P(MMA-ST-AM)陽離子聚合乳液紙張增強(qiáng)劑的合成及性能研究

　　近年來,人們致力于以陽離子型聚合物乳液用作紙張?zhí)砑觿┑难芯俊Ｓ捎陉栯x子聚合物帶正電荷基團(tuán),與帶負(fù)電荷的纖維素等有很強(qiáng)的結(jié)合力。在造紙工藝中可將其固著在陰離子紙漿纖維上,以改善拉伸強(qiáng)度,耐破度,耐折度和環(huán)壓強(qiáng)度等,并具有良好的成膜性和耐熱、耐寒性,可提高填料與細(xì)小纖維的留著率。本文通過無乳化劑乳液聚合制備的聚合物,穩(wěn)定性好,可以顯著提高紙張的增強(qiáng)效果。

1實驗部分

1.1       主要試劑及儀器

試劑:(NH₄)₂S₂O₄、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、苯乙烯(ST)、聚乙烯醇(PVA)均為化學(xué)純;丙烯酰胺(AM)、Al₂(SO₄)₃,分析純。儀器:精密電動攪拌器,JJ-1型,深圳國華儀器廠生產(chǎn);電子拉力試驗機(jī),深圳市瑞格爾儀器有限公司生產(chǎn);撕裂度測定儀,四川省長江造紙儀器廠生產(chǎn);MIT耐折度測定儀,四川省長江造紙儀器廠生產(chǎn);電腦測控壓縮試驗儀,四川省長江造紙儀器廠生產(chǎn)。

1.2       陽離子聚合物乳液的合成

在裝有冷凝和攪拌裝置的三頸瓶中,加入去離子水和PVA溶液,在攪拌下升溫至65℃使其全部溶解,依次加入部分的MMA、ST、AM及適量引發(fā)劑,升溫至80℃反應(yīng)30min左右,緩慢滴加剩余的引發(fā)劑和混合單體并保溫反應(yīng)6～8h。然后冷卻至室溫,即得發(fā)藍(lán)光的穩(wěn)定聚合乳液。隨后加入一定量的鹽酸,在攪拌下反應(yīng)一定時間,即得MMA-ST-AM陽離子共聚物乳液命名為PMSA陽離子乳液增強(qiáng)劑。

2結(jié)果與討論

2.1       反應(yīng)溫度

反應(yīng)溫度以控制在正好產(chǎn)生回流時為宜。甲基丙烯酸甲酯的沸點為101℃,苯乙烯的沸點為145℃,當(dāng)反應(yīng)溫度<78℃,加入單體反應(yīng)速度慢,出現(xiàn)單體累積;當(dāng)溫度>87℃,出現(xiàn)大顆粒,甚至瓶壁上出現(xiàn)凝聚物。溫度在78～87℃,聚合反應(yīng)穩(wěn)定,產(chǎn)品外觀良好,故反應(yīng)溫度擬為80℃。

2.2       引發(fā)劑用量

與其它聚合體系一樣,引發(fā)劑用量過小,聚合反應(yīng)速率慢,導(dǎo)致聚合物交聯(lián)程度小,乳液穩(wěn)定性差;而引發(fā)劑用量過大,聚合反應(yīng)速率很快,易出現(xiàn)暴聚。通過實驗發(fā)現(xiàn)在引發(fā)劑用量為0.3g時,乳液的穩(wěn)定性及對紙張的增強(qiáng)效果都較好。

2.3       單體的質(zhì)量配比與乳液的穩(wěn)定性

取10mLPMSA乳液放入試管中,快速攪拌后,放置1個月,倒掉上層液體,將試管底部的沉積物烘干后稱重,由沉積物的多少來判斷乳液的穩(wěn)定性。

在等量的乳液中,加入3%的Al₂(SO₄)₃,同上操作,測定其穩(wěn)定性。實驗中發(fā)現(xiàn)甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯酰胺單體的質(zhì)量配比,對合成的乳液穩(wěn)定性影響較大,結(jié)果見表1,單體配比為50/35/15～70/15/15合成出的PMSA陽離子乳液穩(wěn)定性較好,而MMA/SA/AM=65/20/15時最好。

2.4       苯乙烯的質(zhì)量對紙張增強(qiáng)效果的影響

在其它單體的質(zhì)量不變的情況下,乳液總質(zhì)量為150g左右,不斷改變苯乙烯的質(zhì)量,對紙張的增強(qiáng)效果見表2。結(jié)果表明,苯乙烯的質(zhì)量為2～6g時,對紙張的影響較為顯著。

2.5       丙烯酸丁酯乳液對紙張的增強(qiáng)效果

由于衛(wèi)生紙、皺紋紙等紙張有時需要增加其強(qiáng)度,但甲基丙烯酸甲酯是硬性單體,制得的乳液加到紙漿纖維中烘干后,紙張?zhí)唷⑻?/SPAN>,為了克服這一不足,用軟單體丙烯酸丁酯(BA)代替丙烯酸甲酯來合成聚合乳液,并將2種乳液對紙張的增強(qiáng)效果進(jìn)行了比較,結(jié)果見表3。

　　從表3結(jié)果可知,兩者對紙張都有增強(qiáng)效果。但甲基丙烯酸甲酯乳液的耐折度低于丙烯酸丁酯乳液,說明甲基丙烯酸甲酯的乳液加入紙漿纖維中烘干后,其硬度,脆性高于甲基丙烯酸丁酯的聚合物乳液。

2.6       陽離子乳液用于紙張增強(qiáng)的實驗結(jié)果

根據(jù)以上實驗結(jié)果,選取最佳合成條件:單體質(zhì)量配比為MMA/ST/AM=65/20/15,反應(yīng)溫度為80℃,引發(fā)劑用量為0.3g,合成PMSA陽離子聚合乳液。分別取一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳液加入到紙漿纖維中,測試其對紙張的增強(qiáng)性能(表4)。可知,隨著乳液用量的增加,紙張的抗張強(qiáng)度、撕裂度、耐折度和環(huán)壓強(qiáng)度增加,到1.0%時達(dá)到最大值,之后又隨乳液用量增加而減少,這是因為陽離子共聚物乳液用量增加時,帶正電荷基團(tuán)數(shù)增加,同紙漿纖維的靜電作用增強(qiáng),以及陽離子聚合物本身的粘附效應(yīng),容易吸附纖維素,使紙張的強(qiáng)度增加。當(dāng)用量大時,過量的陽離子聚合物對結(jié)合著的纖維有吸引力,反而使纖維和陽離子聚合物的結(jié)合力降低,從而使紙張的強(qiáng)度減少。所以乳液的用量為1.0%時,紙張的各種性能最佳。

3結(jié)論

(1)通過實驗得到的最佳反應(yīng)條件為:反應(yīng)溫度為80℃,單體MMA/ST/AM質(zhì)量配比為65/20/15,苯乙烯用量控制在2～6g范圍內(nèi),引發(fā)劑用量為0.3g,反應(yīng)時間為6～8h。

(2)陽離子聚合物的分子鏈上帶有正電荷,對紙漿中帶負(fù)電荷的纖維素有很強(qiáng)的吸引作用,對增加紙張的強(qiáng)度有明顯效果。當(dāng)PMSA陽離子聚合物乳液用量為1.0%時,可使紙的抗張強(qiáng)度增加10.88%、耐折度增度增85.71%、撕裂度增加31.42%、環(huán)壓強(qiáng)度增加27.58%。

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