NVF-SM-DMDAAC共聚物無皂乳液的紙張增強性能研究

楊廣聰 陳少平★ 程亞嬋 吳燕紅 趙欣怡

（福建師范大學化學與化工學院，福建 福州 350007）

陽離子聚合物乳液由于乳膠表面帶有正電荷，對帶負電荷的表面具有較好的黏結力而得到廣泛的應用。在造紙工業中，其主要用作增強劑[1]、表面施膠劑[2]、助留助濾劑[3]、漿內施膠劑和涂布黏合劑[4]。二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC）是常用的陽離子單體，其均聚物及共聚物具有相對分子量大、電荷密度高、高效低毒、水溶性好等優點，但自身產生的排斥效應和空間位阻效應使其反應活性較低，與活性高的丙烯酰胺（AM）的共聚時，其分子量與陽離子度很難同時提高，而且黏度大、DMDAAC轉化率低[5-7]。N-乙烯基甲酰胺(NVF)是丙烯酰胺的同分異構體，其聚合活性較AM低，將NVF與DMDAAC共聚，可提高DMDAAC的轉化率[8]。由于DMDAAC和NVF均為水溶性單體，所形成的共聚物疏水性差，筆者通過引入疏水性單體苯乙烯（SM）與NVF和DMDAAC共聚，合成了NVF-SM-DMDAAC三元共聚物（PNSD）無皂乳液，目前尚未見其用于紙張增強研究的報道。本文通過考察不同乳膠粒徑和不同表面陽離子量的PNSD乳液對桉木紙張的干、濕抗張強度和環壓強度的影響，為開發環保高效紙張增強劑提供理論試驗依據。

1 試驗部分

1.1 原料與儀器

PNSD乳液，課題組提供，參數見表1；桉木紙漿（打漿度300SR），福建某紙廠提供。

肖氏打漿度儀，長春市紙張實驗機廠；ZQJ-B型紙頁抄造器，西北輕工業學院機械廠；WG-3型切紙刀，湖南偉科儀器儀表公司；FQHYD127環壓專用取樣器，四川長江造紙儀器有限責任公司； WZL-300紙張拉力儀和DYSY-1壓縮試驗儀，杭州輕通儀器開發公司。

表1 PNSD乳液的參數

1.2 紙張的抄造

稱取紙張定量為60g/m2所需的紙漿，加入100 mL水，在改進的食品攪拌機內進行疏解至打漿度為30oSR，在機械攪拌下加入PNSD乳液，在紙張抄造器上制作紙樣。抄造過程中，pH始終維持在7.8～8.0。

1.3 紙頁機械性能的測試

參考GB/T 2679.8—1995、GB/T 12914—1991和GB/T 465.2—2008，將紙頁恒溫恒濕4 h以上，分別在WZL-300紙張拉力儀和DYSY-1壓縮試驗儀上測定紙張干、濕抗張強度指數和環壓指數。

2 結果與討論

2.1 PNSD乳液對紙張環壓強度的影響

圖1考察了表面陽離子量接近、乳膠粒徑不同的PNSD對紙張環壓指數的影響。從圖1中可以看出，乳膠粒徑越小，對提高紙張的環壓強度越明顯。如粒徑為110nm的PNSD-C1，在添加量為0.1%和0.25%時，紙張的環壓指數可以從5.21N·m/g增加到6.21N·m/g和6.55N·m/g，增大了19%和26%；而粒徑為736 nm的PNSD-C5僅使紙張的環壓指數增大了9%（添加量0.1%）和14%（添加量0.25%）。這是因為粒徑小的PNSD-C1更容易進入紙張纖維間的縫隙，尤其是細小的纖維之間，乳膠粒子中苯環的剛性結構可以更好地發揮對纖維的支撐作用，所以它的環壓增強效果較好。

圖1 乳膠粒徑對紙張環壓指數的影響

從圖2可看出，當乳膠粒徑接近，紙張環壓指數與乳膠粒表面陽離子量成正相關。如PNSD-P1的陽離子量為0.81mmol/g，當添加量為0.1%和0.25%時，紙張的環壓指數從5.21N·m/g分別增加到6.00N·m/g和6.47N·m/g，增大了15%和24%；而陽離子量為1.32mmol/g的PNSD-P4，則可使環壓指數增大29%（添加量0.1%）和33%（添加量0.25%）。這可解釋為PNSD所帶的陽離子越多與纖維表面的靜電結合越強，使苯環能更好地在纖維與纖維之間起到支撐和堅固的作用，表現出更好的增強環壓的效果。

圖2 乳膠陽離子量對紙張環壓指數的影響

2.2 PNSD乳液對紙張干抗張強度的影響

圖3 考察了表面陽離子量接近，乳膠粒徑不同的PNSD對紙張干抗張指數的影響。從圖3中可看出，乳膠粒徑對紙張的干抗張強度的增強效果也是粒徑越小越明顯。如PNSD-C1的粒徑為110 nm，0.1%和0.25%添加時，紙張的干抗張指數從18.78N·m/g分別增加到21.75N·m/g和22.14N·m/g，增大了16%和18%；而粒徑最大的PNSD-C5僅使紙張的干抗張指數增大了7%（添加量0.1%）和10%（添加量0.25%）。這可解釋為乳膠粒徑小可以均勻地分散到紙張纖維的縫隙之間，通過聚合物分子中的氨基或陽離子基團與纖維中的官能團形成氫鍵或靜電結合，從而使得紙張干抗張強度增大。

如圖4所示，當乳膠粒徑接近，表面陽離子量不同的PNSD對按木漿添加后紙張的干抗張指數隨著添加量的增大而增大；表面陽離子量越大，紙張干抗張指數增大幅度越明顯。如PNSD-P1的表面陽離子量為0.81mmol/g，當添加量為0.1%和0.25%時，紙張的干抗張指數從18.78N·m/g增加到20.20N·m/g和21.90N·m/g，分別增大了7%和17%；而表面陽離子量為1.32 mmol/g的PNSD-P4使紙張的干抗張指數增大了12%（添加量0.1%）和23%（添加0.25%）。這可解釋為陽離子乳膠粒能在帶負電的纖維表面通過靜電結合定著，表面陽離子量越大粒子表面陽離子基團就越多，與纖維中官能團的靜電結合作用就越強；增大樣品添加量可以吸附更多的纖維，且靜電結合增多，從而有利于提高紙張的干抗張強度。

圖3 乳膠粒徑對紙張干抗張指數的影響

圖4 乳膠陽離子量對干抗張指數的影響

2.3 PNSD乳液對紙張濕抗強度的影響

從圖5可看出，當添加量為0.1%時，添加PNSD-C1、PNSD-C2、PNSD-C3、PNSD-C4和PNSD-C5使紙張的濕抗張指數從1.40N·m/g增加到1.86N·m/g、1.77N·m/g、1.73N·m/g、1.65N·m/g和1.50N·m/g，分別增大33%、26%、24%、18%和7%；對于粒徑為110nm樣品PNSD-C1，在添加量為0.25%時可以使濕抗張指數增大54%，說明當乳膠的表面陽離子量接近的場合，粒徑較小的PNSD對紙張的濕抗張增強效果較好。

圖5 紙張濕抗張指數與乳膠粒徑的關系

圖6 指出，當乳膠粒徑接近，表面陽離子量不同的PNSD在同樣的添加量下，紙張的濕抗張指數隨乳膠的陽離子量的增大而增大。在添加量為0.1%時和0.25%時，乳膠陽離子量最大的PNSD-P4的添加，可使紙張的濕抗張指數從1.40N·m/g-1增加到1.87N·m/g-1和2.09N·m/g-1，增大了34%和49%，可見增大添加量可以提高紙張濕抗張強度，且表面陽離子量大的PNSD對紙張的濕抗張增強效果更好。

圖6 紙張濕抗張指數與表面陽離子量的關系

3 結束語

（1）PNSD乳液的乳膠粒徑和表面陽離子量對紙張增強效果有較大的影響。

（2）在表面陽離子量接近情況下，乳膠粒徑小的PNSD對桉木紙張增強效果優于粒徑大的PNSD乳液。

（3）在乳膠粒徑接近情況下，表面陽離子量大的PNSD對桉木紙張增強效果大于陽離子量小的PNSD乳液。

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