NVF-SM-DMDAAC共聚物无皂乳液的纸张增强性能研究

杨广聪 陈少平★ 程亚婵 吴燕红 赵欣怡

（福建师范大学化学与化工学院，福建 福州 350007）

阳离子聚合物乳液由于乳胶表面带有正电荷，对带负电荷的表面具有较好的黏结力而得到广泛的应用。在造纸工业中，其主要用作增强剂[1]、表面施胶剂[2]、助留助滤剂[3]、浆内施胶剂和涂布黏合剂[4]。二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）是常用的阳离子单体，其均聚物及共聚物具有相对分子量大、电荷密度高、高效低毒、水溶性好等优点，但自身产生的排斥效应和空间位阻效应使其反应活性较低，与活性高的丙烯酰胺（AM）的共聚时，其分子量与阳离子度很难同时提高，而且黏度大、DMDAAC转化率低[5-7]。N-乙烯基甲酰胺(NVF)是丙烯酰胺的同分异构体，其聚合活性较AM低，将NVF与DMDAAC共聚，可提高DMDAAC的转化率[8]。由于DMDAAC和NVF均为水溶性单体，所形成的共聚物疏水性差，笔者通过引入疏水性单体苯乙烯（SM）与NVF和DMDAAC共聚，合成了NVF-SM-DMDAAC三元共聚物（PNSD）无皂乳液，目前尚未见其用于纸张增强研究的报道。本文通过考察不同乳胶粒径和不同表面阳离子量的PNSD乳液对桉木纸张的干、湿抗张强度和环压强度的影响，为开发环保高效纸张增强剂提供理论试验依据。

1 试验部分

1.1 原料与仪器

PNSD乳液，课题组提供，参数见表1；桉木纸浆（打浆度300SR），福建某纸厂提供。

肖氏打浆度仪，长春市纸张实验机厂；ZQJ-B型纸页抄造器，西北轻工业学院机械厂；WG-3型切纸刀，湖南伟科仪器仪表公司；FQHYD127环压专用取样器，四川长江造纸仪器有限责任公司； WZL-300纸张拉力仪和DYSY-1压缩试验仪，杭州轻通仪器开发公司。

表1 PNSD乳液的参数

1.2 纸张的抄造

称取纸张定量为60g/m2所需的纸浆，加入100 mL水，在改进的食品搅拌机内进行疏解至打浆度为30oSR，在机械搅拌下加入PNSD乳液，在纸张抄造器上制作纸样。抄造过程中，pH始终维持在7.8～8.0。

1.3 纸页机械性能的测试

参考GB/T 2679.8—1995、GB/T 12914—1991和GB/T 465.2—2008，将纸页恒温恒湿4 h以上，分别在WZL-300纸张拉力仪和DYSY-1压缩试验仪上测定纸张干、湿抗张强度指数和环压指数。

2 结果与讨论

2.1 PNSD乳液对纸张环压强度的影响

图1考察了表面阳离子量接近、乳胶粒径不同的PNSD对纸张环压指数的影响。从图1中可以看出，乳胶粒径越小，对提高纸张的环压强度越明显。如粒径为110nm的PNSD-C1，在添加量为0.1%和0.25%时，纸张的环压指数可以从5.21N·m/g增加到6.21N·m/g和6.55N·m/g，增大了19%和26%；而粒径为736 nm的PNSD-C5仅使纸张的环压指数增大了9%（添加量0.1%）和14%（添加量0.25%）。这是因为粒径小的PNSD-C1更容易进入纸张纤维间的缝隙，尤其是细小的纤维之间，乳胶粒子中苯环的刚性结构可以更好地发挥对纤维的支撑作用，所以它的环压增强效果较好。

图1 乳胶粒径对纸张环压指数的影响

从图2可看出，当乳胶粒径接近，纸张环压指数与乳胶粒表面阳离子量成正相关。如PNSD-P1的阳离子量为0.81mmol/g，当添加量为0.1%和0.25%时，纸张的环压指数从5.21N·m/g分别增加到6.00N·m/g和6.47N·m/g，增大了15%和24%；而阳离子量为1.32mmol/g的PNSD-P4，则可使环压指数增大29%（添加量0.1%）和33%（添加量0.25%）。这可解释为PNSD所带的阳离子越多与纤维表面的静电结合越强，使苯环能更好地在纤维与纤维之间起到支撑和坚固的作用，表现出更好的增强环压的效果。

图2 乳胶阳离子量对纸张环压指数的影响

2.2 PNSD乳液对纸张干抗张强度的影响

图3 考察了表面阳离子量接近，乳胶粒径不同的PNSD对纸张干抗张指数的影响。从图3中可看出，乳胶粒径对纸张的干抗张强度的增强效果也是粒径越小越明显。如PNSD-C1的粒径为110 nm，0.1%和0.25%添加时，纸张的干抗张指数从18.78N·m/g分别增加到21.75N·m/g和22.14N·m/g，增大了16%和18%；而粒径最大的PNSD-C5仅使纸张的干抗张指数增大了7%（添加量0.1%）和10%（添加量0.25%）。这可解释为乳胶粒径小可以均匀地分散到纸张纤维的缝隙之间，通过聚合物分子中的氨基或阳离子基团与纤维中的官能团形成氢键或静电结合，从而使得纸张干抗张强度增大。

如图4所示，当乳胶粒径接近，表面阳离子量不同的PNSD对按木浆添加后纸张的干抗张指数随着添加量的增大而增大；表面阳离子量越大，纸张干抗张指数增大幅度越明显。如PNSD-P1的表面阳离子量为0.81mmol/g，当添加量为0.1%和0.25%时，纸张的干抗张指数从18.78N·m/g增加到20.20N·m/g和21.90N·m/g，分别增大了7%和17%；而表面阳离子量为1.32 mmol/g的PNSD-P4使纸张的干抗张指数增大了12%（添加量0.1%）和23%（添加0.25%）。这可解释为阳离子乳胶粒能在带负电的纤维表面通过静电结合定着，表面阳离子量越大粒子表面阳离子基团就越多，与纤维中官能团的静电结合作用就越强；增大样品添加量可以吸附更多的纤维，且静电结合增多，从而有利于提高纸张的干抗张强度。

图3 乳胶粒径对纸张干抗张指数的影响

图4 乳胶阳离子量对干抗张指数的影响

2.3 PNSD乳液对纸张湿抗强度的影响

从图5可看出，当添加量为0.1%时，添加PNSD-C1、PNSD-C2、PNSD-C3、PNSD-C4和PNSD-C5使纸张的湿抗张指数从1.40N·m/g增加到1.86N·m/g、1.77N·m/g、1.73N·m/g、1.65N·m/g和1.50N·m/g，分别增大33%、26%、24%、18%和7%；对于粒径为110nm样品PNSD-C1，在添加量为0.25%时可以使湿抗张指数增大54%，说明当乳胶的表面阳离子量接近的场合，粒径较小的PNSD对纸张的湿抗张增强效果较好。

图5 纸张湿抗张指数与乳胶粒径的关系

图6 指出，当乳胶粒径接近，表面阳离子量不同的PNSD在同样的添加量下，纸张的湿抗张指数随乳胶的阳离子量的增大而增大。在添加量为0.1%时和0.25%时，乳胶阳离子量最大的PNSD-P4的添加，可使纸张的湿抗张指数从1.40N·m/g-1增加到1.87N·m/g-1和2.09N·m/g-1，增大了34%和49%，可见增大添加量可以提高纸张湿抗张强度，且表面阳离子量大的PNSD对纸张的湿抗张增强效果更好。

图6 纸张湿抗张指数与表面阳离子量的关系

3 结束语

（1）PNSD乳液的乳胶粒径和表面阳离子量对纸张增强效果有较大的影响。

（2）在表面阳离子量接近情况下，乳胶粒径小的PNSD对桉木纸张增强效果优于粒径大的PNSD乳液。

（3）在乳胶粒径接近情况下，表面阳离子量大的PNSD对桉木纸张增强效果大于阳离子量小的PNSD乳液。

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