湿强剂改性及其应用

2018-08-04植志强陈栩鑫覃玉英何淑娴孔素兰颜进华

造纸化学品 2018年4期

关键词：纸样纸浆改性

植志强，陈栩鑫，覃玉英，何淑娴，孔素兰，颜进华

（广东轻工职业技术学院，广东广州 510300）

聚酰胺环氧氯丙烷（PAE）是自带阳离子的具有反应性含氮杂环结构的湿强剂，因能与纤维形成共价键，自身分子间也交织成键，具有纸品湿强剂增强的2层效果：保护机理和增强机理，且能自留着，在较宽pH范围内作用，成为应用最广泛的湿强剂。

干强剂是纸品纤维增强的另一类添加剂，增强的机理是，与纤维间的成键数量多，因而干强剂相对分子质量大，分子结构上与纤维的成键基团丰富。阳离子淀粉（CS）和聚丙烯酰胺（PAM）是最常用的干强剂。

一般地，干强剂开发与应用以PAM为基础，通过与低成本的组分（如淀粉）共聚、接枝、交联等方法，降低成本，提高留着；而以PAE为中心的改性，并应用于干强剂的研究还较少。

本文从湿强剂PAE出发，利用其自留着性，将含丰富羟基的成分，比如淀粉和聚乙烯醇，通过适当改性方式，连接到PAE分子上，增加与纤维的成键数量，以实现干强剂的增强效果。

1 实验

材料：PAE（来自生产厂家），PAM干强剂（来自生产厂家），聚乙烯醇（PVA）（PVA 1799 和 PVA 1788），CS，取代度0.03，某公司提供。

方法：采用CS改性PAE（以下记为增强剂1号系列）和PVA改性PAE（以下记为增强剂2号系列），配成质量分数为15%固含量的改性产品，抄纸时，温度105℃下真空干燥。完全干燥的纸样品标记后，即装入塑料袋中备用。

检测：采用相关国家标准测试耐破度。

2 结果与分析

2.1 增强剂1号的增强效果

增强剂1号系列是CS与PAE配用的增强改性产品，CS与PAE的配用比例不同，其增强效果不一样，固定CS用量为5%质量分数（以纸浆质量计，下同），改变混合物中PAE的用量，所得增强剂应用于抄纸，抄纸时固定添加用量1%质量分数（以纸浆质量计，用量忽略固形物浓度，下同），图1显示了增强剂1号中PAE用量对其增强效果的影响。

图1 增强剂1号中PAE用量对其增强效果的影响

从图1可看出，PAE用量为15%质量分数时（以纸浆质量计，下同），增强剂1号的增强效果最好。

图2显示了增强剂1号的混合制备温度对其增强效果的影响。试验条件：CS用量为5%，PAE用量为10%。

图2 增强剂1号的混合制备温度对其增强效果的影响

从图2可看出，增强剂1号的混合制备温度相对低时其增强效果好。以下试验的混合制备温度均取55℃。

图3显示了增强剂1号的CS与PAE混合质量比对其增强效果的影响。

从图3看出，CS与PAE混合时，由于二者均带正电，相互之间存在排斥，混合时反应交联的程度较低，影响对纤维的增强，二者混合比例越接近一致，增强效果越差。当PAE继续增多，CS的电性不足够抵抗PAE，与之交联的机会增多，纸样强度得到提高；而不加淀粉的纯湿强剂抄纸强度不高，说明淀粉与纤维的结合力较湿强剂高。可以推测，这里采用原淀粉，也可以实现协同增强的效果。

图3 增强剂1号的CS与PAE混合质量比对其增强效果的影响

虽然混合液增强剂中PAE占比越多，抄纸后增强效果越明显，但增加幅度均不大。CS是相对便宜的材料，综合起来，选用更多的CS较合算，这里m（CS）∶m（PAE）为1∶3较好。选用该比例时增强剂1号的不同用量对抄纸增强效果的影响如图4所示。

图4 CS与PAE混合质量比为1∶3时增强剂1号的不同用量对其增强效果的影响

从图4看出，CS与PAE混合的增强效果很突出，混合后的增强剂1号用量越多，增强效果越好，当用量为1.5%时，比不加的空白纸样增加了24%。

2.2 增强剂2号的增强效果

增强剂2号系列是PVA与PAE配用的增强改性产品，PVA与PAE的配用比例不同，其增强效果不一样，固定PVA（PVA为1788）用量为3%质量分数（以纸浆质量计，下同），改变混合物中PAE的用量，温度为60℃，混合时间为1 h，所得增强剂应用于抄纸，抄纸时固定添加用量1%质量分数（以纸浆质量计，用量忽略固形物浓度，下同），图5显示了PAE用量对增强剂2号增强效果的影响。

图5 增强剂2号中PAE用量对其增强效果的影响

从图5可看出，PAE用量越多，增强效果越好，而纯的PAE增强效果并不理想，考虑到PVA比PAE便宜些，这里选15%，即PVA和PAE的质量比为1∶5更合适。

选用该比例，添加不同用量增强剂2号进行抄纸，测试其对增强效果的影响；另外，为了比较PVA 1788和PVA 1799这2种PVA的效果，相同方法配制了PVA 1799与PAE的混合物，并测试2种混合液对纸样增强效果的影响。上述2项检测结果均见图6。

图6 增强剂2号的不同用量对其增强效果的影响

从图6看出：PVA和PAE混合而成的增强剂2号增强效果比干强剂好；PVA 1799和PAE混合而成的增强剂2号增强效果比PVA 1788更好。

2.3 CS和PVA分别与PAE组成的混合液的增强效果对比

由上看出，PAE与亲水性大分子如CS和PVA均可以混合使用，均能提高纸品的干强度。CS是原淀粉羟基化学改性的产物，CS的阳离子电荷，使羟基间弱键变为电性吸引，增加了与纤维间的吸附力。资料研究表明，CS的留着率达90%，而阴离子留着率不到40%[1]。但CS分子结构仍是淀粉，即具有支链和直链结构，并不是线型分子，且葡萄糖单元的空中椅式结构占有空间较大。这种结构一方面与纸浆纤维接触容易，另一方面，分子自身较大的空间阻碍其在纤维上的缠绕，增强受到影响。

PAE是完全线性大分子，羟基数量庞大，溶解后羟基在水中伸展，与纤维的接触点多，由于机械接触远不如电性吸附牢固，虽没有文献报道PVA直接抄纸的留着率数据，可以想象PVA直接与纤维混合抄纸留着很低，但PVA纤维与纸浆一起抄纸，增强效果明显[2]7-11。PVA也一直是重要的纸品增强的表面施胶剂[2]7-11。如何实现PVA在纤维上的留着是关键。当PVA与PAE混合并加热处理，PVA的羟基与PAE上的反应性基团进行初步化学固着，随PAE在纤维上的留着而保留下来，可以实现PVA抄纸对纸品的增强效果。

对上述增强剂1号和增强剂2号进行对比，重新抄纸，用量均为1%，检测纸样强度，并与干强剂、湿强剂及不加助剂的纸样进行对比，测试结果如表1所示。

从表1可看出，增强剂1号和增强剂2号均表现出比干强剂更好的增强效果，其中PVA 1799的增强效果最好。