纸张聚氨酯涂布处理及其性能的研究

尚　尉，谢金宏段鹏飞

（1.东北电力大学 化学工程学院，吉林 吉林　132012；2.东北林业大学 生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨　150040）

纸张聚氨酯涂布处理及其性能的研究

尚尉1，2，谢金宏1段鹏飞1

（1.东北电力大学 化学工程学院，吉林 吉林132012；2.东北林业大学 生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨150040）

该文研究了甲苯-2，4-二异氰酸酯和聚乙二醇800合成聚氨酯预聚体乳液（LTPEG 800）对纸张聚氨酯化，及其对纸张物理性能的影响。用聚氨酯预聚体乳液进行纸张涂布，涂布量分别为2、4、 6、8和10 g/m2时，研究纸张各项物理性能的变化。结果表明：当涂布量为8 g/m2时，耐折度、撕裂度、抗张强度等物理性能有明显改善，涂布后滤纸的湿抗张指数、干抗张指数分别提高18.10倍和1.67倍，耐折度提高了39.66倍。扫描电镜观察显示，由于纸张的聚氨酯化处理，纸页的纤维间连接了许多丝状物质，这些物质在纤维之间尤其是纤维与纤维交叉的地方形成架桥结构，聚氨酯乳液已将纤维间的氢键连接转为化学键连接，从而使纸张的性能有较大改善和提高。

聚氨酯乳液；涂布；物理性能

聚氨酯是由异氰酸酯类物质和多元醇通过加成聚合反应制成的、一种具有重复结构单元（氨基甲酸酯链段—NHCOO—）的聚合物［1-3］，是20世纪40年代开发的、一种通过新的合成工艺合成的一种聚合物，曾经被称为是最好的树脂。由于聚氨酯有着许多非常优异的性能，如高耐摩擦性能、高柔韧性、良好的耐化学性能、高强附着力、可在室温下固化等，使得聚氨酯在许多领域获得非常广泛的应用，其制品种类也是非常多的［4-6］；但是，溶剂型聚氨酯有一个缺点，那就是对我们的日常生活环境会有很大的污染。这就从侧面促进了新型聚氨酯的研发，以替代溶剂型聚氨酯的新型产品。水性聚氨酯是以水来代替有机溶剂，作为分散介质，也可称为水基的聚氨酯。水性聚氨酯不仅具有溶剂型的聚氨酯的优点，而且还具有许多其他优点；因此，关于水性聚氨酯的研究，已经成为聚氨酯研究领域的一个重要方向。聚氨酯的发展，按发展阶段来划分，大致可分为2个阶段。第1阶段主要是以溶剂型的聚氨酯为主；第2阶段则为水性聚氨酯的迅速发展阶段［7-8］。国外的一些产品和技术不断地被引入我国，聚氨酯产品也相继引入到我国市场。由于聚氨酯产品在使用过程中所表现出来的优越性能，所以被国内的一些科研人员所关注，从此聚氨酯的研究工作在我国逐渐开展起来。随着市场的不断扩大，国内市场对聚氨酯产品的需求量、种类都有了更多的要求和期望。那么如何才能满足人们对聚氨酯产品的更高的要求，就成为了相关科研人员要探讨和研究解决的问题［9-11］。只有开发出能够满足人们生活需要的、提升人们生活品质的聚氨酯材料，这种产品才会有更广阔的前景，才能创造更多的社会价值和经济价值。

为此，本文通过研究对纸张进行聚氨酯化处理，以期达到改善和提高纸张物理性能的目的。

1　实验

1.1原料及仪器

咪唑，白色片状结晶；聚乙二醇，相对分子质量800，无色透明液体；甲苯-2，4-二异氰酸酯（TDI），质量分数大于99.6%，凝固点为9.6～13.6℃。

红外光谱仪，IRPretige-21型；油浴锅、四口烧瓶等。

1.2咪唑封闭型聚氨酯预聚体乳液的制备

在装有温度计、搅拌器、回流冷凝管的反应器中，根据TDI的性质加入一定比例的TDI与聚乙二醇（PEG），然后加入溶剂稀释，并控制反应温度在75～80℃，同时使用二正丁胺法定时测体系中的—NCO含量，当—NCO含量达到计算值时，加入咪唑溶液，在温度50℃下进行—NCO基团的封闭反应，并检测—NCO含量，直至—NCO含量为零时，封闭反应结束，冷却得咪唑封闭型聚氨酯预聚体；再通过乳化剂和高速搅拌，将预聚体进行乳化，最后得到乳液备用。

1.3纸张的聚氨酯涂布

首先将普通定性滤纸放入真空干燥箱中以五氧化二磷作为脱水剂脱水24 h。在通风橱内，将一定量的聚氨酯预聚体乳液涂饰在滤纸的表面上，聚氨酯预聚体乳液的涂布量分别为2、4、6、8和10 g/m2。在室温下放置60 min后，自然风干。再将经涂饰后已经自然风干的滤纸，放在烘箱中加热固化20 mim。烘箱温度为130℃（注：纸张经过聚氨酯处理加热固化干燥的过程，即为纸张的聚氨酯化过程）。

1.4纸张的物理性能检测

按照相关国家标准对纸张的抗张强度、湿强度、撕裂度和耐折度等物理强度进行检测。

1.5电子显微镜观察

将纸样进行喷金处理后，再将样品在扫描电子显微镜下观察纸张表面的微观结构。

2　结果与讨论

2.1聚氨酯化纸张的物理特性的分析

为了研究聚氨酯预聚体乳液（LTPEG 800）对纸张聚氨酯化，及其对纸张物理强度的影响，本研究以滤纸为基体进行聚氨酯的涂布处理。浆滤纸进行聚氨酯处理，结果如图1和图2所示。

图1　不同涂布量对抗张指数的影响

图2　不同涂布量对撕裂度、耐折度的影响

由图1和图2可见：经LTPEG 800聚氨酯涂布后，聚氨酯化滤纸的干、湿抗张指数与未聚氨酯化滤纸都有大幅度的提高，并随着聚氨酯涂布量的提高而提高；在涂布量小于8 g/m2时湿抗张指数明显高于干抗张指数，当涂布量为8 g/m2时，滤纸的湿抗张指数和干抗张指数趋于一致，达到滤纸的18.10倍；撕裂度随着涂布量的加大也有一定的变化，滤纸的撕裂度提高了12%；耐折度则是初期上升较慢，涂布量在 6～8 g/m2时有个飞跃增长，耐折度提高了39.66倍；可见聚氨酯化处理可以大幅度提高纸张的强度，尤其是湿强度的提高效果十分明显；从抗张指数方面看，当聚氨酯涂布量为8 g/m2时，聚氨酯化滤纸的湿强度/干强度的值为51.14%，远远超出一般湿强纸的要求。因此，这类特种加工纸可望在对湿强度要求较高的工业用纸上应用。

2.2纸张表面的电子显微镜观察

对滤纸原纸和聚氨酯处理后的滤纸进行电镜观测，考察聚氨酯在纸页中的作用，拍摄的纤维间的交织情况如图3和图4所示。

图3　滤纸原纸表面微观结构SEM照片

图4　涂布滤纸表面微观结构SEM照片

从图3和图4可以看到，图3中滤纸原纸的纤维只是自然地交叉在一起，纤维之间只是机械地交织缠绕；而在图4中，可以看到滤纸经聚氨酯涂布处理之后，纸页的纤维间连接了许多丝状物质，这些物质在纤维之间尤其是纤维与纤维交叉的地方形成架桥结构，增强了纤维与纤维之间连接。

3　结论

（1）用咪唑、甲苯-2，4-二异氰酸酯和聚乙二醇800合成的水性聚氨酯预聚体乳液用于纸张表面处理，对滤纸聚氨酯处理，可以大幅度提高纸张的物理性能。滤纸原纸的涂布量为8 g/m2时，滤纸的耐折度、抗张强度等物理性能有明显改善，处理后滤纸的湿抗张指数、干抗张指数分别提高到滤纸原纸的18.10倍和1.67倍，耐折度提高39.66倍。

（2）从FT-IR分析和扫描电镜观察，可以看出滤纸经聚氨酯预聚体乳液进行表面处理之后，纸页的纤维间连接了许多丝状物质，这些物质在纤维之间尤其是纤维与纤维交叉的地方形成架桥结构，表明由于聚氨酯乳液的加入，已将纤维间的氢键连接转为化学键连接，从而使纤维之间产生牢固的连接。

［1］唐进伟，华成明，张琴，等.MDI型水性固化剂将开创双组分水性聚氨酯涂料发展新局面［J］.中国涂料，2010，25（6）：15-17.

［2］颜俊，涂伟萍，杨卓如，等.水性聚氨酯研究进展［J］.化工进展，2001，20（7）：22-24.

［3］吴海平，马建明，任志勇，等.中国水性聚氨酯市场现状与展望［J］.化学推进剂与高分子材料，2005，3（5）：1-4.

［4］王炯，李国平.水性聚氨酯的改性研究进展［J］.高分子材料科学与工程，2009，25（12）：166-168.

［5］林松竹，李婷婷，贾若琨，等.异氰酸酯为交联剂制备交联聚天冬氨酸树脂［J］.东北电力大学学报，2013，33（4）：28-31.

［6］赵辉，左平.复合纳米材料对水中低浓度Mn2+的去除［J］.东北电力大学学报，2012，32（1）：75-78.

［7］闫福安.水性聚酯树脂的合成研究［J］.涂料工业，2003，33（3）：9-12.

［8］Riddick W.Studies on the esterification of trimellitic anhydride implication for coating polymer［J］.Journal of Coatings Technology，1983，55（702）：57-58.

［9］Jaeobs P B，YU P C.Two-component waterborne polyurethane coatings.journal of coatings technology［J］.1993，65（882）：45-50.

［10］蔡再生，孙铠.水溶性反应型聚氨酯的试制研究［J］.中国纺织大学学报，1996，22（1）：38-40.

［11］张晓君，冉光钧，刘爽.稀硫酸和高温热水预提取桉木半纤维素［J］.东北电力大学学报，2013，33（4）：71-74.

Study on Paper Polyurethane and Properties in Coating on Paper Making

SHANG Wei1，2，XIE Jin-hong1，DUAN Peng-fei1
（1.College of Chemistry Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China；2.Key Lab of Biobased Material Science&Technology（Northeast Forestry University）Ministry of Education，Harbin 150040，China）

The applications of imidazole-TDI-PEG（called LTP800）in coating on paper making were investigated.The solution of the LTP 800 was used in coating on paper making in the same condition.The coating weight of the filter paper were 2，4，6，8 and 10 g/m2.The physical properties of the coated paper were tested.It was found that the treatment could enhance the paper’s physical strength.When the coating weight of the filter paper was 8 g/m2，the physical properties of the filter paper were enhanced strongly，especially the wet strength and folding resistance.The wet strength index and dry strength index of the treated paper reaches 18.10 times，1.67 times of the original base paper，39.66 times of the base paper.

polyurethane；coating；physical properties

TS727+.3

A

1007-2225（2015）06-0011-03

尚尉先生（1984-），博士研究生；研究方向：主要从事植物纤维资源化学研究；E-mail：sw-d@163.com。

2015-10-28（修回）

本文文献格式：尚尉，谢金宏，段鹏飞．纸张聚氨酯涂布处理及其性能的研究［J］．造纸化学品，2015，27（6）∶11-13．