新型紙張濕紙力增強(qiáng)劑的研制

周思耀 蔡建泉 翁景崢 吳宗華

（福建師范大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 福建 福州 35007）

新型紙張濕紙力增強(qiáng)劑的研制

周思耀 蔡建泉 翁景崢 吳宗華

（福建師范大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 福建 福州 35007）

為了提高蛋白質(zhì)接枝共聚物（DJG）的濕紙力增強(qiáng)效果，對其進(jìn)行陽離子改性。考察了改性劑用量、改性時間、共聚物中蛋白質(zhì)與單體的質(zhì)量以及環(huán)氧氯丙烷含量共聚物等中對陽離子蛋白質(zhì)接枝共聚物（YDJG）紙力增強(qiáng)效果的影響。結(jié)果表明改性劑用量對YDJG的作用效果影響大。在改性劑用量為30%時，YDJG的濕強(qiáng)度增加率為12.8%，干強(qiáng)度增加率為10.3%，YDJG表面陽離子基團(tuán)量為0.145 mmol/L；改性時間為0.5 h時，YDJG對紙張的作用效果最大；DJG中蛋白質(zhì)與單體質(zhì)量比為1:3、環(huán)氧氯丙烷含量為30%時，YDJG對紙張的增強(qiáng)效果最大。

蛋白質(zhì)接枝共聚物 陽離子改性 濕強(qiáng)度

0 前 言

由于紙漿纖維素具有高親水性，不經(jīng)處理的紙張被水濕透后將失去其大部分強(qiáng)度，但日常生活及生產(chǎn)中許多用紙, 如照相原紙、郵票紙、鈔票用紙、農(nóng)用育苗紙和擦手紙等都要求其具有一定的濕紙力強(qiáng)度[1]。通常通過添加濕強(qiáng)劑賦予紙張濕紙力強(qiáng)度[2]。濕強(qiáng)劑種類繁多,其中應(yīng)用最廣泛就是聚酰胺環(huán)氧氯丙烷樹脂（PAE）樹脂。作為一種水溶性、陽離子型、熱固性的PAE樹脂具有增濕強(qiáng)度效果好、無甲醛、成紙返黃小、損紙回收容易等特點(diǎn)，且可在中堿性抄紙條件下使用，兼具助留、助濾作用。但 PAE 樹脂存在著固含量小、運(yùn)輸成本高、含有毒的元素氯和環(huán)氧氯丙烷等問題[3]。本研究前期工作結(jié)果表明，蛋白質(zhì)接枝共聚物具有顯著的濕紙力增強(qiáng)作用，且其固含量高、合成工藝簡單、成本低。本研究通過對蛋白質(zhì)接枝共聚物的陽離子化改性，研制出了低成本的新型紙張濕紙力增強(qiáng)劑。

1 試驗

1.1 原料

蛋白質(zhì)接枝共聚物（DJG）為透明黏稠液，固含量為30%，根據(jù)文獻(xiàn)[4]的制備方法實驗室自制；陽離子改性劑為實驗室自制；掛面箱板紙為工業(yè)品；其他化學(xué)藥品為試劑純。

1.2 實驗儀器

臥式電腦拉力儀WZL-300，杭州輕通儀器開發(fā)公司。

1.3 DJG的陽離子改性與表征

將DJG與陽離子改性劑按不同比例混合均勻，攪拌反應(yīng)不同時間后加入終止劑，結(jié)束反應(yīng)，得到陽離子球蛋白質(zhì)接枝共聚物（YDJG）。將YDJG配制成質(zhì)量濃度為0.05%的溶液，移取溶液體積為V0（mL）置于錐形瓶中，加入體積V1（mL）、濃度為C1（mmoL/L）的聚二甲基二烯丙基氯化銨（PD）標(biāo)準(zhǔn)液和2滴甲胺藍(lán)指示劑，用濃度為C2（mmoL/L）的PVSK標(biāo)準(zhǔn)液滴定至終點(diǎn)（紫紅色），記下所消耗的標(biāo)準(zhǔn)液體積V1（mL），計算YDJG的陽離子基團(tuán)量[5-6]。

1.4 YDJG濕紙力增強(qiáng)效果的測定

先將紙裁成18 cm×20 cm規(guī)格的方形紙張，再將YDJG稀釋后均勻的涂布在紙張的表面，每張紙涂布量為3 g，放置于105℃的烘箱里烘8 min，烘干后置于干燥箱中備用[7]。將施膠過的紙張裁成1.5 cm×20 cm格的長紙條，均分為兩部分，一部分需用自來水浸泡30 min，其余不需浸泡，采用WZL-300臥式電腦拉力儀分別測定其干強(qiáng)度和濕強(qiáng)度，依照國標(biāo)GB/T 12914—2008,采用測定恒速加荷法來測定紙張抗張強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 蛋白質(zhì)接枝共聚物的改性

（1）改性劑用量與YDJG抗張增強(qiáng)效果的關(guān)系，見圖1。

在室溫下，添加不同量的改性劑對蛋白質(zhì)接枝共聚物進(jìn)行陽離子化改性，并考察了改性劑用量與改性蛋白質(zhì)接枝共聚物（YDJG）的紙力增強(qiáng)效果的關(guān)系。

圖1 改性劑用量與YDJG抗張增強(qiáng)效果的關(guān)系

由圖1可知，陽離子化改性蛋白質(zhì)接枝共聚物顯著提高了紙張的干強(qiáng)度和濕強(qiáng)度。在本研究的條件下，YDJG的作用效果隨改性劑的用量增加而增大，當(dāng)改性劑為DJG的30%時，作用達(dá)到最大值，濕強(qiáng)度增加12.8%，干強(qiáng)度增加10.3%。其后繼續(xù)增大改性劑用量，YDJG的濕紙力增強(qiáng)效果變化較小，但干紙力增強(qiáng)作用迅速減小，作用效果逐漸減小。這可能是過多的改性劑加劇蛋白質(zhì)接枝共聚物的降解。因此其后研究中，改性劑用量選定為蛋白質(zhì)接枝共聚物的30%。

（2）改性劑用量對改性YDJG的液化的影響，見圖2。

采用膠體滴定法測定了YDJG的表面陽離子基團(tuán)量，結(jié)果如圖2所示。隨著改性劑用量的加大，YDJG的陽離子基團(tuán)數(shù)逐漸增大，當(dāng)改性劑用量為90%時，陽離子基團(tuán)數(shù)為0.145 mmol/g，大于改性劑用量為30%時陽離子基團(tuán)數(shù)。但由圖1可知，后者具有更大的紙力增強(qiáng)作用。這表明YDJG中的蛋白質(zhì)接枝共聚物的相對分子量與陽離子基團(tuán)數(shù)是決定紙力增強(qiáng)作用的主要因素，應(yīng)優(yōu)化反應(yīng)條件，平衡兩者的關(guān)系。

圖2 改性劑用量對改性YDJG的液化的影響

（3）改性時間對YDJG紙力增強(qiáng)作用的影響，見圖3。

圖3 改性時間對YDJG紙力增強(qiáng)作用的影響

圖3顯示改性劑用量為30%時，反應(yīng)時間與YDJG紙力增強(qiáng)作用的關(guān)系。當(dāng)反應(yīng)時間為0.5 h，YDJG的干強(qiáng)度和濕強(qiáng)度的增加都為最大，與圖1中的結(jié)果一致。繼續(xù)延長反應(yīng)時間，YDJG的作用效果急劇減小，其后變化不大。這些結(jié)果表明應(yīng)嚴(yán)格控制反應(yīng)時間，及時終止反應(yīng)。

2.2 共聚物中蛋白質(zhì)與單體質(zhì)量比的影響

在改性劑用量為30%、反應(yīng)時間為0.5 h的條件下，對蛋白質(zhì)與單體質(zhì)量比不同的DJG進(jìn)行改性，并測定其紙力增強(qiáng)效果，結(jié)果如圖4所示。

隨著共聚物中單體由m（蛋白質(zhì)）：m（單體）從1∶2增加到1∶4，YDJG對紙張干強(qiáng)度增加作用不斷提高。表明增加單體量有助于YDJG的干強(qiáng)度增大作用。但紙張的最大濕強(qiáng)度是在m（蛋白質(zhì)）：m（單體）=1∶3時出現(xiàn)，表明蛋白質(zhì)對濕紙力增強(qiáng)具有重要的作用。由于質(zhì)量比在1∶2.5后，紙張的干強(qiáng)度變化不明顯，因此本研究選定蛋白質(zhì)與單體的質(zhì)量比以1∶3為佳。

圖4 蛋白質(zhì)/單體的質(zhì)量比與YDJG紙力增強(qiáng)的關(guān)系

2.3 DJG中環(huán)氧氯丙烷含量的影響

DJG分子中除單體外還含有一定量的環(huán)氧氯丙烷。在改性劑用量為30%、反應(yīng)時間為0.5 h的條件下，對環(huán)氧氯丙烷含量不同的DJG進(jìn)行陽離子改性，并測定其紙力增強(qiáng)效果，結(jié)果如表1所示。

表1 環(huán)氧氯丙烷含量與YDJG紙力增強(qiáng)作用的關(guān)系

隨著DJG分子中環(huán)氧氯丙烷含量的增加，YDJG對紙張干強(qiáng)度的影響較小；而紙張的濕強(qiáng)度隨著環(huán)氧氯丙烷含量而增大，在環(huán)氧氯丙烷含量為30%時達(dá)到最大值，此時濕強(qiáng)度為0.541 kN/m；進(jìn)一步增大環(huán)氧氯丙烷含量為45%時， 濕強(qiáng)度并未進(jìn)一步增強(qiáng)。

為了與商品PAE濕強(qiáng)劑進(jìn)行比較，表1還列出空白紙樣和PAE作用的紙張的干濕強(qiáng)度。在本研究條件下，商品PAE濕強(qiáng)劑的濕強(qiáng)度增加率為5.9%，而環(huán)氧氯丙烷含量為45%的YDJG的濕強(qiáng)度增加率為8.3%，表明所研制的濕強(qiáng)劑具有優(yōu)良的紙力增強(qiáng)效果。由于商品PAE的固含量為15%，把環(huán)氧氯丙烷含量為45%*的YDG稀釋成固含量為15%時，紙張的濕強(qiáng)度增強(qiáng)效果與PAE相近。

3 結(jié)束語

（1）改性劑用量對YDJG的作用效果影響大。本研究條件下改性劑用量為30%時，YDJG的濕強(qiáng)度增加率為12.8%，干強(qiáng)度增加率為10.3%，YDJG表面陽離子基團(tuán)量為0.145 mmol/L。

（2）改性時間為0.5 h時，YDJG對紙張的作用效果最大。

（3）DJG中蛋白質(zhì)與單體質(zhì)量比為1∶3、環(huán)氧氯丙烷含量為30%時，YDJG對紙張的增強(qiáng)效果最大。

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