе/молекуле, состоящей из атомов углерода (один или несколько атомов углерода) и водорода.
Углеводород может быть неразветвленным, разветвленным, а также может содержать одну или несколько двойных связей между атомами углерода. Когда углеводород содержит по меньшей мере одну двойную связь углерод-углерод, как правило, его обозначают как ненасыщенный углеводород. Атомы углерода углеводорода могут располагаться так, чтобы формировать одну или несколько кольцевых структур, например, как в углеводороде, содержащем одно или несколько углеродных колец, с которыми связаны атомы водорода. Углеводород, содержащий каркас из атомов углерода, расположенных в форме одного или нескольких колец, можно обозначать как циклический углеводород. Углеводород, содержащий одну или несколько углеродных кольцевых структур, также может содержать одну или несколько двойных связей углерод-углерод, и его можно обозначать как циклоалкен или циклический ненасыщенный углеводород. Такие двойные связи углерод-углерод могут располагаться в циклической системе или между атомами углерода, не включенными в циклическую систему или/и в циклической системе, и в других частях углеводорода. Циклический углеводород, не содержащий двойные связи углерод-углерод, можно обозначать как циклоалкан или циклический насыщенный углеводород.
Как используют в настоящем документе, термин алифатический углеводород относится к углеводороду, не содержащему никаких ароматических групп. Под ароматической молекулами/группами подразумевают плоскую циклическую систему, удовлетворяющую правилу Хюккеля, т.е. когда количество π-электронов циклической системы углерод-углерод составляет 4n+2, где n представляет собой ноль или положительное число. Таким образом, ароматический углеводород может содержать плоские циклические системы с делокализованными π-электронами из ряда, представленного 4n+2, где n представляет собой ноль или положительное число. Обычная ароматическая система представлена циклической системой из шести атомов углерода, содержащих 6 π-электронов, обычно обозначаемой как бензол или бензольная группа. Углеводород, содержащий ароматические группы, можно обозначать как арил или аралкил (группы). В отношении этой заявки арил относится к любой функциональной группе или заместителю, полученным из ароматического кольца, таким как фенил, нафтил, ксилил, состоящим из атомов углерода и водорода. Аралкил следует понимать как углеводородное соединение, содержащее по меньшей мере одну ароматическую циклическую систему, где к этой ароматической циклической системе (ковалентно) присоединена неароматическая углеводородная группа.
По одному из вариантов осуществления изобретения углеводороды можно выбирать из неразветвленных или разветвленных алкилов или алкенилов.
По одному из вариантов осуществления, подходящему ко всем аспектам настоящего изобретения и в отношении формулы (I) и формулы (II), непосредственно, и дополнительно к способу получения соединений формулы (I), (II) и (V) и их смесей, R1 и R2, независимо друг от друга, предпочтительно выбраны из углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 30 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 8 атомов углерода. Таким образом, по меньшей мере один из R1 и R2 представляет собой углеводород, содержащий от 8 до 30 атомов углерода.
По одному из вариантов осуществления в отношении соединений формулы (I) и (II), непосредственно, и дополнительно к способу получения соединений формулы (I) и (II) и их смесей, R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 26 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 8 атомов углерода. По настоящему документу по меньшей мере один из R1 и R2 представляет собой углеводород, содержащий от 8 до 26 атомов углерода.
По другим аспектам настоящего изобретения, относящимся к композиции, способу получения композиции, применению соединений формулы (I), (II), (V) и их смесей для обеспечение гидрофобности, альтернативно, применению формулы (I), (II), (V) и их смесей в качестве обеспечивающего гидрофобность средства, способу производства бумаги или строительного картона и бумаги, R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 30 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 предпочтительно выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 4 атома углерода. По одному из вариантов осуществления R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 30 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 предпочтительно выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 8 атомов углерода. По другому варианту осуществления R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 26 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 предпочтительно выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 4 атома углерода. По другому варианту осуществления R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 26 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 8 атомов углерода.
Таким образом, по одному из вариантов осуществления изобретения и общему для всех аспектов/вариантов настоящего изобретения, R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 30 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 предпочтительно выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 8 атомов углерода. Предпочтительно R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 26 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 предпочтительно выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 8 атомов углерода. Таким образом, по последнему варианту осуществления, общему для всех аспектов настоящего изобретения, по меньшей мере один из R1 и R2 представляет собой углеводород, содержащий от 8 до 26 атомов углерода. По другому варианту осуществления (общему для всех аспектов) R1 и R2, независимо друг от друга, предпочтительно выбраны из алифатических углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 26 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 предпочтительно выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 8 атомов углерода, т.е. по меньшей мере один из R1 и R2 представляет собой углеводород, содержащий от 8 до 26 атомов углерода, и выбран из неразветвленных или разветвленных алкильных, алкенильных, арильных или аралкильных углеводородов.
По другому варианту осуществления, применимому ко всем аспектам/вариантам, и другому варианту осуществления один из R1 и R2 или оба предпочтительно можно выбирать из алифатических углеводородов, содержащих от 6, от 8, от 10, от 12 атомов углерода, от 14 атома углерода или от 16 атомов углерода. Кроме того, один из R1 и R2 или оба предпочтительно можно выбирать из алифатических углеводородов, содержащих до 28, до 26, до 24 или до 22 атомов углерода. R1 и R2 или оба предпочтительно можно выбирать из алифатических углеводородов, содержащих количество атомов углерода из количества, которое получают комбинацией любого из меньших количеств атомов углерода (т.е. 6, 8, 10, 12, 14 или 16 атомов углерода) и любого из наибольших количеств атомов углерода (т.е. 22, 24, 26 или 28 атомов углерода). Например, по меньшей мере один из R1 и R2 или оба R1 и R2 предпочтительно можно выбирать из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 10 атомов углерода или по меньшей мере 16 атомов углерода, например от 10 до 24 атомов углерода или от 16 до 24 атомов углерода.
По другому варианту осуществления, применимому ко всем аспектам/вариантам и другим вариантам осуществления, любое из соединений формул (I), (II), (V) и их смесей, например соединения формулы (I), можно определять, как указано выше, однако с дополнительным свойством, что общее количество атомов углерода, находящихся в R1 и R2, может составлять более 12 атомов углерода, более 14 атомов углерода, более 16 атомов углерода, более 18 атомов углерода, более 20 атомов углерода. Выявлено, что диспергируемость/эмульгируемость, такие как самодиспергируемость/самоэмульгируемость, особенно соединений формулы (I) имеет тенденцию к корреляции с количеством атомов углерода в заместителях R1 и R2, таким как общее количество атомов углерода в заместителях R1 и R2. Более конкретно, диспергируемость увеличивается с увеличением общего количества атомов углерода в заместителях R1 и R2.
Выявлено, что соединения по изобретению, в частности соединения формулы (I), можно легко эмульгировать/диспергировать в водной фазе, во многих случаях даже без добавления дополнительных соединений облегчающих формирование площади свободной поверхности (как правило, обозначаемые как диспергирующие средства/эмульгаторы).
Соединение, выбранное из соединений формул (I), (II), (V) и их смесей, можно добавлять к суспензии целлюлозы, альтернативно к бумажному полотну или полотну строительного картона в виде водной эмульсии/дисперсии, а также можно добавлять непосредственно к суспензии целлюлозы или к бумажному полотну или полотну строительного картона без необходимости начального эмульгирования/диспергирования в водной фазе.
По дополнительному варианту осуществления, общему для всех аспектов/вариантов настоящего изобретения, углеводородная группа, которая определена как содержащая по меньшей мере 4 атома углерода, альтернативно по меньшей мере 8 атомов углерода, выбрана из неразветвленных углеводородов (включая насыщенные и ненасыщенные углеводороды), или ее можно выбирать из насыщенных линейных (соответственно неразветвленных) углеводородов, альтернативно, ее можно выбирать из ненасыщенных линейных (соответственно неразветвленных) углеводородов.
По другому варианту осуществления, общему для всех аспектов настоящего изобретения, R1 и R2, независимо друг от друга, предпочтительно выбраны из алифатических углеводородов, содержащих от 8 атомов углерода до 30 атомов углерода, соответственно от 8 атомов углерода до 26 атомов углерода, соответственно от 8 атомов углерода до 22 атомов углерода. По другому варианту осуществления, общему для всех вариантов/аспектов изобретения, R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из линейных (неразветвленных) алифатических углеводородов, содержащих от 8 атомов углерода до 26 атомов углерода, соответственно от 8 атомов углерода до 24 атомов углерода, соответственно от 8 атомов углерода до 22 атомов углерода. Наименьший уровень количества атомов углерода в указанных выше диапазонах, относящихся к углеводородам R1 и R2 (независимо друг от друга), составляет от 9, или 10, или 11, или 12, или 14 атомов углерода. Таким образом, R1 и R2, независимо друг от друга, можно выбирать из углеводородов, например от 9 до 30 атомов углерода, от 8 до 28, от 9 до 28, от 10 до 30, от 10 до 28, от 11 до 30, от 11 до 28, от 12 до 30, от 12 до 28, от 8 до 26, от 10 до 26, от 12 до 26, от 8 до 24, от 10 до 24, от 12 до 24, от 8 до 22, от 10 до 22, от 12 до 22.
На всем протяжении заявки формулировку ʺвыбранный изʺ можно заменять формулировкой ʺвыбранный из группы, содержащейʺ, альтернативно, заменять формулировкой ʺвыбранный из группы, состоящей изʺ.
Соединения формулы (I) можно обозначать как содержащие четвертичный аммоний соединения, альтернативно, можно обозначать как азетидиновые соединения или соединения, содержащие азетидиновую функциональную группу. Азетидин (или азациклобутан/триметиленимин) представляет собой гетероциклическое органическое соединение, содержащее четырехчленное кольцо из трех атомов углерода и атома азота, таким образом, азетидин или азетидиновые соединения содержат четырехчленную циклическую систему, содержащую положительно заряженный атом азота. Атом азота в формуле (I) является положительно заряженным, таким образом, обеспечивая положительно заряженное органическое соединение. Как правило, этот положительный заряд сбалансирован наличием анионных соединений и/или атомов, особенно в композициях, содержащих воду, т.е. водных композициях, содержащих положительно заряженное органическое азетидиновое соединение. Соединение формулы (I) может быть представлено в качестве соли.
Соединения формулы (II) можно обозначать как галогенгидрины или галогеноспирты. Галогенгидрины представляют собой органические соединения, содержащие атом углерода с галогеновым заместителем и соседний атом углерода с гидроксильным заместителем.
Соединения формул (I), (II) и (V), как правило, получают посредством реакции вторичных аминов формулы (III) и эпигалогенгидринов формулы (IV).
В соответствии с одной схемой реакции (A) вторичный амин формулы (III) и эпигалогенгидрин формулы (IV) преимущественно преобразуют в соединения формулы (I) по существу за один этап реакции. В соответствии с этой схемой (A) вторичный амин и эпигалогенгидрин реагируют в водной реакционной среде. Как правило, схема (A) включает предоставление вторичного амина в жидкой форме и смешивание с эпигалогенгидрином и водой, предпочтительно при повышенной температуре, такой как приблизительно более 70°C, соответственно в пределах температур от 70 до 120°C, соответственно от 80 до 110°C, например, в течение периода времени от 30 минут до 20 часов.
В соответствии с другой схемой реакции (B), соединения формул (I), (II) и (V) получают посредством реакции вторичного амина формулы (III) и эпигалогенгидрина формулы (IV) в реакционной среде, содержащей органический растворитель. Этот этап реакции можно обозначать как первый этап схемы (B). Как правило, реакционная среда, где проводят реакцию вторичного амина и эпигалогенгидрина, по существу не содержит составляющих/компонентов (таких как вода), реагирующих с эпигалогенгидрином с получением побочных продуктов с негативным воздействием на скорость преобразования желаемых продуктов. Если при реакции вторичного амина и эпигалогенгидрина присутствует вода, последнее соединение (эпигалогенгидрин) может реагировать с водой с образованием галогензамещенных спиртов (кроме соединений формулы (II), включая дихлорпропанол (DCP) и хлорпропандиол (CPD)). Предпочтительно реакционная среда по существу не содержит воды или не содержит воды. Альтернативно, реакционная среда содержит растворитель, который по существу не содержит вода или не содержит воды. Под по существу не содержит воды подразумевают количество воды в реакционной среде, которое в конце первого этапа дает приемлемое количество галогензамещенных спиртов, таких как DCP и CPD. Соответственно, реакционная среда не содержит воды или любых других соединений, которые способны трансформировать/преобразовывать эпигалогенгидрин в нежелательные соединения, включая галогензамещенные спирты, такие как DCP и CPD. Под не содержит воды более конкретно подразумевают реакционную среду, содержащую воды менее 1% по массе всей композиции, например менее 0,1% по массе. Также реакционная среда может по существу состоять или состоять по меньшей мере из одного органического растворителя, такого как по меньшей мере один углеводород растворитель, способный обеспечивать удовлетворительный выход в отношении формул (I) и (II) и в определенной степени (V). Подходящие органические растворители представляют собой углеводороды, содержащие от 1 до 12 атомов углерода, где указанные углеводороды предпочтительно содержат шестичленное кольцо, которое может содержать 6 делокализованных π-электронов. Соответственно, органический растворитель представляет собой неполярный органический растворитель, как правило, содержащий от 5 до 12 атомов углерода, такой как неполярные ароматические углеводороды. Примеры подходящих органических растворителей в качестве неограничивающих примеров включают спирт (метанол, этанол, изопропанол), дихлорметан, содержащие хлор растворители, циклопентан, гексан, циклогексан, бензол и толуол. Бензол и толуол можно применять в качестве органического растворителя. Также можно использовать смесь различных органических растворителей, такую как любая смесь классов растворителей или конкретных растворителей, указанных выше.
Реакция вторичного амина формулы (III) и галогенгидрина формулы (IV) дает соединения формулы (I) или смесь формул (I), (II) и (V) в зависимости от схемы реакции. Как правило, эпоксиамины формулы (V) получают с использованием (реакционной) среды, по существу не содержащей составляющих/компонентов, реагирующих с эпогалогенгидрином с формированием соединения, уменьшающего выход соединений формулы (II) и, таким образом, в конечном итоге, соединений формулы (I).
Первый этап схемы (B) соответственно проводят при повышенных температурах в диапазоне приблизительно от 10 до приблизительно 300°C, например приблизительно от 50 до приблизительно 200°C и в течение приблизительно от 10 до приблизительно 1000 минут или приблизительно от 30 до приблизительно 300 минут.
Как уже описано, соединения формулы (I), т.е. азетидин (или азетидиновые соединения), можно получать по существу в течение одного этапа на схеме (A). На схеме реакции B выход азетидина можно увеличивать добавлением воды к реакционной смеси, получаемой на первом этапа. Как правило, реакционная среда, содержащая соединения формул (I), (II) и (V), содержит очень низкие количества галогензамещенных органических соединений, таких как галогензамещенные спирты (такие как DCP и CPD), или предпочтительно незначительные количества галогензамещенных органических соединений. Соответственно, перед добавлением воды к реакционной среде (после первого этапа) реакционная среда по существу может не содержать галогензамещенных органических соединений или реакционная среда не содержит галогензамещенных органических соединений. Хотя предпочтительным может являться добавление воды к реакционной смеси соединений формул (I), (II) и (V) после первого этапа, указанные соединения можно выделять из реакционной среды и смешивать с водой для дополнительной реакции с соединениями формулы (I). Соединения формулы (II) и (V), т.е. галогенгидрины и эпоксиамины, реагируют с водой при повышенных температурах, таким образом, обеспечивая выход азетидиновых соединений формулы (I). Таким образом, выход азетидина увеличивают, подвергая соединения формулы (II) и (V) воздействию воды. Этот этап, где соединения формулы (II) и (V) преобразуют в азетидиновые соединения формулы (I), обозначают как второй этап.
Соответственно, второй этап схемы (B) проводят при повышенных температурах в диапазоне приблизительно от 20 до приблизительно 150°C, например приблизительно от 60 до приблизительно 100°C, а предпочтительно приблизительно от 10 до приблизительно 200 минут или приблизительно от 20 до приблизительно 60 минут.
В соответствии с еще одной схемой реакции (C) первый этап проводят как на схеме реакции (B) за исключением отсутствия растворителя. Таким образом, вторичный амин формулы (III) и эпигалогенгидрин формулы (IV) смешивают в отсутствие какого-либо дополнительного растворителя. Во всех других аспектах подходят условия схемы реакции (B). Подобным образом, второй этап добавления воды к полученной реакционной смеси проводят, как на схеме реакции (B).
Когда предпочтительно применяют схемы (B) или (C), выход азетидина на основе вторичного амина или эпигалогенгидрина может составлять более 60%, более 70%, более 80% более 88%, например более 90%. Кроме того, при применении схемы (B) снижено образование галогензамещенных органических соединений, таких как DCP и CPD, альтернативно его можно подавлять по существу полностью.
Если такие соединения, как DCP и CPD, образуются в неприемлемом количестве, их можно удалять из реакционной среды или конечных продуктов, применяя подходящие дополнительные этапы способа, такие как ионный обмен, электродиализ, ферментативная обработка и выделение с использованием диоксида углерода, такого как сверхкритический диоксид углерода.
Таким образом, по одному из вариантов осуществления предоставлена композиция, содержащая соединение формулы (I), где R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 30 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 предпочтительно выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 8 атомов углерода, и A представляет собой галоген; и где композиция по существу не содержит, предпочтительно не содержит, галогензамещенных органических соединений (таких как DCP и CPD).
Как понимают в настоящем документе и как известно в данной области, вторичные амины относятся к органическим аминам, содержащим основной атом азота с двумя незанятыми парами электронов, таким как производные аммиака, где углеводородными группами замещены два атома водорода. Первичные амины получают из аммиака, где углеводородной группой замещен один атом водорода. Вторичные амины можно получать из первичных аминов.
По меньшей мере одну или обе углеводородные группы вторичных аминов можно получать из жиров и масел растений и животных. Как правило, жиры и масла предоставлены в форме триглицеридов. В зависимости от источника жира или масла триглицериды содержат характеристические жирные кислоты. Как правило, жирные кислоты, получаемые из триглицеридов, представляют собой остатки монокарбоновых жирных кислот, содержащие приблизительно от 6 до 24 атомов углерода. Карбоновые жирные кислоты можно получать в виде насыщенных карбоновых жирных кислот, т.е. где углеводородный хвост не содержит двойных связей C-C, или в виде остатков ненасыщенных жирных кислот, как правило, содержащих в углеводородном ʺжирномʺ хвосте от одной до трех двойных связей C-C. Подходящие карбоновые жирные кислоты для получения вторичных аминов можно получать из пальмового масла, соевого масла, рапсового масла, подсолнечного масла, арахисового масла, семян хлопчатника, косточкового пальмового масла, оливкового масла, и карбоновые жирные кислоты, получаемые из животных источников, таких как сало и жиры крупного рогатого скота. Часто используемые карбоновые кислоты, получаемые из природных ресурсов, включают карбоновые кислоты, содержащие от 8 до 24 атомов углерода, такие как насыщенные жирные кислоты, например каприловая жирная кислота (C8), каприновая жирная кислота, лауриновая жирная кислота, миристиновая жирная кислота, пальмитиновая жирная кислота, стеариновая жирная кислота, арахидиновая жирная кислота, бегеновая жирная кислота и лигноцериновая жирная кислота; и насыщенные жирные кислоты, включающие полиненасыщенные жирные кислоты, такие как пальмитолеиновая жирная кислота, олеиновая жирная кислота (C18:1 [двойн связь]), линолевая жирная кислота (C18:2), линоленовая жирная кислота (C18:3). Как правило, жирные кислоты, получаемые из природных источников, таких как любой из природных источников, указанных в настоящей заявке, например жирные кислоты, получаемые из пальмового масла, включают жирные кислоты с различными количествами атомов углерода. Таким образом, если не проводить дополнительной обработки (классифицировать), жирные кислоты из конкретного типа растений (такого как пальма, соевые бобы, семена рапса и т.д.) содержат ряд жирных кислот, различающихся по количеству атомов углерода, а иногда также по количеству двойных связей углерод-углерод. Таким образом, вторичные амины, получаемые из жирных кислот из натуральных ресурсов, имеют тенденцию к содержанию вторичных аминов с различными углеводородными заместителями, получаемыми из различных жирных кислот соответствующего растения.
В дополнение ко вторичному амину в реакционной среде также присутствует эпигалогенгидрин формулы (IV). Эпигалогенгидрин можно выбирать из эпигалогенгидринов, содержащих любой галоген из группы 17 (IUPAC) периодической таблицы, а именно фтор (F), хлор (Cl), бром (Br), йод (I) и астат (At). Соответственно, эпигалогенгидрины выбраны из эпихлоргидрина, эпибромгидрина и эпийодогидрина. Предпочтительно эпигалогенгидрины выбраны из эпихлоргидрина, эпибромгидрина. Предпочтительным является эпихлоргидрин.
Подобным образом, A в формулах (I), (II) и (V) может представлять собой любой галоген, такой как фтор, хлор, бром, йод и астат, из которых предпочтительным является хлор.
В зависимости от длины углеводородных заместителей R1 и R2 в формулах (I), (II) и (V) соединения формул (I), (II) и (V) при температуре окружающей среды (такой как в диапазоне от 0 до 30°C) можно получать в форме жидкости или в твердой форме (такой как деформируемое твердое состояние, например воск) или в любых форме/состоянии от жидких до твердых.
В одном из вариантов осуществления проклеивающая композиция по изобретению может представлять собой композицию, по существу состоящую из соединения, выбранного из соединений формул (I), (II), (V) и их смесей. В этом варианте осуществления количество соединений, выбранных из соединений формул (I), (II), (V) и их смесей, таких как соединения, выбранные из соединений формул (I), (II) или соединений формулы (I), составляет более 90% от всей композиции, соответственно более 95% и, как правило, более 98% от всей композиции. Такие проклеивающие композиции перед добавлением в процесс производства бумаги (добавление к суспензии целлюлозы и/или добавление к сформированному полотну целлюлозного материала после обезвоживания) можно гомогенизировать в месте использования посредством гомогенизации/диспергирования/эмульгирования композиции в присутствии водной фазы. Композицию перед, в течение или после гомогенизации можно нагревать.
По дополнительному варианту осуществления проклеивающее средство, содержащее (I), (II), (V) и их смеси, соответственно проклеивающее средство, по существу состоящее из (I), (II), (V) и их смесей, добавляют фактически в процесс производства бумаги, например добавляя к суспензии целлюлозы или к полотну бумаги и строительного картона или к обоим.
По одному из вариантов осуществления соединение, выбранное из соединений формул (I), (II), (V) и их смесей, в процессе производства бумаги или строительного картона можно наносить на бумажное полотно или полотно строительного картона так, чтобы обеспечить дополнительную гидрофобность поверхности полотна. Когда соединения формул (I), (II), (V) и их смеси наносят на поверхность полотна бумаги или строительного картона, указанные соединения можно предоставлять в форме водных композиций, таких как жидкость для клеильного пресса, как правило, дополнительно содержащей крахмал, такой как анионный, неионный, катионный или амфотерный крахмал. Соединения формул (I), (II), (V) и их смеси, наносимые на поверхность бумажного полотна или полотна строительного картона, можно обозначать как проклеивающие поверхность средства. Композиция для проклейки поверхности может содержать дополнительные вещества, например, такие как пигменты (например, мел, осажденный карбонат кальция, каолин, диоксид титана, сульфат бария или гипс), оптические отбеливатели, антисептики, средства придания прочности бумаге, фиксаторы, подавители пенообразования, удерживающие добавки, кросслинкеры (например, соединения циркония), средства, ухудшающие растворимость, пеногасители и/или осушающие кислоты. Количество соединений формул (I), (II), (V) и их смесей, наносимых на поверхность бумажного полотна, может составлять, например, от 0,005 до 1,0 г/м2 или от 0,01 до 0,5 г/м2.
По одному из вариантов осуществления проклеивающая композиция содержит соединение формулы (I) или композицию, содержащую проклеивающее средство, являющееся соединением формулы (I), где R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 30 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 предпочтительно выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 4 атома углерода, A- представляет собой анион, выбранный из галогенов, и A представляет собой галоген.
По дополнительному варианту осуществления предоставлена композиция, содержащая любое из соединений формул (I), (II), (V) и их смесей, также содержащая другие общепринятые проклеивающие средства, такие как проклеивающие средства на канифольной основе и способное к реакции с целлюлозой проклеивающее средство, включая кетеновые димеры, кетеновые полимеры, органические изоцианиды, карбамоилхлориды и ангидриды кислот, такие как алкил- и алкенилянтарные ангидриды, например, изооктадеценилянтарный ангидрид, изооктадецилянтарный ангидрид, н-гексадеценилянтарный ангидрид, додеценилянтарный ангидрид, деценилянтарный ангидрид, октенилянтарный ангидрид, триизобутенилянтарный ангидрид, 1-октил-2-деценилянтарный ангидрид и 1-гексил-2-октенил-янтарный ангидрид.
По одному из вариантов осуществления композицию можно предоставлять в форме водной композиции. В отношении этого проклеивающую композицию можно обозначать как водную проклеивающую композицию. Таким образом, один из аспектов изобретения относится к водной композиции, такой как водная проклеивающая композиция, содержащей соединение, выбранной из соединений формул (I), (II), (V) и их смеси. По одному из вариантов осуществления водная проклеивающая композиция, соответственно водная проклеивающая композиция, содержащая соединение формулы (I), или водная проклеивающая композиция, содержащая проклеивающее средство, по существу выбранное из соединений формулы (I), по существу не содержит (или не содержит) соединений/средств, облегчающих образование свободной площади поверхности (частицы). Соединения, увеличивающие образование свободной поверхности, как правило, представляют собой поверхностно-активные соединения, содержащие по меньшей мере одну гидрофильную группа и по меньшей мере одну гидрофобную группу. Даже если проклеивающая композиция и водная проклеивающая композиция, соответственно, могут не содержать дополнительных соединений, облегчающих образование эмульсии или дисперсии, проклеивающие композиции и водные проклеивающие композиции могут содержать соединения, облегчающие образование эмульсии или дисперсии. Подходящие диспергирующие/стабилизирующие средства могут включать поверхностно-активные вещества, электролиты и полиэлектролиты. Полиэлектролиты могут являться анионными, катионными, амфотерными или неионными. Полиэлектролиты можно выбирать из органических и неорганических соединений, можно получать из природных или синтетических источников и они могут быть неразветвленными, разветвленными или сшитыми. Полиэлектролиты, соответственно, являются диспергируемыми в воде и/или водорастворимыми. Полиэлектролиты, происходящие из природных источников, содержат полисахариды (или их получают из них), такие как виды крахмала, гуаровая камедь, виды целлюлозы, хитины, хитозаны, гликаны, галактаны, ксантановые камеди, пектины, маннаны, декстрины, предпочтительно крахмалы и камеди. Подходящие виды крахмала включают виды крахмала, получаемые из картофеля, кукурузы, пшеницы, тапиоки, риса, восковидной кукурузы, ячменя. Синтетические полиэлектролиты могут включать полимеры с растущей цепью, например полимеры, получаемые ступенчатой полимеризацией, полимеры, получаемые постадийной поликонденсацией. Синтетические полиэлектролиты с растущей цепью включают виниловые полимеры, получаемые ступенчатой полимеризацией, такие как полимеры на основе акрилата, акриламида и виниламида. Подходящие получаемые постадийной поликонденсацией полимеры включают конденсационные полимеры, такие как конденсаты альдегида и полиутеранов. Полиэлектролиты могут содержать природные химические группы, содержащие заряды, такие как группы, связанные с мономерами. Альтернативно, полиэлектролиты приводят в состояние с зарядом или предоставляют с дополнительными зарядами посредством введения после образования полимера заряженных групп (химических групп). Заряд некоторых полиэлектролитов также может варьировать в зависимости от типа растворителя и в зависимости от pH водного растворителя. Примеры подходящих анионных групп, т.е. групп, которые в водной фазе являются анионными или можно привести в анионное состояние, включают силанол, алюмосиликат, фосфат, фосфонат, сульфат, сульфонат, молекулы сульфоновых и карбоновых кислот, а также их соли, как правило, соли аммония или щелочных металлов (как правило, натрия). Предпочтительные молекулы дополнительных соединений, присутствующие в водной композиции, представляют собой полисахариды с зарядом, в частности крахмал, и полимеры с зарядом на основе акриламида.
Соответственно, количество соединений формулы (I) или суммарное количество любых соединений (I), (II) и (V), применяемых самостоятельно или содержащихся в применяемой композиции, такой как водная композиция, добавляемое к суспензии целлюлозы для сушки на проволочной сетке с получением бумаги, или наносимое на поверхность целлюлозного листа или полотна в качестве поверхностного проклеивающего средства, как правило, на клеильном прессе, составляет от 0,01 до 1,0% по массе сухой суспензии целлюлозы и необязательных наполнителей, предпочтительно от 0,05 до 0,5% по массе, где доза в основном зависит от качества массы или бумаги для проклейки и уровня желаемой проклейки.
Дополнительный аспект изобретения относится к использованию соединений формул (I) (II), (V) и их смесей для обеспечения гидрофобности. Соответственно, соединения формул (I), (II), (V) и их смеси используют в качестве обеспечивающих гидрофобность (проклеивающих) средств. По одному из вариантов осуществления соединения формул (I), (II) и (V), предпочтительно соединения формулы (I), используют для обеспечения гидрофобности бумаги или строительного картона, и поэтому их можно обозначать как проклеивающие средства.
Соединения формул (I), (II), (V) и их смеси, самостоятельно или в форме композиции, такой как проклеивающая композиция или водная проклеивающая композиция, можно использовать общепринятым способом при получении бумаги с использованием любого типа целлюлозных волокон, и их можно использовать для поверхностной проклейки и проклейки в массе.
Соединения формул (I), (II) и (V) и их смеси можно использовать в сочетании с дополнительными нецеллюлозными продуктами тонкого химического синтеза, такими как дренажные и удерживающие добавки, и дополнительными проклеивающими средствами. Примеры подходящих дренажных и удерживающих добавок включают органические полимеры, неорганические вещества, например анионные вещества в виде микрочастиц, например кремнистые материалы, такие как частицы на основе коллоидного диоксида кремния, такие как кремнистый материал, содержащий материал на основе диоксида кремния, монтмориллонит/бентонит и их сочетания. Как используют в настоящем документе, термин ʺдренажная и удерживающая добавкаʺ относится к одной или нескольким добавкам, которые при добавлении к водной суспензии целлюлозы обеспечивают лучший дренаж и/или удержание, чем достигаются без добавления указанных одной или нескольких добавок.
Примеры подходящих органических полимеров включают анионные, амфотерные и катионные виды крахмала; анионные, амфотерные и катионные полимеры на основе акриламида, включая по существу неразветвленные, разветвленные и сшитые анионные и катионные полимеры на основе акриламида; а также катионный поли(диаллилдиметилхлорид аммония); катионные полиэтиленимины; катионные полиамины; катионные полиамидамины и полимеры на основе виниламида, меламинформальдегидные и мочевиноформальдегидные смолы. Соответственно, дренажная и удерживающая добавка содержит по меньшей мере один катионный или амфотерный полимер, предпочтительно катионный полимер. Особенно предпочтительными полимерами являются катионный крахмал и катионный полиакриламид, и их можно использовать отдельно, совместно друг с другом или совместно с другими полимерами, например другими катионными и/или анионными полимерами. Средневзвешенная молекулярная масса полимера соответственно составляет приблизительно более 1000000, а предпочтительно приблизительно более 2000000. Верхний предел средневзвешенной молекулярной массы полимера не является критичным; от может составлять приблизительно 50000000, как правило, приблизительно 30000000 и соответственно приблизительно 25000000. Однако средневзвешенная молекулярная масса полимеров, получаемых из природных источников, может быть большей.
Частицы на основе диоксида кремния, т.е. частицы на основе SiO2 или кремниевой кислоты, как правило, поставляют в форме водных коллоидных дисперсий, так называемых золей. Примеры подходящих частиц на основе диоксида кремния включают коллоидный диоксид кремния и различные типы поликремниевой кислоты, гомополимеризованной или сополимеризованной. Золи на основе диоксида кремния можно модифицировать, и они могут содержать другие элементы, например алюминий, бор, азот, цирконий, галлий, титан и т.п., которые могут находиться в водной фазе и/или в частицах на основе диоксида кремния. Примеры подходящих частиц на основе диоксида кремния этого типа включают модифицированный коллоидным алюминием диоксид кремния и силикаты алюминия. Также можно использовать cмеси таких подходящих частиц на основе диоксида кремния. Примеры подходящих анионных частиц на основе диоксида кремния включают частицы со средним размером частиц приблизительно менее 100 нм, предпочтительно приблизительно менее 20 нм и более предпочтительно в диапазоне приблизительно от 1 до приблизительно 10 нм. Как принято в химии диоксида кремния, размер частиц относится к среднему размеру первичных частиц, которые могут быть агрегированными или неагрегированными. Удельная площадь поверхности частиц на основе диоксида кремния соответственно составляет приблизительно более 50 м2/г и предпочтительно приблизительно более 100 м2/г. Как правило, удельная площадь поверхности может составлять приблизительно до 1700 м2/г. Удельную площадь поверхности измеряют посредством титрования NaOH хорошо известным способом, например, как описано G.W. Sears in Analytical Chemistry 28(1956): 12, 1981-1983 и в патенте США № 5176891. Таким образом, получаемая площадь представляет собой среднюю удельную площадь поверхности частиц. Дополнительные примеры подходящих частиц на основе диоксида кремния включают частицы, которые находятся в золе со значением S в диапазоне от 5 до 50%. Значение S можно измерять и рассчитывать, как описано в Iler & Dalton in J. Phys. Chem. 60(1956), 955-957. Значение S является показателем степени агрегации или образования микрогеля, и меньшие значения S являются показателем более высокой степени агрегации.
По другому аспекту настоящее изобретение также относится к способу производства бумаги или строительного картона, включающему получение водной суспензии целлюлозы, обезвоживание водной суспензии целлюлозы, таким образом, получая бумажное полотно или полотно строительного картона, где способ включает добавление к водной суспензии целлюлозы и/или к бумажному полотну или полотну строительного картона соединения, выбранного из соединений формул (I), (II), (V) и их смесей, где R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 30 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 4 атома углерода, и, когда применимо, A представляет собой галоген.
Как используют в настоящем документе, термин ʺбумагаʺ, разумеется, включает не только бумагу и продукцию из нее, но также другие продукты на основе листа целлюлозы или подобные полотну продукты, такие как, например, картон и бумажный картон и продукция из них. Способ можно использовать при производстве бумаги из различных типов водных суспензий целлюлозных волокон, и суспензии соответственно должны содержать по меньшей мере приблизительно 25% по массе и предпочтительно по меньшей мере приблизительно 50% по массе таких волокон от сухого вещества. Суспензия может основываться на волокнах из целлюлозы, таких как сульфатная, сульфитная и органосольвентная целлюлоза, древесная масса, такая как термически обработанная древесная масса, химически и термически обработанная древесная масса, рафинерная древесная масса и дефиберная древесная масса, из твердой древесины и мягкой древесины, а также может основываться на рециклированных волокнах, необязательно из бумажных волокон с проведенной очисткой остатков краски, и их смесях. Суспензия может содержать минеральные наполнители, такие как общепринятые наполнители, включая каолин, белую глину, диоксид титана, гипс, тальк и природные и синтетические разновидности карбоната кальция, такие как мел, мраморная крошка и преципитат карбоната кальция. pH суспензии, маточного раствора, может находиться в диапазоне приблизительно от 3 до приблизительно 10. Соответственно, pH составляет приблизительно более 3,5, а предпочтительно в диапазоне приблизительно от 4 до приблизительно 9. От 4 до 8.
Также способ производства бумаги или строительного картона может включать добавление к водной суспензии целлюлозы кремнистого материала. Подходящий кремнистый материал содержит любой из кремнистых материалов, описанных в настоящей заявке.
Также способ производства бумаги или строительного картона может включать добавление к водной суспензии целлюлозы кремнистого материала и катионного полиэлектролита.
Также способ производства бумаги или строительного картона может включать добавление к водной суспензии целлюлозы дренажных и удерживающих добавок, содержащих кремнистый материал и катионный полиэлектролит, такой как катионный полисахарид, например крахмал и полимер на основе катионного акриламида.
Соединения формул (I), (II), (V) и их смеси и композиции, содержащие указанные соединения, пригодны при производстве бумаги из водной суспензии целлюлозы с высокой электропроводностью. Электропроводность суспензии, которую обезвоживают на проволочной сетке, может находиться в диапазоне от 0,3 мСм/см до 10 мСм/см. Хороших результатов по настоящему изобретению можно достигать, когда электропроводность составляет по меньшей мере 2,0 мСм/см, в частности по меньшей мере 3,5 мСм/см, в частности по меньшей мере 5,0 мСм/см и по меньшей мере 7,5 мСм/см. Электропроводность можно измерять на стандартном оборудовании, например, таком как устройство WTW LF 330, поставляемое Christian Berner. Указанные выше значения соответственно определяют, измеряя электропроводность суспензии целлюлозы, которую подают или которая находится в напорном ящике бумагоделательной машины, или, альтернативно, измеряя электропроводность очищенной от волокнистой массы воды, получаемой при обезвоживании суспензии. Высокие уровни электропроводности означают высокое содержание солей (электролитов), которые можно получать из веществ, используемых для получения маточного раствора, из различных добавок, вводимых в маточный раствор, из свежей воды, подаваемой в процесс и т.д. Кроме того, как правило, содержание солей в процессах, где интенсивно рециркулирует очищенная от волокнистой массы вода, является более высоким, что может приводить к значительному накоплению солей в воде, циркулирующей в процессе.
По другому аспекту изобретение относится к бумаге и строительному картону, получаемым/полученным способом, как описано в настоящей заявке. Бумагу по изобретению можно использовать в различных приложениях, таких как упаковочная бумага, печать (высокосортная бумага).
Далее изобретение проиллюстрировано приведенными ниже примерами, которые, однако, не предназначены для ограничения изобретения. Если не указано иначе части и % относятся к массовым частями и % по массе соответственно.
Пример 1
Азетидиновые соединения формулы (I) получали в соответствии со следующими общими схемами реакций.
Схема реакции (A)
Жирный диалкиламин, получаемый из гидрогенизированного жира (C16/C18) (0,2 моль), расплавляли при +90°C в реакционном стакане, оборудованном мешалкой и обратным холодильником. К этому расплаву добавляли эпихлоргидрин (16 мл; 0,2 моль) и дистиллированную воду (3,65 мл; 0,2 моль) и смесь выдерживали при +90°C в течение 16 часом. Анализ GC-MS и 13C-ЯМР продемонстрировал, что весь эпихлоргидрин был израсходован. Анализ смеси LC-MS продемонстрировал, что основным продуктом является азетидин. Однако дополнительно анализы LC-MS и GC-MS также продемонстрировали, что не было израсходовано все исходное вещество (жирный диалкиламин) и что также образовывались получаемые из эпихлоргидрина аддукты, такие как DCP и CPD.
Схема реакции (B)
К раствору амина жирной кислоты (0,1 моль) в ксилоле в качестве растворителя добавляли эпихлоргидрин (0,1 моль). Смесь нагревали до кипения с обратным холодильником, и прохождение реакции контролировали посредством LC-MS (исходное вещество и продукт) и GC-MS (эпихлоргидрин) каждые 15 минут. Если было необходимо, для достижения полного преобразования проводили дополнительные добавления эпихлоргидрина порциями по 0,01 моль. Для аминов жирных кислот, содержащих более длинные группы R (C16-C22), реакцию завершали через 2-3 ч, а для аминов жирных кислот, содержащих более короткие группы R (C8-C14), реакцию завершали через 0,5-2 ч. Когда в соответствии с LC-MS расходовался весь амин жирной кислоты, реакционную смесь охлаждали до комнатной температуры, и органические жидкости выпаривали с использованием пониженного давления и нагревания. После выпаривания получали твердую/жидкую композицию (ниже обозначаемую как композиция x). Анализы LC-MS и 13C-ЯМР демонстрировали, что основными компонентами композиции x являлись хлоргидрины формулы (II) и эпоксамин формулы (V). Более длинные амины жирных кислот приводили к выходу бело-желтоватого твердого остатка, тогда как более короткие амины жирных кислот давали желтоватое масло.
Схема реакции (C)
В круглодонную колбу, содержащую жирный диалкиламин (0,1 моль), шприцевым насосом добавляли эпихлоргидрин (0,2 моль), и полученную смесь нагревали до 90°C. После завершения расходования диалкиламина (анализ LC-MS) посредством вакуумной дистилляции удаляли избыток эпихлоргидрина. Оставшуюся жидкость/твердое вещество в зависимости от того, какой жирный диалкиламин использовали (см. выше), собирали и анализировали с использованием LC-MS, 13C-ЯМР, как описано выше.
На дополнительном этапе композицию x, содержащую хлоргидрин и эпоксамин, смешивали с водой и нагревали приблизительно до 90°C. Приблизительно через 30 минут более 90% исходного количества амина жирной кислоты преобразовывались в азетидин.
По схеме (B) получали следующие азетидиновые соединения:
Азетидиновые соединения следующей формулы:
где
R1=R2=C6H13, обозначаемое как соединение No 1;
R1=R2=C8H17, обозначаемое как соединение No 2;
R1=R2=бензил (C7H7), обозначаемое как соединение No 3;
R1=R2=группы R, получаемые из кокосового масла (преимущественно C12/C14), обозначаемое как соединение No 4,
и азетидиновые соединения формулы:
используемые ниже для листов проклеенной бумаги и обозначаемые No 5, No 7 и No 8, где
No 5: R1=R2=C10H21;
No 7: R1 и R2 = смесь углеводородов, получаемая из гидрогенизированного твердого животного жира (преимущественно C16 и C18);
No 8: R1=CH3, R2 = смесь углеводородов, получаемая из твердого животного жира (преимущественно C16 и C18);
No 9: R1 и R2 = смесь углеводородов, получаемая из рапсового масла (преимущественно C20 и C22).
Пример 2
Кроме того, получали соединение, обозначаемое No 6, описанное в китайской статье ʺSynthesis and application of fatty amide sizing agentʺ, M Ye-hong et. al., Zaozhi Huaxuepin (2010), 22 (Suppl.), Nanjing Forestry University, pp36-41
в соответствии с описанием в указанном китайском документе. Получали дисперсию соединения No 6, диспергируя соединение No 6 в воде.
Пример 3
Получение водных проклеивающих композиций, содержащих проклеивающие средства (обозначенные No 5, No 6, No 7, No 8)
Водные дисперсии соединений No 5, No 6 и No 8, как указано выше, получали, диспергируя соединения в воде без добавления дополнительных соединений. Проклеивающее средство находилось в водной дисперсии в количестве от 8 до 10% по массе всей композиции.
Пример 4
В качестве сравнения также получали проклеивающую дисперсию, содержащую кетеновый димер, AKD (Eka DR28HF) и использовали в тестах проклеивания, описанных ниже. AKD присутствовало в количестве приблизительно 20% по массе всей композиции.
Пример 5
Эффективность проклеивания (Cobb-60) указанных выше дисперсий оценивали, измеряя эффективность проклеивания стандартным способом Tappi T441. Листы бумаги получали стандартным способом SCAN-C26:76.
Листы бумаги получали способом, в котором дисперсии добавляли к водной суспензии целлюлозы, содержащей 0,5%, содержащей 80% твердой древесины и 20% мягкой древесины беленой крафт-целлюлозы от всех целлюлозных волокон. Дисперсии добавляли в количествах 0,5, 1,0 и 2,0 кг/тонну, в пересчете на проклеивающее средство и от массы сухой суспензии целлюлозы. Использовали систему удержания, содержащую 6 кг/тонну катионного картофельного крахмала (Perlbond 970, Lyckeby) и 0,5 кг/тонну золя диоксида кремния (NP 442, Eka Chemicals AB), рассчитанных как сухие вещества от сухой суспензии целлюлозы.
Измеряли значения Cobb-60, и результаты представлены в таблице 1, в которой доза относится к количеству активного соединения (No 5, 6, 7 или 8 или AKD) на тонну получаемой бумаги. Меньшие значения Cobb означают, что адсорбировалось меньшее количество воды и, таким образом, достигалось лучшее проклеивание.
| Таблица 1 | |||
| Проклеивающее средство | № листа | Доза проклеивающего средства / [кг/тонну] | Cobb/[г/м2] |
| Отсутствует | 0 | 0,0 | 157 |
| No 6 | 1 | 0,5 | 116 |
| No 6 | 2 | 1,0 | 29 |
| No 6 | 3 | 2,0 | 21 |
| No 5 | 4 | 1,0 | 124 |
| No 5 | 5 | 2,0 | 128 |
| Лаб. эталон AKD (Eka DR28HF) | 8 | 0,5 | 24 |
| Лаб. эталон AKD (Eka DR28HF) | 9 | 1,0 | 21 |
| Лаб. эталон AKD (Eka DR28HF) | 10 | 2,0 | 20 |
| No 7 | 11 | 0,5 | 27 |
| No 7 | 12 | 1,0 | 22 |
| No 7 | 13 | 2,0 | 20 |
| No 8 | 14 | 1,0 | 138 |
| No 8 | 15 | 2,0 | 134 |
Пример 6
Из соединений 6, 7 и 9 получали составы для поверхностной проклейки посредством диспергирования их в воде в концентрации приблизительно 5-15% твердых веществ. Проклеивающее действие составов тестировали, как описано ниже, на тестовой бумаге, являющейся непроклеенной целлюлозно-макулатурной бумагой из смешанных отходов с основной массой 140 г/м2 и абсорбцией жидкостей 34%.
Обработку тестовой бумаги проводили на лабораторном клеильном прессе Mathis, Zürich, type HVF. Используемой проклеивающей жидкостью являлся раствор из 8 массовых процентов сухого окисленного картофельного крахмала (Perfectamyl P 255 SH from AVEBE) и 0,05-1 процентов соединений 6, 7 или 9, доводимых до 100 процентов водой. Рабочая температура клеильного пресса составляла приблизительно 50-55°C.
Поверхностно проклеенную бумагу сушили на сушильном цилиндре при 80°C в течение приблизительно 2 минут с последующей сушкой в термостате в течение 10 минут приблизительно при 105°C. Перед тестом проклеивания бумагу кондиционировали в течение 12-18 часов при 23°C и 50% отн. влажности.
Для оценки степени проклеивания поверхностно проклеиваемой бумаги определяли значения Cobb в соответствии с DIN 53122. Значение определяют как абсорбцию воды листом бумаги в течение времени увлажнения 60 секунд, указываемую в г/м2. Чем меньше значение Cobb, тем лучшей является степень проклеивания тестируемой бумаги.
Результаты представлены в таблице 2, в которой доза относится к количеству активного соединения (No 6, 7 или 9) на тонну получаемой бумаги.
| Таблица 2 | |||
| Проклеивающее средство | № листа | Доза проклеивающего средства/[кг/тонну] | Cobb/[г/м2] |
| Отсутствует | 0 | 0 | 135 |
| No 7 | 1 | 0,5 | 87 |
| No 7 | 2 | 0,75 | 48 |
| No 7 | 3 | 1 | 32 |
| No 7 | 4 | 2 | 23 |
| No 9 | 5 | 0,3 | 96 |
| No 9 | 6 | 0,5 | 52 |
| No 9 | 7 | 0,75 | 26 |
| No 6 | 8 | 0,1 | 116 |
| No 6 | 9 | 0,2 | 49 |
| No 6 | 10 | 0,5 | 23 |
1. Соединение формулы (I)
где R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из алифатических углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 30 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 8 атомов углерода, и А представляет собой галоген.
2. Соединение формулы (II)
где R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из алифатических углеводородов, содержащих от 1 атома углерода до 30 атомов углерода, при условии, что по меньшей мере один из R1 и R2 выбран из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 8 атомов углерода, и А представляет собой галоген.
3. Соединение по любому из пп. 1-2, где R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 10 атомов углерода.
4. Соединение по п. 3, где R1 и R2, независимо друг от друга, выбраны из алифатических углеводородов, содержащих по меньшей мере 16 атомов углерода.
5. Способ получения соединения, выбранного из соединений формулы (I), формулы (II) и их смесей, по любому из пп. 1 или 2, где способ включает проведение реакции соединений формулы (III) и формулы (IV),
где соединения формулы (III), представлены:
где соединения формулы (IV) представлены:
где для получения соединений формулы (I) R1 и R2 являются такими, как определено в п. 1, для получения соединений формулы (II) R1 и R2 являются такими, как определено в п. 2, и, когда применимо, А представляет собой галоген.
6. Применение соединения по п. 1 в качестве проклеивающего средства для производства бумаги.
7. Способ производства бумаги или строительного картона, включающий получение водной суспензии целлюлозы, обезвоживание водной суспензии целлюлозы, получая таким образом бумажное полотно или полотно строительного картона, где способ включает добавление к водной суспензии целлюлозы или к бумажному полотну или полотну строительного картона или обоим соединения по п. 1.
8. Способ производства бумаги или строительного картона по п. 7, где соединение по п. 1 предоставлено в виде водной композиции.
9. Бумага или строительный картон, получаемые способом, как определено в любом из пп. 7 и 8.
