三聚氰胺甲醛树脂对醋酸酯淀粉的增强性能研究

王　建， 陈　伟， 屈迹霜， 王　敏

(陕西科技大学 轻工科学与工程学院， 陕西 西安　710021)



三聚氰胺甲醛树脂对醋酸酯淀粉的增强性能研究

王建， 陈伟， 屈迹霜， 王敏

(陕西科技大学 轻工科学与工程学院， 陕西 西安710021)

摘要：为实现高电导率下的纸张增强，利用三聚氰胺甲醛树脂改性醋酸酯淀粉，制备出了改性的淀粉增强剂，并对改性工艺及增强性能进行了研究.结果表明，利用三聚氰胺甲醛树脂对醋酸酯淀粉进行改性，可以有效地提高醋酸酯淀粉对纸张的增强性能；当湿部体系电导率较低时，改性醋酸酯淀粉对纸张的增强性能略低于阳离子淀粉，而高电导率条件下改性醋酸酯淀粉的增强性能则优于阳离子淀粉.

关键词：三聚氰胺甲醛树脂； 醋酸酯淀粉； 电导率； 纸张强度

0引言

阳离子淀粉是造纸行业中最常用的改性淀粉，有助于提高细小纤维和填料的留着，加速纸料的滤水及提高纸页强度[1-3].然而，随着白水循环次数的提高，白水中的溶解物和胶体浓度越来越大，阴离子垃圾也逐步积累，电导率也越来越高.现有研究已经证明，若浆料电导率越大，淀粉的留着率则越低[4,5].因此，如何提高高电导率下淀粉的应用效果，已经成为造纸湿部化学的一个热点研究问题[6-8].

本文利用三聚氰胺甲醛树脂(Melamine Formaldehyde Resin，MF Resin)对醋酸酯淀粉进行了改性，从而使非离子型的醋酸酯淀粉变性为一种复合阳离子淀粉，并对其在高的湿部电导率下对纸张的增强性能进行了初步探讨，以期为造纸行业高电导率下的纸张增强提供参考[9].

1实验部分

1.1主要原料

醋酸酯淀粉(取代度0.2，2%糊液黏度7.3 mPa·S，市售)；MF树脂(质量分数4%，自制)；阳离子淀粉(取代度0.034，2%糊液黏度264.7 mPa·S，取自造纸厂)；自来水(电导率317μs/cm)；氯化钠(分析纯).

1.2仪器与设备

纸样抄取器，型号ZQJ1-B，陕西科技大学机械厂；抗张强度测定仪,型号SE-062,L&W公司；标准纤维疏解机，型号ZQS4，L&W公司.

1.3实验方法

1.3.1手抄片的制备

将针叶木与阔叶木按照1∶4的配比混合打浆至45 °SR备用.取一定量的上述浆料，稀释至3%，加入1%(相对于绝干浆质量)的淀粉，制备手抄片(抄片定量60 g/m2).手抄片在0.5 MPa下压榨3 min，95 ℃干燥10 min，平衡水分后待测.

1.3.2改性醋酸酯淀粉的制备

配制质量浓度为20%的醋酸酯淀粉，于95 ℃糊化30 min，降温至一定温度后，加入一定量MF树脂改性(绝干树脂相对于绝干淀粉用量，下同)，保温一定时间后，即可得到改性的醋酸酯淀粉.

2结果与讨论

2.1改性方式研究

加入MF树脂改性时，醋酸酯淀粉颗粒的状态对其与MF树脂的胶粒具有显著影响.本文研究了醋酸酯淀粉糊化前后的改性方式对其增强性能的影响，其结果如图1所示.由图1可知，醋酸酯淀粉的改性方式对其增强性能具有明显的影响.醋酸酯淀粉糊化后加入MF树脂改性所制备淀粉具有明显的较高的增强性能.

三聚氰胺甲醛树脂是一种阳离子密度高的合成树脂，当其直接加入糊化前的醋酸酯淀粉悬浮液时，较容易吸附在淀粉颗粒表面.而交联反应又常常发生在醋酸酯淀粉表面，故使得交联并不能均匀发生；在醋酸酯淀粉糊化后，其分子链充分伸展，加入MF树脂后，可以与淀粉分子进行均匀接触，从而达到了均匀的交联，提高了增强效果.因此，糊化后利用MF树脂对醋酸酯淀粉进行改性较为有利[10,11].

图1　改性方式对改性淀粉增强性能的影响

2.2醋酸酯淀粉改性工艺研究

2.2.1反应温度的影响

在MF树脂用量2%、反应时间30 min的条件下，探讨了反应温度对醋酸酯淀粉增强性能的影响，其结果如图2所示.由图2可知，随着反应温度的升高，改性淀粉的增强性能亦增强，在改性温度达到40 ℃左右时实现了最高的增强性能，若再进一步增加改性温度，其增强性能反而下降.

当改性温度过低时，MF树脂并未能实现对醋酸酯淀粉的改性，其在淀粉分子上仅是一种吸附，所以不能有效地提高淀粉的增强性能；MF树脂是一种反应活性高的有机物，其在高温下容易发生自交联.因此，当改性温度过高后，可能发生MF树脂的自交联，交联改性未能发生在MF树脂与醋酸酯淀粉间，从而降低了淀粉的改性效果.

图2　温度对改性醋酸酯淀粉增强性能的影响

2.2.2反应时间的影响

在MF树脂用量2%、温度40 ℃的条件下，考察了反应时间对醋酸酯淀粉增强性能的影响，其结果如图3所示.由图3可知，随着反应时间的延长，纸张的抗张指数呈缓慢增加的趋势，在反应时间30 min时达到最高增强性能，若再继续延长反应时间，其增强性能有所降低.

随着反应时间的延长，MF树脂对醋酸酯淀粉的改性交联逐渐增大，在30 min左右达到最高的交联改性，从而提高了改性淀粉的增强性能；但随着反应时间的进一步延长，可能是MF树脂与醋酸酯淀粉的交联程度进一步增加，降低了改性淀粉中活性羟甲基的含量，从而使得增强性能有所降低.

图3　时间对改性醋酸酯淀粉增强性能的影响

2.2.3MF树脂用量的影响

在反应温度40 ℃、时间30 min的条件下，考察了MF树脂用量对醋酸酯淀粉增强性能的影响，其结果如图4所示.由图4可知，随着MF树脂用量的增加，改性淀粉的增强性能提高，但当MF树脂用量超过4%时，改性淀粉增强的增加幅度变化较缓.这是因为MF树脂含有游离甲醛，当用量过高时会给改性淀粉引入更多的游离甲醛.因此，MF树脂用量为4%较为有利.

图4　MF树脂用量对改性醋酸酯淀粉增强性能的影响

综上所述，MF树脂改性醋酸酯淀粉的较优改性工艺为:醋酸酯淀粉糊化后与MF树脂进行改性，反应温度40 ℃、时间30 min、MF树脂用量4%.其最终制得的改性产物为乳白色液体，固含量17%，稳定性室温≧3个月.

2.3改性醋酸酯淀粉和阳离子淀粉增强性能的对比研究

2.3.1低电导率下的增强性能研究

在MF树脂改性醋酸酯淀粉与阳离子淀粉用量均为1%情况下，其对纸张的增强性能如图5所示.由图5可知，经MF树脂改性的醋酸酯淀粉的增强性能有了明显提高，然而与阳离子淀粉相比，其增强性能略有所下降.

淀粉糊液具有明显的回生性能，改性产物作为一种淀粉的糊化液，为保障其稳定性及提高固含量，需要使用低粘度醋酸酯淀粉来制备改性淀粉；而作为对比的阳离子淀粉黏度高、分子量大，这是导致改性淀粉在低电导率下，其增强性能低于阳离子淀粉的主要原因[12,13].

图5　低电导率下改性醋酸酯淀粉与阳离子淀粉的增强性能对比

2.3.2高电导率下的增强性能研究

利用氯化钠改变配浆及抄纸成型器用水的电导率.在不同电导率下，改性醋酸酯淀粉与阳离子淀粉的增强性能比较如图6所示.由图6可知，随着抄纸体系电导率的增加，两种淀粉的增强效果均有所下降，但醋酸酯淀粉增强性能降低幅度较小，而阳离子淀粉增强效果呈现显著下降.

现有文献显示[2,8]，当抄纸电导率大于2 000μs/cm后，阳离子淀粉留着受限，将降低对纸张的增强作用；当抄纸体系电导率大于5 000μs/cm后，阳离子淀粉基本难以留着在纸张纤维上，从而丧失了对纸张的增强性能.这是因为电解质的存在将对阳离子淀粉分子结构的扩散双电层进行挤压，从而使其分子链难以展开；醋酸酯淀粉是一种非离子淀粉，电解质对其分子链扩展的影响较小，改性后的醋酸酯淀粉虽然具有一定的阳电荷，但由于改性MF树脂用量较小，改性后产物的主体仍体现为非离子性的醋酸酯淀粉.同时，改性醋酸酯淀粉的留着将使MF树脂中含有部分活性羟甲基被保留在纸页当中，从而使得改性醋酸酯淀粉在高电导率下的增强性能优于阳离子淀粉[14-16].

图6　高电导率下改性醋酸酯淀粉与阳离子淀粉的增强性能对比

3结论

(1)利用MF树脂对醋酸酯淀粉进行改性，可以有效地提高醋酸酯淀粉对纸张的增强性能.

(2)较优改性工艺为:醋酸酯淀粉糊化后与MF树脂进行改性，反应温度40 ℃、时间30 min、MF树脂用量4%.

(3)当湿部体系电导率较低时，改性醋酸酯淀粉对纸张的增强性能略低于阳离子淀粉；在高电导率时，改性醋酸酯淀粉的增强性能则优于阳离子淀粉.

参考文献

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【责任编辑：晏如松】

Study on the strengthening performance of modified starch acetate with melamine formaldehyde resin

WANG Jian， CHEN Wei， QU Ji-shuang， WANG Min

(College of Light Industry Science and Engineering， Shaanxi University of Science & Technology， Xi′an 710021, China)

Abstract:In order to improve the strength of paper under the condition of high electrical conductivity,the modified starch acetate with melamine formaldehyde resin was prepared.The effect of modifying methods, temperature,time and dosage of melamine formaldehyde resin were studied.The application property of modified starch acetate was researched too.The result was shown that the application property of starch acetate can be effectively improved by the melamine formaldehyde resin.When the electrical conductivity of wet end system was lower,the strength properties of paper enhanced by modified starch acetate were slightly inferior to that of cationic starch.But the strength properties of paper enhanced by modified starch acetate were superior to that of cationic starch when the wet end system was higher.

Key words:MF resin; starch acetate; electrical conductivity; paper strength

中图分类号：TS727+.3

文献标志码：A

文章编号：1000-5811(2016)03-0012-04

作者简介:王建(1975-)，男，四川彭山人，教授，博士，研究方向：制浆造纸新技术及造纸化学品

基金项目：陕西省教育厅重点实验室科研计划项目(15JS015)； 国家级大学生创新创业训练计划项目(201510708146)

收稿日期:2016-01-24