表面施膠型 AKD乳液的生產工藝控制

邢仁衛 彭翠翠 陳夫山

(1.壽光蔡倫申興精細化工有限公司,山東壽光,262700;2.青島科技大學,山東青島,266042)

表面施膠型 AKD乳液的生產工藝控制

邢仁衛1彭翠翠1陳夫山2

(1.壽光蔡倫申興精細化工有限公司,山東壽光,262700;2.青島科技大學,山東青島,266042)

闡述了AKD乳液型表面施膠劑具體的生產工藝控制,對每步生產工藝均進行了詳細的介紹。實踐表明,AKD蠟粉的改性過程中需要注意避免其與水的接觸,從而避免 AKD水解反應的發生;AKD的熔融需要在密閉環境中進行,避免與空氣中水分的接觸,只有嚴格按照生產工藝生產,才能生產出效果良好的AKD表面施膠劑。

表面施膠;AKD乳液;生產;工藝

表面施膠劑主要包括改性淀粉、聚乙烯醇和共聚型產品,而共聚型產品有更好的使用效果,國內外對共聚型產品的開發研究也較多[1-5]。為了適應降低成本、提高瓦楞原紙以及箱紙板的抗水效果,人們將AKD乳液從漿內添加轉移到表面施膠,形成一種專門提高抗水性的表面施膠劑。

新型表面施膠型AKD乳液具有很高的熟化速度,應用于高強瓦楞原紙時一般下機 40 min后就達到全部施膠效果的 85%以上,復卷完成后基本上能夠達到其全部的抗水效果。這種新型表面施膠型 AKD乳液與漿內添加乳液不同,生產上要嚴格執行工藝要求,任何一點的差錯都有可能得不到合格的產品。本文介紹生產上的幾點經驗,希望能對提高該種產品的質量有一定的借鑒意義。

1 生產工藝流程

表面施膠型 AKD乳液與漿內添加 AKD乳液不同,需要先對 AKD蠟粉進行改性,后續工藝相似,但是各步驟的要求又不一樣,現將大體工藝列出如下:AKD蠟粉改性→改性蠟粉的熔融→乳化劑的加入→高速攪拌→熱水的加入→均質→快速冷卻→出料,即為產品。

2 生產工藝控制

2.1 AKD蠟粉的改性

AKD即烷基烯酮二聚體,它的分子中有 1個內酯環和 2個烷基側鏈,是一種不飽和內酯,熔點為40～50℃,外觀為蠟狀固體,在 65.5℃以上極易水解生成酮,應在低溫下保存,不宜長期存放。AKD的化學結構具有兩個特點:①擁有長碳憎液性能的官能團,即起施膠作用的基團;②擁有能與纖維素鍵合的反應基,能與纖維素發生作用,形成酯基,取得一定的施膠效果,但反應基也能與水反應,生成無施膠作用的水解物,影響施膠效果。根據 AKD的這種結構特點,為了使 AKD熟化速度加快,需要先對其進行改性。所選擇的改性劑應滿足兩個條件,一是具有能夠跟 AKD內酯環反應的基團;二是具有陽離子基團,能夠跟纖維直接結合。促進 AKD施膠熟化的機理為:能夠跟AKD的內酯環反應的基團先跟AK D反應,使其預先酯化,成為抗水基團,表現出施膠效果。在表面施膠時依靠改性劑的陽離子基團吸附于纖維之上,抗水基團朝上翻轉,無需再與纖維反應就表現出一定的抗水性,最終表現為施膠的熟化速度加快。

AKD改性中水的影響比較大,在實驗室小試驗時加入不同量的水進行 AKD改性,制成乳液后進行表面施膠實驗,具體結果如圖1所示。

圖1 AKD改性過程中水分的影響

由于AKD膠粒的反應官能團是內酯環,因此它除與纖維素羥基反應外,還與水發生反應使 AKD水解,最后的水解產物二烷基酮是一種穩定的蠟狀固體。這種酮與AKD相比沒有施膠效果,最新研究表明[6]:AKD和酮在玻璃表面具有較強的吸附能力,在纖維素表面 AKD有較強的吸附力,而酮則表現出較弱的吸附能力。酮在纖維表面的擴散方式說明它在纖維素表面的分子取向是不適合施膠的。圖1說明,水的參與確實會降低 AKD乳液的最終應用效果,因此,蠟粉與改性劑進行反應時必須杜絕水的參與,反應開始階段將周圍環境徹底干燥,反應釜先升溫到110℃,同時開動攪拌,將釜內所有的水分蒸干,然后降溫到 90℃時加入蠟粉和改性劑,反應 0.5 h后進入下一道工序。

另外,蠟粉與改性劑的反應溫度一定要控制在85～90℃,溫度過低影響反應速度,浪費蒸汽能源;溫度過高又會使副反應增多,不利于 AKD后續的施膠應用。

2.2 改性AKD蠟粉的熔融

熔融溫度主要影響最終產品的熟化速度,將改性好的 AKD按不同的熔融溫度制得乳液,應用于表面施膠時使紙張在 90℃烘箱中烘 1 min后,測其 Cobb值,具體結果如圖2所示。

圖2 熔融溫度的影響

由圖2可以看出,熔融溫度控制在 85～90℃比較合適,這不同于普通乳液的生產。普通 AKD乳液生產時,蠟粉的熔融溫度控制在 70～75℃,熔融釜大多是敞開式的,直接與外界空氣接觸。改性蠟粉的熔融溫度控制在 85～90℃,主要是為了促進 AKD與改性劑繼續反應,反應越充分,使用改性 AKD生產的表面施膠劑的施膠熟化速度就越快。同時為了防止空氣中的水分進入,發生多余的副反應,熔融釜要求密閉。

2.3 乳化劑的加入及初始乳液的形成

為了減少AKD水解現象發生,需要蒸發掉乳化劑中的部分水分才能應用。實驗室中對乳化劑的固含量進行調整,然后做成乳液,測定 Cobb值,具體結果如圖3所示。

圖3 乳化劑固含量的影響

圖3表明,乳化劑固含量增加,最終產品抗水性增強,但增強不是很明顯。為了節約能源、降低生產成本,確定乳化劑固含量需要提高至 35%。這樣乳化劑中還存在不少游離水,將乳化劑升溫到 75℃后加入熔融釜,開動高速攪拌,約 10 min后即得白色乳液。

2.4 熱水的加入

上道工序所得乳液為油包水型乳液,只有加入大量水后才能得到最終的水包水型乳液。將升溫到70℃的熱水慢慢加入到反應釜中,待 AKD乳液固含量達到 40%時快速加入剩余水,使乳液固含量為28%。在加水過程中一定要將高速攪拌開至最高速,同時反應釜溫度一定要維持在 75℃以上。

2.5 均質冷凝

形成穩定的水包水乳液之后,為了進一步降低其粒徑,進一步增加穩定性,必須要過兩遍均質機。通過工廠試驗表明,對于同樣性能的高強瓦楞原紙,使用過 2遍均質機的 AKD乳液用量比使用過 1遍均質機的要少約 20%,因為過均質機在減小乳液粒徑的同時,使得乳液的粒徑變得更小更均勻,比表面積更大。

均質完后就開始冷凝,由于表面施膠型 AKD固含量有 20%、18%、15%、13%幾種,上述工序完成后還有部分水沒有加入,冷凝前先要迅速加入剩余冷水,然后再通過冷凝片快速冷凝。工廠試驗表明,冷凝速度越快,表面施膠劑的效果越好。

2.6 出料

乳液制成后即可出料,出料時要通過 200目的濾網過濾,過濾后的乳液要盡量緩緩的放入儲存罐(桶),防止產生氣泡。

3 小 結

表面施膠型 AKD乳液不同于漿內添加型乳液,其生產一定不要按照原先的工藝進行。通過實驗研究,表面施膠型 AKD生產中值得注意的是:在進行AKD改性時要嚴格控制反應溫度為 85～90℃;密閉操作,嚴防空氣中水分的進入;熔融蠟粉的溫度在85～90℃之間;使用高固含量的乳化劑對最終的施膠熟化有一定的貢獻;添加熱水時注意 AKD的轉相過程,添加速度由慢到快,攪拌速度由低到高;最后均質時,最好過 2遍均質機;出料時必須用 200目的濾網進行過濾。上述工藝必須嚴格執行,否則產品用量就會大增,熟化速度降低。

[1] 靳光秀,沈一丁.苯乙烯馬來酸單酯共聚物乳液表面施膠劑的成與應用[J].中國造紙,2004,23(3):5.

[2] 雷永華,應用合成聚合物表面施膠劑提高紙板抗水性的生產踐[J].造紙科學與技術,2004,23(4):55.

[3] Furunaga,Toshikatsu,Yamanaka,et al.Surface sizing agent and recording paper comprising same[P].US:6423182,2002-07-23.

[4] Betremieux,Usseaux,Stoph,et al.Hydrophobic cationic dispersions stabilized by low molecularweightmaleimide copolymers forpaper sizing:US,6830657[P].2004-12-04.

[5] Isoqai,Akira.Research topics in internal and surface sizing[J].Japanese Journal of Paper Technology,2004,7:36.

[6] Wei Shen.An experimental investigation of the redistribution behavior of alkylketene dimmers and their corresponding ketenes[J].Colloids and Surface,2003(212):197.

The Control of AKD Surface Sizing Agent Production Technology

X ING Ren-wei1,＊PENG Cui-cui1CHEN Fu-shan2
(1.Shouguang Cailun Shenxing Fine Chem ical Co.,Ltd.,Shouguang,Shandong Province,262700;2.Q ingdao University of Science&Technology,Q ingdao,Shandong Province,266042)

In this article,the control of AKD surface sizing agent production technology,such as the modification of AKD wax requires to keep off the water in order to prevent from hydrolysis;the melting ofAKD requires a close environment to keep off the water in order to prepare an efficientAKD surface sizing agent,was discussed in detail.

surface sizing;AKD emulsion;production;production technology

TS753.9

B

0254-508X(2010)04-0059-03

邢仁衛先生,博士;壽光蔡倫申興精細化工有限公司造紙化學品研發中心主任;主要研究方向為造紙化學品。

(＊E-mail:xingrenwei007@163.com)

2009-11-26(修改稿)

(責任編輯:馬 忻)