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    一種重要的造紙助劑——濕強(qiáng)劑

    2022-02-09 07:37:42楊維紅楊博文劉曉嵐
    天津造紙 2022年2期
    關(guān)鍵詞:強(qiáng)劑紙樣紙張

    楊維紅,劉 忠,楊博文,劉曉嵐

    (中國(guó)輕工業(yè)造紙與生物質(zhì)精煉重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300457)

    造紙?jiān)谖覈?guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位,其具有循環(huán)經(jīng)濟(jì)的特征和可持續(xù)發(fā)展性,與社會(huì)文明也密切相關(guān)。經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整,我國(guó)造紙行業(yè)得到了迅速發(fā)展,較之前更加節(jié)能、綠色、環(huán)保。同時(shí),我國(guó)的造紙行業(yè)也面臨著許多問(wèn)題[1],比如:由于木材資源匱乏而采用草類和廢紙?jiān)显旒?,使得紙張的?qiáng)度不理想;部分使用者追求高檔次、低定量、高強(qiáng)度紙,如何更好地滿足這一需求尚需進(jìn)一步研究。

    隨著時(shí)代的變遷、科技的發(fā)展,紙張的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。有些紙種在濕環(huán)境下仍需要保持較高的濕強(qiáng)度,比如照相原紙、鈔票紙等,而僅通過(guò)抄造、施膠等方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些紙種的濕強(qiáng)度要求,因此必須加入某些提高該性能的添加劑,這些添加劑可以使得紙張即使長(zhǎng)期在水或水溶液的浸泡下也能保持原干紙強(qiáng)度的20%~50%[2]。這種通過(guò)化學(xué)添加劑來(lái)增強(qiáng)紙張濕強(qiáng)度的過(guò)程稱之為增濕強(qiáng)過(guò)程,所加入的添加劑稱之為濕強(qiáng)劑。濕強(qiáng)劑可以分為傳統(tǒng)和環(huán)保型兩類,本文主要介紹這兩類濕強(qiáng)劑的作用機(jī)理及優(yōu)缺點(diǎn)。

    1 傳統(tǒng)濕強(qiáng)劑

    常見(jiàn)的傳統(tǒng)濕強(qiáng)劑主要包括自交聯(lián)型聚合物、與纖維形成靜電結(jié)合的聚合物、與纖維形成共價(jià)鍵的聚合物及外交聯(lián)型聚合物。以上濕強(qiáng)劑各有優(yōu)缺點(diǎn),本文具體介紹幾種應(yīng)用較廣泛的濕強(qiáng)劑。

    1.1 脲醛樹(shù)脂(UF)及三聚氰胺甲醛樹(shù)脂(MF)

    脲醛樹(shù)脂是應(yīng)用較早的一類熱固性樹(shù)脂,它最早興起于1935年,一般是通過(guò)尿素和甲醛反應(yīng)聚合得到[3]。UF是歷史悠久的濕強(qiáng)劑之一,但是在其制備反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生游離甲醛,對(duì)人體和環(huán)境的危害性巨大,且反應(yīng)條件苛刻、損紙、不易回收,現(xiàn)已被各國(guó)禁止使用。

    三聚氰胺甲醛樹(shù)脂也是應(yīng)用早且使用廣泛的濕強(qiáng)劑之一,其通過(guò)三聚氰胺和甲醛縮合而成。MF有3種類型,分別為陽(yáng)離子型、陰離子型和非離子型,其中陽(yáng)離子型在造紙濕強(qiáng)劑中應(yīng)用的最廣泛[4]。作為造紙用濕強(qiáng)劑,MF的穩(wěn)定性差、水溶性差,且必須在酸性條件下使用,反應(yīng)中伴隨著游離甲醛的產(chǎn)生,對(duì)人體和環(huán)境危害極大,因此使用受到一定的限制。

    1.2 雙醛淀粉(DAS)及聚乙烯亞胺(PEI)

    雙醛淀粉是淀粉經(jīng)高碘酸或其鹽類化合物氧化得到的變性淀粉[5-6],也稱作碘酸氧化淀粉[7],其分子中含較多活性高、易于反應(yīng)的醛基,有許多優(yōu)越的性能,因此應(yīng)用范圍較廣泛,可用于造紙、制革、醫(yī)藥等行業(yè)[8]。DAS分子鏈上的醛基與纖維上的羥基反應(yīng)形成半縮醛,進(jìn)一步形成縮醛,從而起到增濕強(qiáng)作用。DAS與纖維間的反應(yīng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)可逆的平衡過(guò)程,當(dāng)紙張浸入水中時(shí)縮醛結(jié)構(gòu)被破壞,紙的濕強(qiáng)度迅速降低,因此DAS產(chǎn)生的濕強(qiáng)度是暫時(shí)性的。

    聚乙烯亞胺易溶于水,在紙漿中通常與明礬共同作用,一般是通過(guò)乙烯亞胺在酸性催化劑的作用下發(fā)生縮聚形成。PEI的分子鏈上含有眾多的伯、仲、叔胺基團(tuán),且含有較多支鏈,是一種陽(yáng)離子密度非常高的聚合物,能與帶負(fù)電的纖維發(fā)生靜電吸附作用,形成由次價(jià)力交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò),從而提高紙張的濕強(qiáng)度。PEI的優(yōu)點(diǎn)眾多,其中最突出的是在其制備反應(yīng)過(guò)程中不產(chǎn)生有機(jī)氯和甲醛等有毒氣體,既保護(hù)了環(huán)境也節(jié)約了后處理成本。但是,其使用效果一般,會(huì)影響紙張的白度,使紙張發(fā)黃。

    1.3 聚酰胺環(huán)氧氯丙烷樹(shù)脂(PAE)

    聚酰胺環(huán)氧氯丙烷樹(shù)脂是目前使用最廣泛的濕強(qiáng)劑之一[9-10],其pH使用范圍寬,增濕強(qiáng)效果好,且加入后不影響紙張的柔軟性,成紙強(qiáng)度高。但是,在PAE的生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生致癌的有機(jī)氯,極大降低了它的使用價(jià)值,國(guó)內(nèi)外的研究人員正致力于對(duì)PAE的改性研究以消除其負(fù)面影響。PAE的合成路線如圖1所示[11]。

    圖1 聚酰胺環(huán)氧氯丙烷的合成過(guò)程

    在PAE的生產(chǎn)過(guò)程中有機(jī)氯的產(chǎn)生機(jī)理為[11]

    宋英琪等[12]對(duì)PAE進(jìn)行改性,制備了一種低有機(jī)氯含量的改性PAE樹(shù)脂,并探討了其對(duì)紙張性能的影響。首先,二乙烯三胺和己二酸在催化劑對(duì)甲苯磺酸的作用下合成中間體聚酰胺;然后,中間體聚酰胺與環(huán)氧氯丙烷反應(yīng),將三乙胺和陽(yáng)離子改性劑加入到反應(yīng)中,制得改性PAE樹(shù)脂。結(jié)果表明:在低氯PAE樹(shù)脂的最佳制備條件下,其有機(jī)氯含量低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.7%,且紙張的干強(qiáng)度、濕強(qiáng)度、撕裂度以及耐折度與原紙相比均有不同程度的提高。

    王?;ǖ萚13]用三羥甲基硅烷(TMP)和硅烷偶聯(lián)劑(KH560)同時(shí)改性PAE,制得了一種無(wú)氯高支化環(huán)保型濕強(qiáng)劑,并探究此改性PAE對(duì)紙張強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明,在打漿度為55 °SR、濕強(qiáng)劑用量為1%的條件下,干濕抗張強(qiáng)度及耐折度分別提高了48.34%、60.37%、11%。

    范丹等[14]利用KH-560(硅烷偶聯(lián)劑)對(duì)PAE進(jìn)行改性,制備了一種新型環(huán)保濕強(qiáng)劑CPAE,并利用有機(jī)胺對(duì)該反應(yīng)體系進(jìn)行了有效的后處理,使得有機(jī)氯含量大大降低,由原來(lái)的5%降低到0.5%以下。在CPAE用量為1%的條件下抄紙,紙張的濕強(qiáng)度較使用未改性PAE時(shí)顯著提高,干抗張指數(shù)提高了25.1%,濕抗張指數(shù)提高了91.1%,抗張強(qiáng)度保留率提高了52.5%。

    毛萃等[15]利用聚乙二醇二縮水甘油醚(PEGDE)對(duì)PAE進(jìn)行改性,制備了固含量為20%的高效PAE濕強(qiáng)劑,并對(duì)濕強(qiáng)劑的增濕強(qiáng)效果進(jìn)行探討。結(jié)果顯示:該濕強(qiáng)劑能顯著提高紙頁(yè)熟化前的濕強(qiáng)度,當(dāng)濕強(qiáng)劑用量分別為0.2%和1.0%時(shí),紙張熟化前的濕抗張指數(shù)分別提高16%和34%;而且,改性PAE的有機(jī)氯含量大大降低,較未改性前低47%。

    李旺等[16]利用尿素對(duì)PAE進(jìn)行改性,制備了一種低成本的改性PAE。將改性PAE加入到漿料中,充分?jǐn)嚢韬筮M(jìn)行抄片,然后放入101℃烘箱熟化30 min,測(cè)得加入自制改性PAE的紙頁(yè)抗張強(qiáng)度保留率為24.5%左右,而且改性PAE還具有優(yōu)于傳統(tǒng)PAE的抗水性。

    2 環(huán)保型濕強(qiáng)劑

    雖然傳統(tǒng)濕強(qiáng)劑的增濕強(qiáng)效果好,但在其生產(chǎn)時(shí)往往伴隨著有機(jī)氯和甲醛的產(chǎn)生,對(duì)環(huán)境和人體產(chǎn)生的危害不容忽視,使用范圍受限。因此,環(huán)保型濕強(qiáng)劑將是今后發(fā)展的方向。

    2.1 聚羧酸類濕強(qiáng)劑

    聚羧酸類濕強(qiáng)劑環(huán)保、清潔、無(wú)污染,屬于環(huán)境友好型濕強(qiáng)劑,應(yīng)用價(jià)值較高。聚羧酸類濕強(qiáng)劑可作為含有機(jī)氯濕強(qiáng)劑的替代品,且經(jīng)過(guò)該濕強(qiáng)劑處理之后的紙張濕強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性和挺度均有所提高。但是,由于需要經(jīng)過(guò)高溫熟化和酸處理,對(duì)紙張的耐折和抗張性能產(chǎn)生了負(fù)面影響。在室溫條件下,紙頁(yè)中存在的酯交聯(lián)結(jié)構(gòu)即可水解,易回收。當(dāng)前,聚羧酸類濕強(qiáng)劑主要包括2類[17]:一類是低分子量的均聚物,包括丁烷四羧酸(BTCA)、聚馬來(lái)酸(PMA)、聚丙烯酸(PAA)和三元共聚物(TPMA)等濕強(qiáng)劑;另一類是高分子量的羧酸-多亞乙基馬來(lái)酸(EMA)濕強(qiáng)劑。

    XU等[18]的研究發(fā)現(xiàn),丁烷四羧酸比丁二酸、馬來(lái)酸等的增濕強(qiáng)效果好,但是成本更高,難以推廣應(yīng)用。PMA和TPMA與BTCA的結(jié)構(gòu)類似,增濕強(qiáng)效果也相近,但成本大大降低。

    聚羧酸類濕強(qiáng)劑發(fā)揮增濕強(qiáng)作用的機(jī)理包含2個(gè)過(guò)程:(1)聚羧酸中的兩個(gè)相鄰羧基脫水,形成中間產(chǎn)物環(huán)狀酸酐,它是紙張濕強(qiáng)度提高的決定步驟[19-20];(2)環(huán)狀酸酐與纖維發(fā)生酯化反應(yīng),在纖維表面形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)。

    雖然聚羧酸類濕強(qiáng)劑存在功能單一、成本高等缺點(diǎn),但是可以通過(guò)改性來(lái)開(kāi)發(fā)更有效的聚羧酸類濕強(qiáng)劑,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

    2.2 殼聚糖

    近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)殼聚糖在造紙中的應(yīng)用研究非?;钴S,其生產(chǎn)原料豐富且容易獲取,是一種無(wú)毒無(wú)害的含氧多糖,結(jié)構(gòu)中的線性分子鏈?zhǔn)怯裳踹B接無(wú)水葡萄糖形成的[21-22],在自然界中的分布非常廣泛。殼聚糖是一種天然陽(yáng)離子型的線形高分子聚合物,能將纖維牢固地黏附在一起,還能在纖維之間架橋。由于其分子鏈上存在許多氨基和羥基,能夠和纖維上的負(fù)電荷發(fā)生靜電吸附作用,形成離子鍵,增強(qiáng)了纖維之間的結(jié)合力,也易與纖維表面的羥基形成氫鍵。因此,殼聚糖可作為造紙濕強(qiáng)劑。

    殼聚糖分子鏈上的氨基能與金屬離子產(chǎn)生螯合作用,可用于消除不利于制漿造紙的多價(jià)金屬離子。將2.0%的殼聚糖加入到闊葉木硫酸鹽漿中,能夠讓紙張的濕強(qiáng)度提高約50%[23]。然而,作為造紙濕強(qiáng)劑,殼聚糖也存在許多缺點(diǎn),如成本高、難溶于水等。為了提高增濕強(qiáng)效果,需要對(duì)殼聚糖進(jìn)行一定程度的改性,主要是根據(jù)造紙功能助劑的需要有選擇性地接枝功能單體。

    2.2.1 提高殼聚糖的水溶性

    CHEN等[24]通過(guò)?;磻?yīng)利用馬來(lái)酸酐(MA)對(duì)殼聚糖進(jìn)行改性,引入親水性的羧基以提高了其水溶性,得到了改性馬來(lái)酸酐-?;瘹ぞ厶牵∕AAC),并在不同預(yù)處理及固化條件下測(cè)定了MAAC對(duì)紙張的增濕強(qiáng)效果。結(jié)果表明:當(dāng)預(yù)處理溫度較高時(shí),MAAC對(duì)紙張的增濕強(qiáng)效果也相對(duì)提高;MAAC對(duì)紙張的增濕強(qiáng)效果可達(dá)到PAE的80%,因此可以在一定程度上替代PAE。

    2.2.2 與聚丙烯酰胺的接枝共聚

    曹麗云等[25]研究發(fā)現(xiàn),殼聚糖接枝聚丙烯酰胺后的濕強(qiáng)度顯著高于僅添加殼聚糖的濕強(qiáng)度,通過(guò)分析加入助劑前后的紅外圖譜,發(fā)現(xiàn)吸收峰無(wú)明顯變化,說(shuō)明助劑與纖維間則沒(méi)有形成共價(jià)鍵,推測(cè)濕強(qiáng)度的增加可能是由于助劑中的氨基與纖維上的羧基形成了離子鍵,同時(shí)助劑也加強(qiáng)了纖維間原有氫鍵的結(jié)合。

    2.2.3 與殼聚糖組成的交聯(lián)體系

    CHEN等[26]在催化劑Zn(NO3)2的作用下將殼聚糖與乙二醛進(jìn)行交聯(lián),探究該交聯(lián)體系的增濕強(qiáng)效果,結(jié)果表明,相較于單獨(dú)添加交聯(lián)體系中的一種或它們的混合物,交聯(lián)聚合物對(duì)紙張的增濕強(qiáng)效果更好。WU等[27]將殼聚糖-戊二醛交聯(lián)體系加入到紙漿中,發(fā)現(xiàn)與未添加助劑以及僅添加殼聚糖的紙樣相比,當(dāng)該交聯(lián)聚合物的添加量為2%時(shí),紙張的濕抗張強(qiáng)度分別提高930%和200%。WU等[28]將濕紙張先用CMC(羧甲基纖維素)處理后,再用殼聚糖-CMC復(fù)合物涂布,濕抗張強(qiáng)度有較大提高,且涂布層數(shù)越多,紙張濕抗張強(qiáng)度提高越多。與未涂布的紙張相比,經(jīng)殼聚糖-CMC處理后的濕抗張強(qiáng)度提高了650%。

    2.3 二元增濕強(qiáng)體系

    2.3.1 PAE/羧甲基纖維素(CMC)

    CMC在水中溶解后是透明的黏性溶液,加入到紙漿中能將纖維包裹起來(lái),在紙頁(yè)干燥脫水時(shí),CMC上的羥基和羧甲基與纖維上的羥基形成氫鍵,從而使紙張強(qiáng)度提高。此外,由于CMC的電負(fù)性,加入紙漿后可以增加陽(yáng)離子型助劑在纖維上的結(jié)合位點(diǎn),進(jìn)而提高紙張的各項(xiàng)強(qiáng)度性能。

    SIQUEIRA等[29]對(duì)PAE-CMC復(fù)合物提高紙張濕強(qiáng)性能的機(jī)理進(jìn)行了研究,通過(guò)核磁共振波譜和傅里葉變換紅外光譜圖發(fā)現(xiàn),PAE中的氮雜環(huán)丁烷基團(tuán)與CMC的羧基形成了酯鍵;通過(guò)對(duì)紙張的熱處理發(fā)現(xiàn),PAE-CMC復(fù)合物提高紙張的濕強(qiáng)度是通過(guò)共交聯(lián)與自交聯(lián)相結(jié)合的方式,且自交聯(lián)對(duì)紙張濕強(qiáng)性的提高受PAE加入量的影響;加熱處理能夠促使交聯(lián)酯鍵的形成。此外,由于CMC的水溶性,當(dāng)加入PAE時(shí)可以形成均相反應(yīng)體系。

    2.3.2 PAE/納米纖維素

    由于NCC(納米微晶纖維素)的比表面積大、羥基含量高,將其加入到紙漿后能夠與纖維緊密結(jié)合,使纖維之間的結(jié)合增強(qiáng);同時(shí),由于大量羥基的存在,導(dǎo)致NCC的離子鍵容易通過(guò)氫鍵作用產(chǎn)生團(tuán)聚,使得NCC不易分散,這極大限制了NCC的應(yīng)用。

    AHOLA等[30]將PAE與NCC組成的二元增濕強(qiáng)體系加入到紙漿中,發(fā)現(xiàn)紙頁(yè)的干、濕性能均提高,且先添加PAE再添加NCC對(duì)紙張的增濕強(qiáng)效果更好。楊艷等[31]以針葉木、闊葉木漿為原料,先加入0.1%的PAE,再加入0.6%的NCC,對(duì)由針葉木、闊葉木混合漿所抄紙張,加入NCC后的濕抗張指數(shù)增加13.3倍,干抗張指數(shù)增加42.9%;對(duì)由闊葉木漿抄成的紙張,加入NCC后的濕抗張指數(shù)增加18.8倍,干抗張指數(shù)增加74.7%。通過(guò)兩種漿的對(duì)比發(fā)現(xiàn),此種添加方式對(duì)闊葉木漿的增濕強(qiáng)效果顯著。王愛(ài)姣等[32]研究了陽(yáng)離子淀粉和CNF(纖維素納米纖絲)及PAE和CNF兩種二元增濕強(qiáng)體系,結(jié)果表明:陽(yáng)離子淀粉和CNF的二元增濕強(qiáng)體系對(duì)紙張干強(qiáng)度的增強(qiáng)效果顯著,當(dāng)陽(yáng)離子淀粉添加量為2.0%,CNF添加量為0.3%時(shí),紙張的干抗張強(qiáng)度是未經(jīng)處理紙樣的1.65倍,是陽(yáng)離子淀粉單獨(dú)處理紙樣的1.26倍;PAE和CNF的二元增濕強(qiáng)體系能顯著提高紙張的濕強(qiáng)度,當(dāng)PAE添加量為0.5%,CNF添加量為0.3%時(shí),紙張的濕抗張強(qiáng)度是未經(jīng)處理紙樣的6.2倍,是PAE單獨(dú)處理紙樣的1.76倍。

    2.3.3 PAE/海藻酸鈉(SA)

    海藻酸鈉是從海藻、海草中提取出來(lái)的一種天然多糖,分子鏈上存在豐富的羥基,有著安全、穩(wěn)定、增稠、乳化等特性,常被用作造紙?zhí)砑觿?,用于增?qiáng)紙張的性能。

    類延豪等[33]將SA與PAE組成的二元增濕強(qiáng)體系應(yīng)用到廢紙中,探究該二元體系對(duì)廢紙濕強(qiáng)度的影響,結(jié)果顯示,廢紙的濕強(qiáng)度明顯提高,且增濕強(qiáng)效果比只用PAE好,也降低了PAE用量,有利于環(huán)保。對(duì)該二元體系的增濕強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行探究,發(fā)現(xiàn)PAE與SA不反應(yīng),而是在二者的協(xié)同作用下,利用靜電吸附和膜包覆,增加纖維對(duì)PAE的吸附以及PAE的自交聯(lián)和與纖維之間的共交聯(lián),從而增加了纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度和結(jié)合面積,改善了廢紙的性能。宋曉磊等[34]研究了SA與PAE二元增濕強(qiáng)體系中SA的最佳黏度,以及在最佳黏度下PAE與SA的最佳配比,得出最佳黏度為350 mPa·s,PAE與SA的最佳質(zhì)量比為3∶2,在此條件下紙樣的濕抗張指數(shù)較空白紙樣和單獨(dú)加入相同量PAE的紙樣分別提高43.3倍和2.5倍。

    3 濕強(qiáng)劑的作用機(jī)理

    濕強(qiáng)度是指紙張浸濕后所保留的強(qiáng)度,未經(jīng)處理的紙張?jiān)跐?rùn)濕后只能保持原有干強(qiáng)度的4%~10%左右[35],而對(duì)于某些具有特殊要求的紙張,則需要添加能夠提高其濕強(qiáng)度的濕強(qiáng)劑。因?yàn)榧垙埨w維上存在大量羥基,使得在水分子浸入時(shí),纖維之間的氫鍵遭到破壞,纖維間的結(jié)合強(qiáng)度受損,濕強(qiáng)度大大降低。

    紙張的強(qiáng)度與纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度及纖維自身的強(qiáng)度有關(guān),與纖維在紙張中的排列也有關(guān)。決定紙張強(qiáng)度的關(guān)鍵是纖維之間的氫鍵結(jié)合,纖維分子鏈上含有大量的羥基,而羥基之間會(huì)形成氫鍵,給予紙張一定的強(qiáng)度[36]。當(dāng)加入濕強(qiáng)劑后,紙張內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,其內(nèi)部不僅存在纖維與纖維間的氫鍵,濕強(qiáng)劑聚合物大分子與纖維上的官能團(tuán)也會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成新的化學(xué)鍵,而化學(xué)鍵的鍵能比氫鍵強(qiáng),所以紙張纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度大大增強(qiáng)。濕強(qiáng)劑大分子間也會(huì)發(fā)生交聯(lián)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),覆蓋在纖維表面形成一層防水層,防止紙張吸水潤(rùn)脹,從而提高紙張的濕強(qiáng)度。

    增濕強(qiáng)機(jī)理一般包括以下幾個(gè)方面[37]:(1)將易溶于水的低聚物添加到抄紙的過(guò)程中,其能在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入纖維間,在一定條件下,低聚物通過(guò)交聯(lián)形成高聚物,高聚物分子鏈上的基團(tuán)與纖維的羥基反應(yīng)形成新的化學(xué)鍵,從而增強(qiáng)紙張的強(qiáng)度。(2)部分合成的高聚物無(wú)法進(jìn)入到纖維的內(nèi)部,沉積于纖維之間的空隙中,與纖維形成互穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),減少纖維潤(rùn)脹,防止紙頁(yè)變形。(3)剩余的高聚物存在于纖維的表面,加入固化劑后,會(huì)在纖維表面形成一層致密的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),將纖維包裹起來(lái),使纖維性能穩(wěn)定,紙張的濕強(qiáng)性能提高。

    NDUNLOP-JONES等[38]提出,當(dāng)紙張潤(rùn)濕后,為保留其初始強(qiáng)度,一般會(huì)有以下幾種辦法:(1)通過(guò)添加助劑形成不易被水破壞的共價(jià)鍵;(2)形成一個(gè)包覆在纖維表面的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);(3)增強(qiáng)表面交聯(lián),加強(qiáng)和保護(hù)已形成的纖維共價(jià)鍵。綜上,一般濕強(qiáng)劑的作用機(jī)理主要包括:(1)保護(hù)機(jī)理,即在纖維間或表面形成互穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),阻止水分子進(jìn)入;(2)增強(qiáng)機(jī)理,即高聚物與纖維上的羥基、羧基反應(yīng)形成抗水性的化學(xué)鍵,能夠抵抗水分子的破壞。

    由于濕強(qiáng)劑的種類繁多,作用機(jī)理復(fù)雜,下面主要介紹PAE分子間及與纖維間的作用機(jī)理[39],如圖2所示。由圖2可知,PAE濕強(qiáng)劑的作用機(jī)理主要有兩種解釋[11]:PAE支鏈上的氮雜環(huán)基團(tuán)能夠與自身的氨基發(fā)生自交聯(lián),在纖維間或表面形成三維互穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而提高紙張的濕強(qiáng)度;PAE與纖維上的羧基形成酯鍵,使得原有的氫鍵結(jié)合力被破壞,形成了化學(xué)鍵結(jié)合力,使得纖維之間的結(jié)合力增強(qiáng),從而提高紙張的濕強(qiáng)度。

    圖2 PAE分子間及與纖維間的作用機(jī)理

    4 結(jié)束語(yǔ)

    通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)型和環(huán)保型兩大類濕強(qiáng)劑的概述可以看出,造紙濕強(qiáng)劑種類繁多,但能在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用的并不多,成本和環(huán)保問(wèn)題是限制其應(yīng)用的主要原因;關(guān)于環(huán)保型濕強(qiáng)劑的研究很多,但是距離規(guī)?;?、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有較大的差距??v觀濕強(qiáng)劑行業(yè)的發(fā)展,開(kāi)發(fā)成本低、效果好、環(huán)境友好的改性濕強(qiáng)劑及復(fù)合型濕強(qiáng)劑是今后的發(fā)展趨勢(shì),例如對(duì)PAE進(jìn)行物理或化學(xué)改性,生產(chǎn)低氯或無(wú)氯的環(huán)保型濕強(qiáng)劑;采用PAE與CMC、納米纖維素、SA等組成二元增濕強(qiáng)體系,也可以顯著增加紙張的濕強(qiáng)度。

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