機(jī)械活化協(xié)同常壓逆轉(zhuǎn)制備氫化松香施膠劑

韋小杰陳小鵬楊琴胡雄光

(廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西南寧，530004)

·氫化松香施膠劑·

機(jī)械活化協(xié)同常壓逆轉(zhuǎn)制備氫化松香施膠劑

韋小杰陳小鵬楊琴胡雄光

(廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西南寧，530004)

以氫化松香及氫化松香甘油酯為原料，采用自制攪拌球磨機(jī)進(jìn)行原料機(jī)械活化處理，考察常壓逆轉(zhuǎn)法、機(jī)械活化協(xié)同常壓逆轉(zhuǎn)法、機(jī)械活化攪拌轉(zhuǎn)速以及活化時(shí)間對(duì)施膠劑粒徑和施膠性能的影響。結(jié)果表明，原料在攪拌轉(zhuǎn)速300 r/min、活化時(shí)間5 min條件下經(jīng)機(jī)械活化處理后，氫化松香施膠劑制備過(guò)程的乳化溫度、轉(zhuǎn)相溫度均下降10℃，產(chǎn)品經(jīng)激光納米粒度分析儀檢測(cè)顯示施膠劑粒徑僅為294．6 nm。將機(jī)械活化協(xié)同常壓逆轉(zhuǎn)法所制施膠劑在中性條件下進(jìn)行抄紙實(shí)驗(yàn)，紙張的施膠度達(dá)到66 s。

施膠劑;氫化松香;制備方法;機(jī)械活化

(*E-mail:wxjgu@sina．com)

Abstract:The hydrogenated rosin sizing agent was prepared with the hydrogenated rosin and its glyceride as raw materials and by mechanical activation treatment using self-developed stirring ball mill，the effects of atmospheric inversion process，atmospheric inversion process coupled with mechanical activation，stirring speed and activating time of mechanical activation on the particle size of hydrogenated rosin sizing agent and sizing performance were studied．The results showed that the emulsifying temperature and the phase inversion temperature of preparation process of neutral hydrogenated rosin size were all decreased 10℃when the raw materials had been mechanically activated under the conditions of stirring speed 300 r/min and activating time 5 min．The testing result by laser nanoparticle size analyzer indicated that the particle size of sizing agent was only 294．6 nm．The products prepared by atmospheric inversion process coupled with mechanical activation were tested in neutral paper making，and the sizing degree of the resultant paper was 66 s．

Key words:sizing agent;hydrogenated rosin;preparation methods;mechanical activation

漿內(nèi)施膠劑主要有松香類(lèi)施膠劑、反應(yīng)型施膠劑、石油樹(shù)脂施膠劑等種類(lèi)。反應(yīng)型施膠劑在使用上存在著對(duì)應(yīng)用技術(shù)的要求較高、化學(xué)穩(wěn)定性較差、施膠費(fèi)用高等問(wèn)題;松香類(lèi)施膠劑具有施膠簡(jiǎn)單易行、施膠成本低、施膠效果可靠等優(yōu)點(diǎn)［1］。反應(yīng)型施膠劑和石油樹(shù)脂施膠劑的原料均為石油的深加工產(chǎn)品，隨著石油一次性資源的日漸枯竭，面臨著原料短缺的難題。我國(guó)有著豐富的松香資源，價(jià)格便宜，因此松香類(lèi)中性施膠劑具有廣闊的市場(chǎng)前景［2］。松香的主要成分為樅酸型樹(shù)脂酸，其結(jié)構(gòu)中含有共軛雙鍵，易氧化變黃，而氫化松香在經(jīng)過(guò)加氫后使樅酸型樹(shù)脂酸趨于脂環(huán)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，具有較高的抗氧化性能，在空氣和光照下不被氧化和變色，無(wú)結(jié)晶趨勢(shì)，脆性小，黏結(jié)性強(qiáng)，能長(zhǎng)期保持彈性和色淺等優(yōu)點(diǎn)［3-4］。而氫化松香與甘油酯化反應(yīng)產(chǎn)物又大大降低了原有氫化松香的酸值，因此以氫化松香及氫化松香甘油酯為原料制備施膠劑，可延長(zhǎng)紙張壽命，提高紙張的品質(zhì)。

機(jī)械活化(Mechanical activation)是指固體顆粒物質(zhì)在摩擦、碰撞、沖擊、剪切等機(jī)械力作用下，物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)及物化性能發(fā)生改變，使部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變成物質(zhì)的內(nèi)能，從而引起固體的化學(xué)活性增加［5］。目前機(jī)械活化在超微及納米粉末、納米復(fù)合材料、彌散強(qiáng)化合金結(jié)構(gòu)材料、金屬精煉、礦物和廢物處理、有機(jī)材料合成以及淀粉改性等方面的應(yīng)用研究日益廣泛［6-10］。為此，本實(shí)驗(yàn)嘗試將機(jī)械活化技術(shù)引入施膠劑制備中，以考察機(jī)械活化對(duì)氫化松香施膠劑制備工藝及其施膠性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及儀器

原料:氫化松香及氫化松香甘油酯，均為實(shí)驗(yàn)室自制。乳化劑為自制，由陰離子表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(AES)與非離子表面活性劑壬基酚聚氧乙烯醚(OP)按一定比例復(fù)配而得。紙漿為漂白甘蔗渣漿，打漿度38°SR，取自南寧糖業(yè)有限公司。陽(yáng)離子淀粉，取代度0．024，廣西明陽(yáng)淀粉廠生產(chǎn)。聚合氯化鋁，堿化度＞50%，Al2O3含量29%，鞏義市宇清凈水材料有限公司生產(chǎn)。碳酸鈣為化學(xué)純。

儀器:機(jī)械活化裝置為自制攪拌磨，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速，研磨筒為帶冷卻夾套的不銹鋼罐，磨介質(zhì)為三氧化二鋁磨球;S312-120型數(shù)顯恒速攪拌器，上海申生科技有限公司產(chǎn);Zeta-sizer Nano-S型激光納米粒度分析儀，英國(guó)Malvern公司產(chǎn)。

1.2 常壓逆轉(zhuǎn)法制備氫化松香施膠劑

采用常壓逆轉(zhuǎn)工藝制備施膠劑。先將裝在四口燒瓶中的原料加熱熔融，然后在低速攪拌下加入乳化劑形成W/O體系，再在高速攪拌下加入預(yù)熱的轉(zhuǎn)相水，轉(zhuǎn)相完畢加入余量水及穩(wěn)定劑后迅速冷卻，即得到乳白色的氫化松香施膠劑。

1.3 機(jī)械活化協(xié)同常壓逆轉(zhuǎn)法制備氫化松香施膠劑

機(jī)械活化制備實(shí)驗(yàn)是按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求，調(diào)節(jié)好轉(zhuǎn)速后在研磨筒中加入一定體積比的磨球和氫化松香原料，開(kāi)機(jī)攪拌，達(dá)到規(guī)定時(shí)間后停機(jī)，分樣。將經(jīng)過(guò)機(jī)械活化預(yù)處理的原料定量加入到250 mL四口燒瓶中，按1．2進(jìn)行施膠劑制備。

1.4 施膠劑粒徑測(cè)定

將施膠劑乳液分散到水中，攪拌均勻，配成0．1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))溶液，使用激光納米粒度分析儀對(duì)施膠劑的粒徑進(jìn)行分析檢測(cè)，可得到其粒度分布狀態(tài)圖譜。具體參數(shù)設(shè)置:顆粒折射率為1．527，顆粒吸收率為0．01;分散劑為去離子水，分散劑折射率為1．330。分析軟件為Zetasizer Nano-S配套軟件: Dispersion Technology Software 3·32。

1.5 膠料施膠性能評(píng)價(jià)

將常壓逆轉(zhuǎn)法所制施膠劑和機(jī)械活化協(xié)同常壓逆轉(zhuǎn)法所制施膠劑分別進(jìn)行施膠性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，抄紙定量為60 g/m2。在圓形抄片器上抄片，正向施膠，膠用量2．0%(相對(duì)于絕干漿，下同)、聚合氯化鋁用量1．5%、陽(yáng)離子淀粉用量0．5%、碳酸鈣用量15%，調(diào)節(jié)紙漿pH值7．0。

采用液體滲透法測(cè)定紙張的施膠度［11-12］。

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)械活化協(xié)同常壓逆轉(zhuǎn)對(duì)施膠劑制備的影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)考察常壓逆轉(zhuǎn)和機(jī)械活化協(xié)同常壓逆轉(zhuǎn)這兩種不同制備方法對(duì)施膠劑制備工藝條件的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 施膠劑不同制備方法的工藝條件

從表1可見(jiàn)，原料經(jīng)過(guò)機(jī)械活化預(yù)處理后其制備工藝條件較常壓逆轉(zhuǎn)法有較大變化，乳化溫度和轉(zhuǎn)相溫度均降低了10℃左右;表明原料經(jīng)機(jī)械活化處理后，部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變成了物質(zhì)的內(nèi)能，從而使原料的化學(xué)活性增加，降低了乳化溫度和轉(zhuǎn)相溫度。而且原料經(jīng)過(guò)機(jī)械活化預(yù)處理，形狀從顆粒狀變成了粉體，有利于原料進(jìn)入熔融狀態(tài)。

2.2 機(jī)械活化條件對(duì)施膠劑粒徑的影響

2.2.1 機(jī)械活化攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)施膠劑平均粒徑的影響

將一定配比的氫化松香及氫化松香甘油酯放進(jìn)自制攪拌磨中，調(diào)節(jié)不同的攪拌轉(zhuǎn)速進(jìn)行原料預(yù)處理后按常壓逆轉(zhuǎn)工藝制備施膠劑，將所制施膠劑進(jìn)行粒徑分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)施膠劑平均粒徑的影響

由圖1可知，在200～400 r/min范圍內(nèi)施膠劑的平均粒度隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增大先減少后增大。這是由于在攪拌轉(zhuǎn)速較低時(shí)原料混合不夠充分，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的提高，原料得到充分的攪拌，在300 r/min時(shí)，施膠劑的平均粒徑最小;但在高于300 r/min攪拌轉(zhuǎn)速下，原料之間相互碰撞的頻率大大增加，使得部分原料又重新團(tuán)聚起來(lái)，因而平均粒徑增加了;雖然攪拌轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)施膠劑的平均粒徑又略有下降，但下降幅度較少，考慮實(shí)際應(yīng)用中要盡可能降低能耗，故不再進(jìn)行更高攪拌轉(zhuǎn)速的影響研究，因此確定機(jī)械活化攪拌轉(zhuǎn)速以300 r/min為宜。

2.2.2 機(jī)械活化時(shí)間對(duì)施膠劑平均粒徑的影響

在保持原料配比不變、攪拌轉(zhuǎn)速300 r/min條件下，考察不同機(jī)械活化時(shí)間對(duì)施膠劑平均粒徑的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 活化時(shí)間對(duì)施膠劑平均粒徑的影響

從圖2可見(jiàn)，原料經(jīng)機(jī)械活化處理后所制得施膠劑的平均粒徑在0～5 min范圍內(nèi)隨著活化時(shí)間的增加而下降，5 min后隨著活化時(shí)間的延長(zhǎng)先增加后下降。因?yàn)樵跈C(jī)械活化預(yù)處理中，原料獲得了較大的能量，當(dāng)活化時(shí)間很短時(shí)，原料沒(méi)有得到均勻研磨，而隨著活化時(shí)間的增加，攪拌的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，使得原料溫度隨之上升，致使原料與三氧化二鋁磨球粘結(jié)成團(tuán)，無(wú)法得到充分的研磨，而當(dāng)活化時(shí)間達(dá)到20 min時(shí)，由于溫度的不斷上升使得原料的黏度下降，粘結(jié)成團(tuán)的原料減少，研磨的均勻性有所改善，因而平均粒徑又有下降，從能耗角度考慮選取機(jī)械活化時(shí)間5 min為宜。

2.3 機(jī)械活化對(duì)施膠劑粒徑的影響

在機(jī)械活化攪拌轉(zhuǎn)速為300 r/min、活化時(shí)間5 min條件下對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理后制備施膠劑，將常壓逆轉(zhuǎn)和機(jī)械活化協(xié)同常壓逆轉(zhuǎn)這兩種方法制備的施膠劑進(jìn)行粒徑分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。

從圖3、圖4可見(jiàn)，原料經(jīng)過(guò)機(jī)械活化預(yù)處理后所制得施膠劑的粒徑顯著減小，而且施膠劑的粒徑分布較好，說(shuō)明機(jī)械活化的協(xié)同作用使得氫化松香及其甘油酯能很好地分散到水中。

2.4 機(jī)械活化對(duì)施膠性能的影響

為考察兩種制備方法所得施膠劑的施膠性能，在正向施膠、紙漿pH值7．0、膠用量2．0%、聚合氯化鋁用量1．5%、陽(yáng)離子淀粉用量0．5%、碳酸鈣用量15%的工藝條件下將常壓逆轉(zhuǎn)法與機(jī)械活化協(xié)同常壓逆轉(zhuǎn)法所制得的施膠劑分別進(jìn)行施膠性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，考察不同施膠劑對(duì)紙張施膠度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 施膠劑類(lèi)型對(duì)施膠性能的影響

從表2可見(jiàn)，在中性施膠工藝條件下機(jī)械活化協(xié)同常壓逆轉(zhuǎn)法所制施膠劑的施膠度為66 s，而常壓逆轉(zhuǎn)法所制施膠劑的施膠度為15 s，前者比后者提高了340%。這是由于機(jī)械活化協(xié)同法所制施膠劑的粒徑較常壓逆轉(zhuǎn)法所制施膠劑的粒徑更小，其比表面相應(yīng)增大，更易于與蔗渣纖維結(jié)合，能在蔗渣纖維表面分布更均勻，提高了施膠能力，因而獲得良好的施膠效果。

3 結(jié)論

以氫化松香及氫化松香甘油酯為原料，采用自制攪拌球磨機(jī)進(jìn)行原料的機(jī)械活化處理，考察了常壓逆轉(zhuǎn)法和機(jī)械活化協(xié)同常壓逆轉(zhuǎn)法制備的施膠劑的施膠性能。

3.1 機(jī)械活化協(xié)同常壓逆轉(zhuǎn)法制備氫化松香施膠劑的工藝條件較常壓逆轉(zhuǎn)法有所改善，乳化溫度和轉(zhuǎn)相溫度均降低了10℃左右，且有利于原料進(jìn)入熔融狀態(tài)。

3.2 在攪拌轉(zhuǎn)速300 r/min、活化時(shí)間5 min的條件下使用自制攪拌球磨機(jī)對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理，所制得施膠劑的固含量為48%、平均粒徑為294．6 nm，粒徑分布較好。

3.3 機(jī)械活化協(xié)同常壓逆轉(zhuǎn)法所制氫化松香施膠劑在中性施膠條件下具有良好的施膠效果，其施膠度較常壓逆轉(zhuǎn)法所制施膠劑提高了340%。

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(責(zé)任編輯:馬忻)

Preparation of Hydrogenated Rosin Sizing Agent by Atmospheric Inversion Process Coupled with Mechanical Activation

WEI Xiao-jie*CHEN Xiao-pengYANG QinHU Xiong-guang

(College of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Nanning，Guangxi Zhuang Autonomous Region，530004)

韋小杰女士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師;主要從事精細(xì)化工方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研工作。

TS727+．5

A

0254-508X(2010)07-0040-04

2010-04-06(修改稿)

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30560119);廣西教育廳科研

基金項(xiàng)目(200700ZL014、200700ZL015)。