紙張聚氨酯涂布處理及其性能的研究

尚　尉，謝金宏段鵬飛

（1.東北電力大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，吉林 吉林　132012；2.東北林業(yè)大學(xué) 生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱　150040）

紙張聚氨酯涂布處理及其性能的研究

尚尉1，2，謝金宏1段鵬飛1

（1.東北電力大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，吉林 吉林132012；2.東北林業(yè)大學(xué) 生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱150040）

該文研究了甲苯-2，4-二異氰酸酯和聚乙二醇800合成聚氨酯預(yù)聚體乳液（LTPEG 800）對(duì)紙張聚氨酯化，及其對(duì)紙張物理性能的影響。用聚氨酯預(yù)聚體乳液進(jìn)行紙張涂布，涂布量分別為2、4、 6、8和10 g/m2時(shí)，研究紙張各項(xiàng)物理性能的變化。結(jié)果表明：當(dāng)涂布量為8 g/m2時(shí)，耐折度、撕裂度、抗張強(qiáng)度等物理性能有明顯改善，涂布后濾紙的濕抗張指數(shù)、干抗張指數(shù)分別提高18.10倍和1.67倍，耐折度提高了39.66倍。掃描電鏡觀察顯示，由于紙張的聚氨酯化處理，紙頁的纖維間連接了許多絲狀物質(zhì)，這些物質(zhì)在纖維之間尤其是纖維與纖維交叉的地方形成架橋結(jié)構(gòu)，聚氨酯乳液已將纖維間的氫鍵連接轉(zhuǎn)為化學(xué)鍵連接，從而使紙張的性能有較大改善和提高。

聚氨酯乳液；涂布；物理性能

聚氨酯是由異氰酸酯類物質(zhì)和多元醇通過加成聚合反應(yīng)制成的、一種具有重復(fù)結(jié)構(gòu)單元（氨基甲酸酯鏈段—NHCOO—）的聚合物［1-3］，是20世紀(jì)40年代開發(fā)的、一種通過新的合成工藝合成的一種聚合物，曾經(jīng)被稱為是最好的樹脂。由于聚氨酯有著許多非常優(yōu)異的性能，如高耐摩擦性能、高柔韌性、良好的耐化學(xué)性能、高強(qiáng)附著力、可在室溫下固化等，使得聚氨酯在許多領(lǐng)域獲得非常廣泛的應(yīng)用，其制品種類也是非常多的［4-6］；但是，溶劑型聚氨酯有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是對(duì)我們的日常生活環(huán)境會(huì)有很大的污染。這就從側(cè)面促進(jìn)了新型聚氨酯的研發(fā)，以替代溶劑型聚氨酯的新型產(chǎn)品。水性聚氨酯是以水來代替有機(jī)溶劑，作為分散介質(zhì)，也可稱為水基的聚氨酯。水性聚氨酯不僅具有溶劑型的聚氨酯的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有許多其他優(yōu)點(diǎn)；因此，關(guān)于水性聚氨酯的研究，已經(jīng)成為聚氨酯研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。聚氨酯的發(fā)展，按發(fā)展階段來劃分，大致可分為2個(gè)階段。第1階段主要是以溶劑型的聚氨酯為主；第2階段則為水性聚氨酯的迅速發(fā)展階段［7-8］。國外的一些產(chǎn)品和技術(shù)不斷地被引入我國，聚氨酯產(chǎn)品也相繼引入到我國市場。由于聚氨酯產(chǎn)品在使用過程中所表現(xiàn)出來的優(yōu)越性能，所以被國內(nèi)的一些科研人員所關(guān)注，從此聚氨酯的研究工作在我國逐漸開展起來。隨著市場的不斷擴(kuò)大，國內(nèi)市場對(duì)聚氨酯產(chǎn)品的需求量、種類都有了更多的要求和期望。那么如何才能滿足人們對(duì)聚氨酯產(chǎn)品的更高的要求，就成為了相關(guān)科研人員要探討和研究解決的問題［9-11］。只有開發(fā)出能夠滿足人們生活需要的、提升人們生活品質(zhì)的聚氨酯材料，這種產(chǎn)品才會(huì)有更廣闊的前景，才能創(chuàng)造更多的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

為此，本文通過研究對(duì)紙張進(jìn)行聚氨酯化處理，以期達(dá)到改善和提高紙張物理性能的目的。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1原料及儀器

咪唑，白色片狀結(jié)晶；聚乙二醇，相對(duì)分子質(zhì)量800，無色透明液體；甲苯-2，4-二異氰酸酯（TDI），質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.6%，凝固點(diǎn)為9.6～13.6℃。

紅外光譜儀，IRPretige-21型；油浴鍋、四口燒瓶等。

1.2咪唑封閉型聚氨酯預(yù)聚體乳液的制備

在裝有溫度計(jì)、攪拌器、回流冷凝管的反應(yīng)器中，根據(jù)TDI的性質(zhì)加入一定比例的TDI與聚乙二醇（PEG），然后加入溶劑稀釋，并控制反應(yīng)溫度在75～80℃，同時(shí)使用二正丁胺法定時(shí)測體系中的—NCO含量，當(dāng)—NCO含量達(dá)到計(jì)算值時(shí)，加入咪唑溶液，在溫度50℃下進(jìn)行—NCO基團(tuán)的封閉反應(yīng)，并檢測—NCO含量，直至—NCO含量為零時(shí)，封閉反應(yīng)結(jié)束，冷卻得咪唑封閉型聚氨酯預(yù)聚體；再通過乳化劑和高速攪拌，將預(yù)聚體進(jìn)行乳化，最后得到乳液備用。

1.3紙張的聚氨酯涂布

首先將普通定性濾紙放入真空干燥箱中以五氧化二磷作為脫水劑脫水24 h。在通風(fēng)櫥內(nèi)，將一定量的聚氨酯預(yù)聚體乳液涂飾在濾紙的表面上，聚氨酯預(yù)聚體乳液的涂布量分別為2、4、6、8和10 g/m2。在室溫下放置60 min后，自然風(fēng)干。再將經(jīng)涂飾后已經(jīng)自然風(fēng)干的濾紙，放在烘箱中加熱固化20 mim。烘箱溫度為130℃（注：紙張經(jīng)過聚氨酯處理加熱固化干燥的過程，即為紙張的聚氨酯化過程）。

1.4紙張的物理性能檢測

按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)紙張的抗張強(qiáng)度、濕強(qiáng)度、撕裂度和耐折度等物理強(qiáng)度進(jìn)行檢測。

1.5電子顯微鏡觀察

將紙樣進(jìn)行噴金處理后，再將樣品在掃描電子顯微鏡下觀察紙張表面的微觀結(jié)構(gòu)。

2　結(jié)果與討論

2.1聚氨酯化紙張的物理特性的分析

為了研究聚氨酯預(yù)聚體乳液（LTPEG 800）對(duì)紙張聚氨酯化，及其對(duì)紙張物理強(qiáng)度的影響，本研究以濾紙為基體進(jìn)行聚氨酯的涂布處理。漿濾紙進(jìn)行聚氨酯處理，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1　不同涂布量對(duì)抗張指數(shù)的影響

圖2　不同涂布量對(duì)撕裂度、耐折度的影響

由圖1和圖2可見：經(jīng)LTPEG 800聚氨酯涂布后，聚氨酯化濾紙的干、濕抗張指數(shù)與未聚氨酯化濾紙都有大幅度的提高，并隨著聚氨酯涂布量的提高而提高；在涂布量小于8 g/m2時(shí)濕抗張指數(shù)明顯高于干抗張指數(shù)，當(dāng)涂布量為8 g/m2時(shí)，濾紙的濕抗張指數(shù)和干抗張指數(shù)趨于一致，達(dá)到濾紙的18.10倍；撕裂度隨著涂布量的加大也有一定的變化，濾紙的撕裂度提高了12%；耐折度則是初期上升較慢，涂布量在 6～8 g/m2時(shí)有個(gè)飛躍增長，耐折度提高了39.66倍；可見聚氨酯化處理可以大幅度提高紙張的強(qiáng)度，尤其是濕強(qiáng)度的提高效果十分明顯；從抗張指數(shù)方面看，當(dāng)聚氨酯涂布量為8 g/m2時(shí)，聚氨酯化濾紙的濕強(qiáng)度/干強(qiáng)度的值為51.14%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般濕強(qiáng)紙的要求。因此，這類特種加工紙可望在對(duì)濕強(qiáng)度要求較高的工業(yè)用紙上應(yīng)用。

2.2紙張表面的電子顯微鏡觀察

對(duì)濾紙?jiān)埡途郯滨ヌ幚砗蟮臑V紙進(jìn)行電鏡觀測，考察聚氨酯在紙頁中的作用，拍攝的纖維間的交織情況如圖3和圖4所示。

圖3　濾紙?jiān)埍砻嫖⒂^結(jié)構(gòu)SEM照片

圖4　涂布濾紙表面微觀結(jié)構(gòu)SEM照片

從圖3和圖4可以看到，圖3中濾紙?jiān)埖睦w維只是自然地交叉在一起，纖維之間只是機(jī)械地交織纏繞；而在圖4中，可以看到濾紙經(jīng)聚氨酯涂布處理之后，紙頁的纖維間連接了許多絲狀物質(zhì)，這些物質(zhì)在纖維之間尤其是纖維與纖維交叉的地方形成架橋結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了纖維與纖維之間連接。

3　結(jié)論

（1）用咪唑、甲苯-2，4-二異氰酸酯和聚乙二醇800合成的水性聚氨酯預(yù)聚體乳液用于紙張表面處理，對(duì)濾紙聚氨酯處理，可以大幅度提高紙張的物理性能。濾紙?jiān)埖耐坎剂繛? g/m2時(shí)，濾紙的耐折度、抗張強(qiáng)度等物理性能有明顯改善，處理后濾紙的濕抗張指數(shù)、干抗張指數(shù)分別提高到濾紙?jiān)埖?8.10倍和1.67倍，耐折度提高39.66倍。

（2）從FT-IR分析和掃描電鏡觀察，可以看出濾紙經(jīng)聚氨酯預(yù)聚體乳液進(jìn)行表面處理之后，紙頁的纖維間連接了許多絲狀物質(zhì)，這些物質(zhì)在纖維之間尤其是纖維與纖維交叉的地方形成架橋結(jié)構(gòu)，表明由于聚氨酯乳液的加入，已將纖維間的氫鍵連接轉(zhuǎn)為化學(xué)鍵連接，從而使纖維之間產(chǎn)生牢固的連接。

［1］唐進(jìn)偉，華成明，張琴，等.MDI型水性固化劑將開創(chuàng)雙組分水性聚氨酯涂料發(fā)展新局面［J］.中國涂料，2010，25（6）：15-17.

［2］顏俊，涂偉萍，楊卓如，等.水性聚氨酯研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展，2001，20（7）：22-24.

［3］吳海平，馬建明，任志勇，等.中國水性聚氨酯市場現(xiàn)狀與展望［J］.化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料，2005，3（5）：1-4.

［4］王炯，李國平.水性聚氨酯的改性研究進(jìn)展［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2009，25（12）：166-168.

［5］林松竹，李婷婷，賈若琨，等.異氰酸酯為交聯(lián)劑制備交聯(lián)聚天冬氨酸樹脂［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（4）：28-31.

［6］趙輝，左平.復(fù)合納米材料對(duì)水中低濃度Mn2+的去除［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（1）：75-78.

［7］閆福安.水性聚酯樹脂的合成研究［J］.涂料工業(yè)，2003，33（3）：9-12.

［8］Riddick W.Studies on the esterification of trimellitic anhydride implication for coating polymer［J］.Journal of Coatings Technology，1983，55（702）：57-58.

［9］Jaeobs P B，YU P C.Two-component waterborne polyurethane coatings.journal of coatings technology［J］.1993，65（882）：45-50.

［10］蔡再生，孫鎧.水溶性反應(yīng)型聚氨酯的試制研究［J］.中國紡織大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，22（1）：38-40.

［11］張曉君，冉光鈞，劉爽.稀硫酸和高溫?zé)崴A(yù)提取桉木半纖維素［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（4）：71-74.

Study on Paper Polyurethane and Properties in Coating on Paper Making

SHANG Wei1，2，XIE Jin-hong1，DUAN Peng-fei1
（1.College of Chemistry Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China；2.Key Lab of Biobased Material Science&Technology（Northeast Forestry University）Ministry of Education，Harbin 150040，China）

The applications of imidazole-TDI-PEG（called LTP800）in coating on paper making were investigated.The solution of the LTP 800 was used in coating on paper making in the same condition.The coating weight of the filter paper were 2，4，6，8 and 10 g/m2.The physical properties of the coated paper were tested.It was found that the treatment could enhance the paper’s physical strength.When the coating weight of the filter paper was 8 g/m2，the physical properties of the filter paper were enhanced strongly，especially the wet strength and folding resistance.The wet strength index and dry strength index of the treated paper reaches 18.10 times，1.67 times of the original base paper，39.66 times of the base paper.

polyurethane；coating；physical properties

TS727+.3

A

1007-2225（2015）06-0011-03

尚尉先生（1984-），博士研究生；研究方向：主要從事植物纖維資源化學(xué)研究；E-mail：sw-d@163.com。

2015-10-28（修回）

本文文獻(xiàn)格式：尚尉，謝金宏，段鵬飛．紙張聚氨酯涂布處理及其性能的研究［J］．造紙化學(xué)品，2015，27（6）∶11-13．