水包水CPAM乳液的制備和助留助濾性能研究

鄭 艷 沈一丁 李培枝

(陜西科技大學輕化工助劑化學與技術教育部重點實驗室,陜西西安,710021)

·水包水CPAM·

水包水CPAM乳液的制備和助留助濾性能研究

鄭 艷 沈一丁 李培枝

(陜西科技大學輕化工助劑化學與技術教育部重點實驗室,陜西西安,710021)

采用雙水相共聚法,制備了高固含量(37%～44%)的穩定水包水CPAM乳液;采用紅外光譜、透射電鏡和熱失重-差熱分析對水包水CPAM乳液進行了結構與性能表征;對比了水包水CPAM單元體系和水包水CPAM-膨潤土雙元體系的助留助濾性能。結果表明,水包水CPAM單元體系能夠顯著改善漿料的留著與濾水性能;水包水CPAM-膨潤土雙元體系的助留助濾性能優于水包水CPAM單元體系的,其最佳優化工藝參數為:w(CPAM)=0.06%(對絕干漿,下同)、w(膨潤土)=0.2%、接觸時間50 s、加入膨潤土前后的攪拌速率分別為750 r/min與300 r/min、pH值7.4、無NaCl,在該條件下,漿料的單程留著率93.1%,比水包水CPAM單元體系的高2.4個百分點,濾水時間16.5 s,縮短了2.5 s。

水包水CPAM乳液;性能表征;助留助濾;膨潤土

(＊E-mail:gulingyiying@163.com)

Abstract:A new stable cationic polyacrylamide(CPAM)water emulsion with a high solid content(37%～44%)was prepared through aqueous two-phase copolymerization in ammonium sulfate(PS)solution containing self-makingpolyelectrolyte(PDMC)and polyether(PAB)as dispersion agent and stabilizing agent respectively.The structure and properties of CPAM emulsion were characterized by infra-red spectrum (FT-IR),trans mission electron microscopy(TEM)and weightlessness(TG-DTA)testing.The single CPAM system and CPAM-bentonite micro-particle system were both used as the retention and drainage aid of hardwood pulp.The optimal parameters are as follows:w(CPAM) (on O.D.pulp)=0.06%,w(bentonite)(onO.D.pulp)=0.2%,reaction time 50 s,shear rate 750 r/min and 300 r/min before and after adding bentonite respectively,pH 7.4,c(NaCl)=0,and under these conditions,the drainage time of the furnish is 16.5 s,one-pass retention is 93.1%。The results showed that,water-in-water type CPAM can be used as an efficient retention and drainage aid in papermaking.Comparingwith the single system,CPAM-bentonite micro-particle system can increase retention rate and reduce drainage time by 2.4 points and 2.5 s respectively.

Key words:water-in-water emulsion of cationic polyacrylamide;characterization;retention and drainage aid;bentonite

目前,采用雙水相共聚法制備水包水CPAM乳液已成為國際上相關學者研究的熱點[1-6],此產品的相對分子質量和固含量高、溶解性能優異。該聚合體系消除了其他傳統聚合體系的有機溶劑污染及聚合產物溶解困難的缺點。水包水CPAM乳液在造紙工業中的應用具有舉足輕重的作用,根據相對分子質量與所帶電荷的不同,水包水CPAM乳液可用作造紙助留助濾劑、增強劑、施膠劑、分散劑和絮凝劑等[7-10]。本實驗主要是在硫酸銨(PS)溶液中以過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉(KSP-NaHSO3)為引發劑引發單體聚合,以聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(PDMC)為分散劑、烯丙基嵌段聚醚(PAB)為穩定劑制備了性能穩定的水包水CPAM乳液,并采用紅外光譜(FT-IR)、透射電鏡(TEM)和熱失重-差熱(TG-DTA)分析對水包水CPAM乳液進行結構與性能表征。最后,對比了水包水CPAM單元體系和水包水CPAM-膨潤土雙元體系的助留助濾性能。

1 實 驗

1.1 試劑

闊葉木漿(打漿度42°SR)取自山東青島某紙廠;造紙用改性膨潤土購自成都優武特股份有限公司,甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯(DM)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)、PAB均為工業品;磷酸二氫鈉、碳酸鈉購自天津市福晨化學試劑廠,為化學純;丙烯酰胺(AM)、KSP、NaHSO3、乙酸(CH3COOH)購自天津市科密歐化學試劑有限公司,乙二胺四乙酸(EDT A)、PS購自天津市福晨化學試劑廠,為分析純。

1.2 水包水CPAM乳液的合成

PDMC的合成 將一定量的DMC和去離子水加入密閉燒瓶中,水浴加熱到一定溫度后加入引發劑KSP-NaHSO3,反應若干小時即得陽離子聚電解質PDMC。

水包水CPAM乳液的合成 將AM、DM、PDMC、EDTA、PAB及去離子水按一定比例分別先后加入圓底燒瓶中,置于恒溫水浴鍋內,攪拌的同時加入PS,并充分溶解,當溫度升至一定的水浴溫度后,通氮30 min,加入引發劑KSP-NaHSO3。待體系內部達到一定溫度后,加入CH3COOH,繼續反應若干小時,冷卻即得水包水CPAM乳液。

1.3 助留助濾實驗

1.3.1 水包水CPAM單元體系助留助濾實驗

每次取加有0.5 g滑石粉的闊葉木漿500 mL,漿濃0.5%,倒入動態濾水儀DDJ內,打開開關,控制轉速,并同時加入一定量的自制水包水CPAM乳液。一定時間后,打開排水閥,并用秒表計時,當量筒收集滿100 mL濾液時,關閉排水閥并記錄好該濾水時間。

1.3.2 水包水CPAM-膨潤土雙元體系助留助濾實驗

按1.3.1的方法進行,只是在加入水包水CPAM乳液30 s后加入膨潤土,以300 r/min的轉速攪拌20 s后打開閥門收集濾液,并同時用秒表記錄濾水時間。

1.4 測試方法與儀器

相對分子質量的測定 用烏式黏度計測定共聚物特性黏度[η]。再利用公式M r=802×[η]1.25計算黏均相對分子質量M r。

表觀黏度的測定 用上海產NDJ-79旋轉式黏度儀于25℃下測定水包水CPAM乳液的表觀黏度。

固含量的測定 采用回滴定法測定殘余的碳-碳雙鍵,通過殘余單體含量計算固含量。

粒徑的測定 采用ALV/CGS-3激光光散射儀測量聚合物粒子的粒徑分布情況。

FT-I R測定 將產物除去無機鹽,烘干,用VECTOR-22傅里葉紅外光譜儀測定其紅外光譜。

TG-DTA測試 將產物成膜烘干后用STA.409PC綜合熱分析儀測定產物熱失重。

1.5 漿料單程留著率的計算

將收集的通過動態濾水儀DDJ的濾液抽濾烘干并稱重,再根據式(1)計算得出漿料的單程留著率:

式中:FPR為漿料單程留著率,%;

C為濾液中漿料的質量分數,%;

C0為原漿料的漿濃,%。

2 結果與討論

2.1 制備水包水CPAM乳液的工藝參數

通過反復的實驗,得出了制備該水包水CPAM乳液的優化工藝參數,如表1所示。

2.2 水包水CPAM乳液的性能分析

2.2.1 水包水CPAM乳液的物理性能

對水包水CPAM乳液的物理性能指標進行了檢測,如表2所示。

表1 自制水包水CPAM乳液的優化工藝參數%

表2 自制水包水CPAM乳液的物理性能

2.2.2 水包水CPAM乳液的FT-IR分析

自制水包水CPAM乳液FT-IR譜圖見圖1。圖1 中,1330.07 cm-1處為C—N伸縮振動,2934.64 cm-1處為—N+(CH3)結構中甲基的特征吸收峰; 1111.10 cm-1處附近的吸收峰為C—O—C的伸縮振動吸收峰;1671.59 cm-1處的強吸收峰為酰胺基的羰基吸收峰,1724.68 cm-1處的吸收峰為共聚物鏈接上酯羰基吸收峰。各單體單元的特征吸收峰在譜圖中均已出現,表明產物是DM/AM/PAB共聚物。同時,在1620～1670 cm-1處之間無的強吸收峰出現,證明單體完全參加了共聚反應。

圖1 水包水CPAM的FT-I R譜圖

2.2.3 水包水CPAM乳液的TEM分析

自制水包水CPAM乳液的TEM圖如圖2所示。由圖2可知,水包水CPAM乳液顆粒較為均勻地分散在硫酸銨鹽水介質中,聚合物顆粒基本呈球形。由于CPAM雙水相聚合體系穩定性機理的研究還處于不夠成熟的階段,所以圖2中也出現了少量的顆粒凝聚,不過自制的水包水CPAM乳液較為穩定。

圖2 水包水CPAM乳液的TEM圖

2.2.4 水包水CPAM乳液TG-DTA分析

水包水CPAM乳液的TG-DTA圖如圖3所示。由圖3可知,該水包水CPAM乳液的熱失重主要分為兩個階段:當T=235℃時,水包水CPAM開始熱分解; 在235℃≤T≤311℃階段,DTA曲線上出現較大吸熱峰,證明水包水CPAM發生熱分解,當T=235℃和T=311℃時,水包水CPAM的TG分別為92.0%和57.4%,即在235℃≤T≤311℃階段,水包水CPAM的熱失重率為34.6%,這也與酰胺基團的熱分解理論值35.5%相對應;在T>440℃時,由于無機鹽的存在,水包水CPAM質量隨溫度不再發生變化。該自制水包水CPAM乳液具有較好熱穩定性,熱分解溫度在235℃以上。

圖3 水包水CPAM水分散液的TG-DTA圖

2.3 水包水CPAM單元體系的助留助濾性能

2.3.1 水包水CPAM用量的影響

圖4 水包水CPAM用量對漿料FPR和濾水性能的影響

水包水CPAM用量對闊葉木漿的FPR和濾水性能的影響如圖4所示。從圖4可以看出,隨著水包水CPAM用量的增加,漿料FPR顯著提高,濾水時間明顯縮短;當w(CPAM)=0.06%(對絕干漿,下同)時,漿料的FPR達到最大,這是因為此時體系中正負電荷已經達到平衡,水包水CPAM的助留效果最佳,之后隨著水包水CPAM用量的增加,漿料的FPR趨于平緩,而濾水時間有所增加。這可能與水包水CPAM用量較大所引起的大絮團減少濾水透氣的空隙有關。

為獲得較好的助留助濾效果,選w(CPAM)= 0.06%最佳,此時漿料FPR達到90.7%,濾水時間為19 s。

2.3.2 接觸時間的影響

接觸時間是指在攪拌狀態下從加入水包水CPAM乳液到打開DDJ排水閥時這一階段的時間,接觸時間對闊葉木漿的FPR和濾水性能的影響如圖5所示。

圖5 接觸時間對漿料FPR和濾水性能的影響

從圖5可以看出,隨著接觸時間的延長,漿料的FPR先增加后降低,后又有所回升,濾水時間先下降然后較快升高;當接觸時間為50 s時,漿料濾水性能最好,濾水時間為19 s,漿料纖維留著性能較好, FPR=90.7%;當接觸時間大于50 s以后,漿料濾水性能都變差。

2.3.3 攪拌速率的影響

不同攪拌速率下,水包水CPAM乳液對闊葉木漿FPR和濾水性能的影響如圖6所示。由圖6可知,當攪拌速率為750 r/min時,水包水CPAM的助留助濾效果最優,漿料的FPR達到90.7%,濾水時間為19 s。但當攪拌速率大于750 r/min時,較高的攪拌速率打散了水包水CPAM與纖維之間的絮團且這種破壞是不可逆的,所以降低了漿料的留著與濾水性能。

2.3.4 NaCl濃度的影響

NaCl濃度對闊葉木漿的FPR和濾水性能影響如圖7所示。從圖7可以看出,隨著NaCl濃度的提高,漿料的FPR逐漸降低,濾水時間先增加后降低,但總體變化幅度很小。這是由于引入的雜質離子可能會與一部分水包水CPAM發生電荷中和反應,打破了電荷平衡,從而降低了水包水CPAM的助留效果。鹽離子的引入對本實驗闊葉木漿的留著和濾水性能影響甚微,證明自制水包水CPAM具有較好的抗鹽離子干擾能力。

2.3.5 pH值的影響

pH值對闊葉木漿的FPR和濾水性能影響如圖8所示。由圖8可知,隨著pH值的升高,漿料的FPR逐漸升高然后降低,這可能與纖維的潤脹有關;當pH值≥8.0以后,漿料濾水性能下降較快。兼顧水包水CPAM對漿料的助留和助濾作用,在中性條件下(6.5≤pH值≤8.0),漿料具有較高的FPR和較短的濾水時間,這證明自制水包水CPAM適宜現在工業上對中性條件的要求,具有較強的應用性能。

2.4 水包水CPAM-膨潤土雙元體系的助留助濾性能

圖8 pH值對漿料FPR和濾水性能的影響

在水包水CPAM-膨潤土雙元助留助濾系統中,膨潤土用量對闊葉木漿的FPR和濾水性能的影響如圖9所示。從圖9可以看出,隨著膨潤土用量的增加,漿料FPR先增加后降低,濾水時間先縮短后延長,當w(膨潤土)=0.2%時,漿料的FPR最大, 達93.1%,而此時濾水性能也較好,濾水時間為16.5 s。這是因為膨潤土和CPAM構成了雙元助留助濾體系,發揮了兩者的協同效應。絮團在加入膨潤土之前高速剪切力的作用下被打散成較小的帶正電的碎團后,帶負電荷的膨潤土在低速攪拌下與這些帶正電荷的碎團相互接觸吸引而形成比以前更小且致密的絮凝體,顯著改善漿料的留著和濾水性能。

圖9 膨潤土用量對漿料FPR和濾水性能的影響

膨潤土的加入能夠改善漿料的留著和濾水性能, 當w(膨潤土)=0.2%時,對漿料的助留助濾綜合性能最優,FPR達93.1%,濾水時間為16.5 s,比水包水CPAM單元系統對漿料的FPR提高了2.4個百分點,其濾水時間縮短了2.5 s。

3 結 論

本實驗通過雙水相聚合法獲得了固含量和相對分子質量高、溶解性好等綜合性能優異的水包水CPAM乳液。

3.1 采用紅外光譜、透射電鏡與熱失重分析對水包水CPAM乳液的結構和性能進行表征。結果表明,自制水包水CPAM乳液顆粒基本上呈球形,體系均勻分散,穩定性好且具有較好的熱穩定性,熱分解溫度為235℃。

3.2 助留助濾應用實驗表明,水包水CPAM乳液能夠顯著改善漿料留著與濾水性能,且水包水CPAM-膨潤土雙元體系的助留助濾效果優于水包水CPAM單元體系的。水包水CPAM-膨潤土雙元體系的最佳工藝參數為:w(CPAM)(對絕干漿)=0.06%、w(膨潤土)=0.2%、接觸時間50 s、加入膨潤土前后的攪拌速率分別為750 r/min與300 r/min、pH值7.4、無NaCl,此時,漿料的單程留著率為93.1%,濾水時間為16.5 s。

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(責任編輯:陳麗卿)

Preparation ofWater-in-water Emulsion of Cation ic Polyacrylam ide and Its Application as Retention and Dra inage A id

ZHENG Yan＊SHEN Yi-ding L I Pei-zhi

(Key Laboratory of Auxiliary Chem istry&Technology forLight Chem ical Industry,M inistry of Education, Shaanxi University of Science&Technology,Xi'an,Shaanxi Province,710021)

鄭 艷女士,在讀碩士研究生;主要研究方向:造紙化學品合成及應用。

TS727

A

0254-508X(2010)08-0029-05

2010-04-23(修改稿)

陜西省13115重點項目(2007E118);陜西科技大學研究生創新基金資助項目。