具有优异性能的造纸用改性聚乙烯醇

具有优异性能的造纸用改性聚乙烯醇

聚乙烯醇（PVOH）在造纸行业被广泛地用作造纸增强剂、稳定剂和胶粘剂。由于PVOH具有能降低孔隙度的良好成膜性，因而能改善纸张抗透气度和耐油性。该文研究了具有优异抗水性的改性PVOHs涂布的涂布纸性能。与传统PVOHs涂布的涂布纸相比，该涂布纸具有更好的抗透气度。该文还通过PVOH和纸张、PVOH水溶液的表面张力和PVOH结晶度之间的关系，分析了改性PVOH具有较高抗透气度的原因：拥有较低结晶度的PVOHs提供了较高的抗透气度；低结晶度减缓了PVOHs在烘干过程中的收缩并在纸上形成孔隙较少的薄膜。

1 序言

聚乙烯醇（PVOH）是一种典型的水溶性、结晶高分子，在造纸行业被用作增强剂、荧光白色颜料的分散剂和无机物（碳酸钙、高岭土、二氧化硅等）的黏合剂等；并且因PVOH具有优良的成膜性，纸张通过PVOH涂布能赋予其阻气性。过去人们认为，皂化度较低的材料对涂布纸的阻气性较优，但如果降低皂化度，会出现抗水性下降的问题。为了平衡PVOH的阻气性和抗水性，通过特殊疏水基改性PVOH，使其获得更广泛的应用，例如在剥离纸生产中被用作硅酮密封剂。最近，改性PVOH获得了FDA认证，被用作食品包装防油纸的防油剂的研究工作也在进行之中。

另一方面，目前在纸上涂布的PVOH的成膜性和阻气性的作用机理还不完全清楚，只获得了经验性的数据。本文将展示使用不同种类的PVOH时的物理性能，同时尝试通过一次构造和基础物理性能的评价结果推定阻气性的作用机理。

本次研究使用的PVOH包括：疏水基改性PVOH1（以下简称“改性PVOH1”），疏水基改性PVOH2（以下简称“改性 PVOH2”），传统 PVOH1（以下简称“PVOH1”），传统PVOH2（以下简称“PVOH2”），它们的皂化度、4%水溶液的黏度和疏水性单位的导入量如表1所示。

表1 PVOHs的产品规格

2 涂布纸的物理特性

表2显示PVOHs在双辊表面涂布机上涂布的纸张抗透气度和Cobb60吸水值的结果。

表2 PVOHs的抗透气度和吸水值

使用传统PVOHs，因降低了皂化度，可以提高抗透气度，但吸水量增加，抗水度下降。而疏水基改性PVOHs则不降低抗水性，同时能获得高的抗透气度，是一种具有能兼顾阻气性和抗水性特性的材料，这一特性是传统PVOHs所不具备的。

3 考察

关于抗透气度（阻气性）的产生机理，本研究认为，纸上涂布的PVOH水溶液在干燥过程中，不产生有缺陷的液膜而形成PVOH薄膜是提高抗透气度的关键。影响液膜稳定性的因素有：（1）纸和PVOH的亲和性；（2）液膜表面的稳定性；（3）伴随液膜的PVOH结晶化产生体积收缩。本研究针对以上因素进行了考察。

3.1 纸和PVOH的亲和性

关于纸和PVOH的亲和性，采用Ecoh（凝聚能密度）和 V（物质的摩尔容积），根据基团贡献法（group contribution method）推算出了SP值。SP值的顺序为纤维素＞PVOH1＞改性PVOH1∝PVOH2＞改性 PVOH2。本次产生的抗透气度无法解释纸和PVOH的亲和性。

3.2 液膜表面的稳定性

本研究认为，由于PVOH的界面活性能，液膜表面比普通水稳定。通过评价PVOH的界面活性，比较了液膜表面的稳定性。图1显示了用du Noud表面张力仪测定的各种PVOHs水溶液表面张力的评价结果。

图1 PVOHs溶液的表面张力

由图1可见，只有部分皂化的PVOHs显示了较低的表面张力，其他PVOHs的表面张力几乎不变，看不到与抗透气度有明显的相关性。

3.3 伴随液膜PVOHs结晶化产生的体积收缩

关于伴随PVOHs结晶化产生的体积收缩，通过用差示扫描量热仪（DSC）测定PVOHs的结晶性进行了比较。表3总结了评价结果。

表3 PVOHs的热分析结果

由表3可见，皂化度越低，或者改性量越多的PVOHs，结晶性越低，显示出了与抗透气度顺序的相关性。也就是说，结晶性越低的PVOHs，在干燥过程中，伴随PVOHs结晶的急速体积收缩得到了缓和，因此，在抑制缺陷液膜产生的状态下形成薄膜，提高了抗透气度。

4 结束语

通过在纸上涂布PVOH能赋予纸张阻气性、抗水性和抗油性等多种功能，但要赋予这些功能，关键是要形成PVOH薄膜。要形成无缺陷的薄膜，需要考虑纸和PVOH的亲和性、液膜表面的稳定性、伴随液膜的PVOH结晶化产生的体积收缩等影响因素，还受生产工艺及添加剂、纸的品种等因素的影响，因此不能将影响因素简单化。从本次试验结果来看，可以说伴随结晶化的液膜体积收缩是赋予纸张阻气性、抗水性和抗油性等功能的主要影响因素。因此本研究认为，疏水基改性PVOHs是一种具备通过抑制结晶化提高薄膜形成，能赋予阻气性，同时又因具有疏水结构而兼备抗水性特性的材料。

（杜伟民 编译）