Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung des Restgehaltes an freiem Alkylierungsmittel in wäßrigen Lö¬ sungen stickstoffhaltiger Tenside, bei dem man Lösungen von kationischen, amphoteren und/oder zwitterionischen Tensiden mit Alkanolaminen nachbehandelt.

Stand der Technik

Kationische Tenside, beispielsweise vom Typ der Esterguats oder quartären Ammoniumverbindungen stellen wichtige Produkte zur Herstellung von Wäscheweichspülern, Avivagemitteln für Haarbehandlungszwecke, Antistatika und Desinfektionsmitteln dar. Amphotere bzw. zittterionische Tenside zeichnen sich durch ausgezeichnete Reinigungs- und Schaumeigenschaften aus und eignen sich als Cotenside für eine Vielzahl von ober¬ flächenaktiven Mittel wie z.B. milde Haarshampoos .

Die drei Tensidtypen weisen als verbindendes Strukturelement ein quartäres Stickstoffatom auf. Zu ihrer Herstellung geht man in jedem Fall von Aminen oder Fettsäureamidoaminen aus, die mit einem Alkylierungsmittel, beispielsweise Methylchlo¬ rid, Benzylchlorid oder Dimethylsulfat umgesetzt werden.

Da die Alkylierung nicht quantitativ erfolgt, weisen die quaternierten Stickstoffverbindungen ohne Nachbehandlung ei¬ nen Restgehalt von 0,1 bis 3 Gew.-% des Alkylierungsmittels auf . Da es zur Erzielung toxikologisch unbedenklicher Pro¬ dukte erforderlich ist, den Gehalt an Methylchlorid, Benzyl¬ chlorid oder Dimethylsulfat in den Produkten auf ein mög¬ lichst niedriges Niveau herabzusenken, hat es in der Vergan¬ genheit nicht an Versuchen gemangelt, dieses Ziel durch eine geeignete Aufarbeitung sicherzustellen. Üblicherweise wird dabei der Gehalt an freiem Alkylierungsmittel durch mehr¬ stündige thermische Behandlung bis auf einen geringen Betrag herabgesetzt. Diese Vorgehensweise ist jedoch mit einem hohen Aufwand an Zeit und Energie verbunde .

In J.Falbe (ed.), "Surfactants in consumer products", Sprin¬ ger Verlag, Berlin, 1987, S.107-114 wird vorgeschlagen, den Restgehalt an freiem Alkylierungsmittel durch eine Nachbe¬ handlung mit Ammoniak zu vermindern.

Gemäß der Lehre der Japanischen Offenlegungsschrift JP-A 60/178 846 lassen sich aromatische quartäre Ammoniumverbin¬ dungen durch Umsetzung von aromatischen Aminen mit Benzyl¬ chlorid herstellen, wobei überschüssiges Alkylierungsmittel nach der Reaktion durch Zugabe von linearen Aminen abgefangen wird.

Zur Verminderung des freien Gehaltes an Alkylierungsmittel wird schließlich in den Deutschen Offenlegungsschriften DE-Al 39 39 264 und DE-Al 40 26 184 (Henkel) vorgeschlagen, die wäßrigen Tensidlösungen mit tertiären Aminen, Aminosäuren oder Oligopeptiden zu behandeln. Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Verfahren zur Bildung anderer, ebenfalls uner¬ wünschter Zwischenprodukte führen können und/oder nicht mit zufriedenstellender Geschwindigkeit ablaufen.

Die Aufgabe der Erfindung bestand somit darin, ein neues Verfahren zur Nachbehandlung von stickstoffhaltigen Tensiden zu entwickeln, das eine deutliche Verminderung des Gehaltes an freiem Alkylierungsmittel sicherstellt und frei von den geschilderten Nachteilen ist.

Beschreibung der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Verminderung des Restgehaltes an freiem Alkylierungsmittel in wäßrigen Lösungen stickstoffhaltiger Tenside bei dem man Lösungen kationischer, amphoterer und/oder zwitterionischer Tenside mit Alkanolaminen bei erhöhter Temperatur und gegebenenfalls erhöhtem Druck nachbehandelt.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß diese Art der Aufar¬ beitung gegenüber den bekannten Verfahren des Stands der Technik in deutlich kürzeren Zeiten zu niedrigeren Restge¬ halten an freiem Alkylierungsmittel in den Tensidlösungen führt. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Al- kanolamine in den wäßrigen Tensidlösungen sehr gut löslich

sind und bei erhöhter Temperatur rasch und vollständig mit den Spuren nichtumgesetzten Alkylierungsmittels abreagieren.

Esterguats

Unter der Bezeichnung Esterquats werden im allgemeinen qua- ternierte Fettsäuretriethanolaminestersalze verstanden. Es handelt sich dabei um bekannte Stoffe, die man nach den ein¬ schlägigen Methoden der präparativen organischen Chemie er¬ halten kann. In diesem Zusammenhang sei auf die Internatio¬ nale Patentanmeldung WO 91/01 295 (Henkel) verwiesen, nach der man Triethanolamin in Gegenwart von unterphosphoriger Säure mit Fettsäuren partiell verestert, Luft durchleitet und anschließend mit Dimethylsulfat oder Ethylenoxid quaterniert. Stellvertretend für den umfangreichen Stand der Technik sei an dieser Stelle auf die Druckschriften US 3,915,867, US 4,370,272, EP 0 239 910 A2, EP 0 293 955 A2, EP 0 295 739 A2 und EP 0 309 052 A2 verwiesen.

Die quaternierten Fettsäuretriethanolaminestersalze folgen der Formel (I)

R4 l ⁺

[ R ¹ CO- ( OCH ₂ CH2 )mOCH ₂ CH2-N-CΗ2CH2θ- ( CH2CH2θ ) _n R ² ] X~ ( I )

I CH ₂ CH2θ(CH2CH2O)pR ³

in der R^CO für einen Acylrest mit 6 bis 22 Kohlenstoffato- men, R^ und R ³ unabhängig voneinander für Wasserstoff oder

RiCO, R ⁴ für einen Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder eine (CH2CH2θ)gH-Gruppe, m, n und p in Summe für 0 oder Zahlen von 1 bis 12, q für Zahlen von 1 bis 12 und X für Ha- logenid, Alkylsulfat oder Alkylphosphat steht.

Typische Beispiele für Esterquats, die im Sinne der Erfindung Verwendung finden können, sind Produkte auf Basis von Capron- säure, Caprylsäure, Caprinsäure, Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Isostearinsäure, Stearinsäure, Ölsäure, Elai- dinsäure, Arachinsäure, Behensäure und Erucasäure sowie deren technische Mischungen, wie sie beispielweise bei der Druck¬ spaltung natürlicher Fette und Öle anfallen. Vorzugsweise werden technische Ci2/ιg-Kokosfettsäuren ^urκ insbesondere teilgehärtete C _] _5/ g-Talg- bzw. Palmfettsäuren sowie elaidin- säurereiche Ci5/ιg-Fettsäureschnitte eingesetzt.

Zur Herstellung der quaternierten Ester können die Fettsäuren und das Triethanolamin im molaren Verhältnis von 1,1 : 1 bis 3 : 1 eingesetzt werden. Im Hinblick auf die anwendungstech¬ nischen Eigenschaften der Esterquats hat sich ein Einsatz¬ verhältnis von 1,2 : 1 bis 2,2 : 1, vorzugsweise 1,5 : 1 bis 1,9 : 1 als besonders vorteilhaft erwiesen. Die bevorzugten Esterquats stellen technische Mischungen von Mono-, Di- und Triestern mit einem durchschnittlichen Veresterungsgrad von 1,5 bis 1,9 dar und leiten sich von technischer Ci5/ιg- alg- bzw. Palmfettsäure (Iodzahl 0 bis 40) ab.

Aus anwendungstechnischer Sicht haben sich quaternierte Fett- säuretriethanolaminestersalze der Formel (I) als besonders vorteilhaft erwiesen, in der Rico für einen Acylrest mit 16 bis 18 Kohlenstoffatomen, R ² für Rico, R ³ für Wasserstoff, R ⁴

für eine Methylgruppe, , n und p für 0 und X für Methylsul¬ fat steht.

Neben den quaternierten Fettsäuretriethanolaminestersalzen kommen als Esterquats ferner auch quaternierte Estersalze von Fettsäuren mit Diethanolalkylaminen der Formel (II) in Be¬ tracht,

R4 l ⁺ [R ¹ CO-(OC^2 ^c ^2)m ^OCH 2 ^CH 2- ^N - ^CH 2 ^CH 2 ⁰ -( ^CH 2 ^CH 2 ⁰ )n ^R2 ] ^x" ( ^{τ ι} )

I R5

in der R^CO für einen Acylrest mit 6 bis 22 Kohlenstoffato¬ men, R ² für Wasserstoff oder R!C0, R ⁴ und R^ unabhängig von¬ einander für Alkylreste mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, m und n in Summe für 0 oder Zahlen von 1 bis 12 und X für Haloge- nid, Alkylsulfat oder Alkylphosphat steht.

Als weitere Gruppe geeigneter Esterquats sind schließlich die quaternierten Estersalze von Fettsäuren mit 1,2-Dihydroxypro- pyldialkylaminen der Formel (III) zu nennen,

R ⁶ 0-(CH2CH ₂ 0) _m OCR ¹

1+ I [R -N-CH2CHCH2θ-(CH2CH2°)n ^R2 ] ^x" ( ^{τ τ ι} )

in der R!C0 für einen Acylrest mit 6 bis 22 Kohlenstoffato¬ men, R ² für Wasserstoff oder Rico, R ⁴ , R^ und R ⁷ unabhängig voneinander für Alkylreste mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, und n in Summe für 0 oder Zahlen von 1 bis 12 und X für Ha- logenid, Alkylsulfat oder Alkylphosphat steht.

Hinsichtlich der Auswahl der bevorzugten Fettsäuren und des optimalen Veresterungsgrades gelten die für (I) genannten Beispiele auch für die Esterquats der Formeln (II) und (III). Üblicherweise gelangen die Esterquats in Form 50 bis 90 Gew.- %iger alkoholischer Lösungen in den Handel, die bei Bedarf problemlos mit Wasser verdünnt werden können.

Quartäre Ammoniumverbindunqen

Die im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens als kationische Tenside in Frage kommenden quartären Ammoniumverbindungen (QAV) folgen der Formel (IV),

Rll

1+ [R ⁸ -N-R ⁹ ] X- (IV)

_R 10

in der R ⁸ und R^ unabhängig voneinander für gegebenenfall hy- droxysubstituierte Alkylreste mit 6 bis 22 Kohlenstoffatomen, R ¹ ^ für gegebenenfalls hydroxysubstituierte Alkylreste mit 1 bis 22 Kohlenstoffatomen, R ¹¹ für Alkylreste mit 1 bis 4 Koh-

lenstoffatomen und X für Halogenid, Alkylsulfat oder Alkyl- phosphat steht.

Typische Beispiele sind vor allem solche QAV, die über zwei lange und zwei kurze Alkylreste als Substituenten verfügen und ihrer Struktur nach als Rohstoffe für die Herstellung von Faser-, Textil- oder Haaravivagemittel geeignet sind. Ein typisches Beispiel für diese Gruppe von Verbindungen ist das Dimethyldistearylammoniumchlorid (DMDSAC) .

Amphotere bzw. zwitterionische Tenside

Im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen als amphote¬ re bzw. zwitterionische Tenside beispielsweise Alkylbetaine der Formel (V) in Frage,

Rl4

1+

R .1- 2^-N-(CH ₂ ) _y -COO- (V)

_R 13

in der R ¹² und R* ³ unabhängig voneinander für gegebenenfalls hydroxysubstituierte Alkylreste mit 6 bis 22 und insbesonde¬ re 12 bis 18 Kohlenstoffatomen, R ¹⁴ für Wasserstoff oder eine Methylgruppe und y für 1, 2 oder 3 steht.

Ebenfalls als amphotere bzw. zwitterionische Tenside geeignet sind Alkylamidobetaine der Formel (VI),

Rl7

I R ¹⁵ C0-NH- ( CH ₂ ) _x -N- (CH ₂ )y-C00- (VI )

I _R 16

in der R^-^CO für einen aliphatischen Acylrest mit 6 bis 22, vorzugsweise 12 bis 18 Kohlenstoffatomen, R ¹ ^ für einen gege¬ benenfalls hydroxysubstituierten Alkylrest mit 1 bis 22 Koh¬ lenstoffatomen, R!7 für Wasserstoff oder eine Methylgruppe und x und y unabhängig voneinander für 1, 2 oder 3 steht.

Alkanolamine

Die als Nachbehandlungsmittel in Betracht kommenden Alkanol¬ amine folgen der Formel (VII),

R ¹⁸ -NH-R ¹⁹ (VII)

in der R ¹⁸ für für hydroxysubstituierte Alkylreste mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen und Rl9 für Wasserstoff oder R ¹⁸ steht. Vorzugsweise handelt es sich dabei um Monoalkanolamine und insbesondere um Monoethanolamin. Üblicherweise wrden die Al¬ kanolamine den Tensidlösungen in Mengen von 0,1 bis 10, vor¬ zugsweise 1 bis 2 Gew.-% - bezogen auf den Feststoffgehalt - zugesetz .

Nachbehandlung

Die Nachbehandlung der Tensidlösungen erfolgt üblicherweise, indem man die Lösungen mit dem Nachbehandlungsmittel über ei¬ nen Zeitraum von 1 bis 4, vorzugsweise 1 bis 2 h, bei einem pH-Wert von 7,5 bis 9,5, der sich automatisch einstellt, und einer Temperatur von 60 bis 120, vorzugsweise 70 bis 90°C erwärmt. Allgemein gilt, daß die Senkung des Restgehaltes an Alkylierungsmittel um so rascher erfolgt, je höher die Tempe¬ ratur bei der Nachbehandlung ist. Die Nachbehandlung erfolgt in der Regel bei Normaldruck. Zur Beschleunigung der Reaktion ist es jedoch möglich, bei erhöhtem Druck, beispielsweise von 1 bis 2 bar, und einer Temperatur von bis zu 120°C im Druck¬ autoklaven zu arbeiten.

Durch die Nachbehandlung wird der Restgehalt an freiem Alky¬ lierungsmittel, insbesondere Methylchlorid und Dimethylsulfat innerhalb von 1 bis 2 h auf Werte unterhalb 5, vorzugsweise unter 1 ppm - bezogen auf den Feststoffgehalt der Tensidlö¬ sungen - herabgesetzt.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Die nach dem erfindungsgemmäßen Verfahren erhältlichen wä߬ rigen Lösungen kationischer, amphoterer und/oder zwitterioni¬ scher Tenside sind bis in den Nachweisbereich frei von Spuren freien Alkylierungsmittels und eignen sich daher zur Her¬ stellung von Mitteln zur Faser-, Textil- und Haaravivage.

Beispiele

I . Ausgangssto fe

Bei den eingesetzten Ausgangsstoffen handelt es sich ohne Ausnahme um Labormuster, in denen zum Nachweis der Wirksam¬ keit des erfindungsgemäßen Verfahrens durch künstliches Auf¬ stocken ein Gehalt an freiem Alkylierungsmittel von 1000 ppm eingestellt worden war.

A) Methylquaternierter Fettsäuretriethanolaminester in Form des Methylsulfatsalzes;

B) Dimethyldistearylammoniumchlorid;

C) Betain auf Basis Kokosfettsäuredimethylaminopropylamid

II. Durchführung der Versuche

In einem 1-1-Dreihalskolben mit Rührer, Rückflußkühler und Innenthermometer wurden jeweils 500 g der Tenside A, B und C in Form 10 Gew.-%iger wäßriger Lösungen vorgelegt und mit 0,5 g, entsprechend 1 Gew.-% - bezogen auf den Feststoffgehalt der Tensidlösungen - der Nachbehandlungsmittel versetzt. Die Reaktionsmischungen wurden bei pH = 8 bis 8,5 und einer Tem¬ peratur von T = 90°C über einen Zeitraum von t = 1 bis 2 h erhitzt und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. Der Restgehalt an freiem Alkylierungsmittel wurde gaschromatogra- phisch ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammen¬ gefaßt.

Tabelle 1 Nachbehandlung von wäßrigen Tensidlösungen

Bsp. Tensid Nachbehandlungs t Alkylierungsmittel ittel h

Typ vor. nach, ppm ppm

1 A Monoethanolamin 1 DMS 1000 3 2 A Monoethanolamin 2 DMS 1000 <1

3 B Monoethanolamin 1 MeCl 1000 2 4 B Monoethanolamin 2 MeCl 1000 <1 5 C Monoethanolamin 1 MCE 1000 15 6 C Monoethanolamin 2 MCE 1000 <1

VI A Ammoniak 1 DMS 1000 114 V2 A Methylamin 1 DMS 1000 79 V3 A Glycin 1 DMS 1000 8

Legende: t Nachbehandlungszeit

DMS Dimethylsulfat

MeCl Methylchlorid

MCE Monochloressigsäure (bzw. Na-Salz) vor. freies Alkylierungsmittel vorher nach. freies Alkylierungsmittel nachher