瓦楞原紙環壓增強劑的合成與性能

李遠友 陳少平 孫淑秀 柯炳太 吳宗華（福建師范大學 化學與化工學院， 福建 福州 350007）

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瓦楞原紙環壓增強劑的合成與性能

李遠友 陳少平 孫淑秀 柯炳太 吳宗華
（福建師范大學 化學與化工學院， 福建 福州 350007）

摘 要：用乳液聚合的方法將玉米淀粉與軟單體NDT、硬單體YDT、交聯劑JLJ進行接枝共聚反應，制備了一種瓦楞原紙環壓增強劑，并考察其表面施膠性能。探討了單體淀粉質量比、硬軟單體比以及JLJ的用量對淀粉接枝共聚物的合成及表面施膠性能的影響。結果表明：當單體淀粉質量比為1.5:1、硬軟單體比為3:1、JLJ用量為2%、疏水劑用量為5%時，環壓增強劑的環壓強度指數比淀粉的提高了近12%，且抗水性比商品膠大。

關鍵詞：淀粉接枝共聚物 表面施膠劑 疏水劑 紙張性能

0 前 言

近年來，造紙工業得到迅速發展，但是在紙張原料方面，廢紙的使用量也是得到了逐年的遞增，隨著回用次數不斷增多，導致廢紙質量逐步下降[1-3]，廢紙漿纖維短，雜質多，成紙后力學性能大大降低。但是隨著人們對紙張品質要求不斷提高，造紙表面施膠技術在提高紙張品質、降低生產成本中占據越來越重要的位置，因而瓦楞原紙生產企業越來越重視表面施膠工藝的研究[4]。為了滿足企業對性能優異的表面施膠劑的需求，本研究將玉米淀粉充分氧化后糊化以提高其表面活性[5]，利用淀粉接枝共聚制備了一種淀粉接枝共聚物乳液并研究了其對瓦楞原紙的表面施膠效果。

1 試 驗

1.1 儀器與原料：

玉米淀粉、過硫酸銨、硫酸鋁、軟單體NDT、硬單體YDT、交聯劑JLJ、碳酸氫鈉等均為試劑純。

DYSY-1壓縮實驗儀，杭州輕通儀器開發公司； NDJ-1型黏度計，上海天平儀器廠；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鄭州長城科工貿有限公司；直流恒速電動攪拌器，上海市江星儀器有限公司；離心機，上海醫用分析儀器廠；吸水性 測定儀，杭州輕通博 科自動化技術有限公司。

1.2 淀粉接枝共聚物的合成

在裝有攪拌器、回流冷凝管、恒壓滴液漏斗的三口燒瓶中加入玉米淀粉、氧化劑和蒸餾水，50℃條件下反應45 min，升溫至90 ℃，在90 ℃條件下糊化0.5 h，降溫至80 ℃。加入NaHCO3以及單體，過10 min后再緩慢通過恒壓滴液漏斗滴加引發劑溶液，時間約為25 min。滴加完畢后反應1 h，再滴加交聯劑，再反應1 h后，冷卻至室溫，得到白色泛藍乳液即為產品。

1.3 淀粉接枝共聚物的性能測試

（1）pH值。將淀粉接枝共聚乳液倒入燒杯中，采用pH計進行測定。

（2）固含量。取0.5~1.0 g乳液于稱量瓶中，在105 ℃烘箱中烘干至恒重，計算百分率。

（3）黏度。采用NDJ—1型旋轉黏度計進行測定。

（4）機械穩定性。將乳液稀釋成一定濃度注入離心管內，采用離心機以 3 000 r/min的離心速率離心 5 min，觀察是否有漂油、聚集和分層等現象。

1.4 表面施膠

取一定量的玉米淀粉加入設定比例的氧化劑和硫酸鋁、水，在90 ℃條件下反應30 min，得淀粉糊液，再與接枝共聚物以一定比例復配制備成表面施膠液。

將瓦楞原紙（紙張定量91.6 g/m2，環壓強度指數3.16 N·m/g,Cobb120值為105.8）裁成20 cm ×18 cm的紙片，鋪在水平板上，將一定量配好的施膠液攪拌混勻后，均勻的涂在紙張表面，施膠量4 g/m2，置于室溫下自然晾干，將紙頁的施膠面緊貼照片烘干機上面的光板，烘干后，放入恒溫恒濕環境中平衡水分備用。

將紙張在恒溫恒濕（溫度為23 ℃，相對濕度為50）條件下裁出長12.5 cm、寬1.27 cm的樣條，在杭州輕通儀器開發公司生產的DYSY-1壓縮實驗儀上測定紙張環壓指數（單位：N·m/g）。在恒溫恒濕（溫度23±1 ℃，濕度50±1）的條件下將紙張裁出φ為12.5 cm的圓片，在吸水性測定儀測定紙片Cobb120值。

2 結果與討論

2.1 單體/淀粉質量比對淀粉接枝共聚物結構與性能的影響

單體/淀粉質量比對淀粉接枝共聚物乳液物化性質的影響如表1所示。隨著質量比的增大，單體用量的增加，單體的轉化率先升高后降低。單體用量低時，淀粉周圍的單體分子數較少，單體與淀粉骨架上活性中心碰撞的幾率較小，轉化率低。隨著單體用量增加，單體分子更容易擴散到淀粉活性中心附近，淀粉自由基平均引發接枝的單體數目增多，碰撞幾率增大，轉化率高。但是當單體用量過大，與接枝共聚反應競爭的單體均聚幾率增大，鏈轉移及鏈終止反應加快，使接枝反應處于競爭劣勢[6]；同時，碰撞頻率增加，又易產生反應不均勻（如局部交聯）現象，產生凝膠，體系黏度也增大，傳質受阻，導致聚合反應不完全。從圖表中也可以得出，乳液的機械穩定性隨著單體淀粉質量比的改變影響不大，沒有分層以及聚集現象產生[7]

表1 單體淀粉質量比對乳液性質的影響

所用紙張為瓦楞原紙，紙張定量91.6 g/m2，環壓強度指數3.16 N·m/g,Cobb120值為105.8。將上述糊化好的淀粉糊液與上述接枝共聚物乳液分別對瓦楞原紙進行單面表面施膠，得到單體淀粉質量比對紙張環壓強度指數和抗水性能的影響，如圖1和圖2所示。糊化淀粉單獨施膠時的環壓強度指數為4.12 N·m/g，Cobb120值為72.8.

圖1 單體淀粉質量比對紙張環壓指數的影響

圖2 單體淀粉質量比對紙張抗水性能的影響

由圖1可知，隨著單體淀粉質量比的升高，紙張的環壓指數呈現先增大后減小的趨勢。當單體淀粉質量比為1.5時，紙張的環壓指數達到4.62 N ·m/g，比未施膠的瓦楞原紙提高了46.2%，比糊化淀粉施膠的環壓強度指數提高了12.1%。由于淀粉分子結構與纖維十分相似，淀粉親和力較強，因此在表面施膠中表現出較大的強度，同時淀粉接枝共聚物中，硬單體具有一定的強度，功能單體的交聯作用也增強了瓦楞原紙的環壓強度。從圖2可知，單體淀粉質量比對紙張的抗水性能作用小，而且與糊化淀粉空白相比，對紙張的抗水性能也沒有明顯提高。

2.2 軟硬單體質量比對淀粉接枝共聚物性能的影響

本研究選NDT為軟單體，主要增加聚合物的成膜性和黏合性，同時賦予產物抗水性能等。NDT的玻璃化溫度較低，若其含量較高，則產品強度低，但成膜性好；YDT的玻璃轉化溫度高，作為硬單體，賦予聚合物較高的強度和硬度，但其含量高，則產品強度高，但成膜性不好。通過調整二者的比例，可制備出符合實際應用的理想乳液。

軟硬單體質量比對淀粉接枝共聚物乳液物化性質的影響如表2所示。隨著軟單體質量比的增加，淀粉接枝共聚物的轉化率呈現下降趨勢，同時其黏度增大非常明顯，流動性逐漸變差，機械穩定也逐漸變差，但成膜性能逐漸變好。說明軟單體量較多時，成膜性能雖然變好，但是容易聚集，導致乳液穩定性差。

表2 硬軟單體質量比對乳液性質的影響

從圖3和圖4可以看出，隨著硬軟單體比中軟單體量的增加，紙張的環壓強度指數逐漸下降，Cobb120值也逐漸減小，但不明顯，

圖3 軟硬單體質量比對紙環壓指數的影響

圖4 軟硬單體質量比對紙張抗水性能的影響

2.3 交聯劑JLJ用量對淀粉接枝共聚物性能的影響

交聯劑JLJ用量對淀粉接枝共聚物乳液物化性質的影響如表3所示。隨著交聯單體JLJ用量的增加，單體轉化率也逐漸小幅增加，但乳液黏度增加明顯，流動性也逐漸變差，當JLJ用量達到8%時，已經出現聚集狀態。這可能是JLJ作為一種交聯性單體，隨著用量的增加，把主單體淀粉交聯一起導致黏度增大。從圖5和圖6可以看出，隨著交聯劑用量的增加，紙張的環壓強度指數剛開始增加較為明顯，隨著用量繼續加大，環壓強度增大緩慢，當JLJ的用量在2%時基本上達到了較大值。隨著JLJ的用量的加大，Cobb值略有下降，抗水性能有所提高。

表3 交聯劑JLJ的用量對乳液性質的影響

圖5 JLJ用量對紙環壓指數的影響

圖6 JLJ用量對紙張抗水性能的影響

2.4 疏水劑與淀粉接枝共聚物復配物的表面施膠效果

為了提高淀粉接枝共聚物的抗水性能，將自制疏水劑與淀粉接枝共聚物按復配，再與氧化淀粉糊液共混和表面施膠。從圖7、圖8可以得出疏水劑與淀粉接枝共聚物復配后，隨著疏水劑用量的增加，抗水性能明顯改善，但環壓強度指數有所下降。當疏水劑用量超10%后，抗水性能基本不變。

3 結束語

（1）單體淀粉質量比為1.5:1、軟硬單體質量比為1:3、交聯劑用量在2%時，合成的淀粉接枝共聚物的穩定性好，黏度小，環壓強度指數比淀粉的提高了近12%。

圖7 復配物中疏水劑含量對紙環壓指數的影響

圖8 復配物中疏水劑含量對紙張抗水性能的影響

（2）添加5%的疏水劑可大幅提高淀粉接枝共聚物的抗水性能，且環壓強度指數下降不多。

參考文獻：

[1] 陳慶蔚. 廢紙造紙業的未來前瞻[J]. 中華紙業,2010 (19): 28-35.

[2] 宋嬌娜, 陳蘊智, 冀俊杰. 二次纖維新聞紙與國內外常用新聞紙性能的比較[J]. 黑龍江造紙, 2009, 36(4): 8-10.

[3] 顧民達. 中國造紙工業發展成就及存在問題[J]. 紙業縱橫, 2009, 30(8): 76-79.

[4] 詹新嶺,朱勇強,嚴麗君,等.合成聚合物表面施膠劑的最新研究進展[J]上海造紙,2006,37(5):42-48.

[5] 張光華,王帆,張萬斌,等.淀粉接枝共聚物瓦楞原紙表面施膠增強劑的制備及其應用[J]中國膠黏劑,2010,19(5):43-47.

[6] 王春雁, 李小瑞, 費貴強, 等. 淀粉接枝苯乙烯-丙烯酸酯表面施膠劑的制備及應用[J]. 中華紙業, 2010, 31(14): 41-45.

李遠友（1987—） 男 碩士研究生在讀 研究方向：精細化學品。879349070@qq.com.

陳少平（1956—） 女 博士 教授 研究方向：造紙化學與精細化工方面。chenshpn@fjnu.edu.cn.

共同通訊作者：

吳宗華（1957—） 男 博士 教授 研究方向： 高分子界面科學。E-mail:wuzonhua@fjnu.edu.cn.

Synthesis and Performance of Ring Crush Strengthening Agent for Corrugated board

LI Yuanyou ，CHEN Shaoping ，SUN Shuxiu ，KE Bingtai， WU Zonghua
(College of Chemistry and Chemical engineering,Fujian Normal University,Fuzhou 350007, China)

Abstract:The graft monomer of soft monomer DNT , hard monomer YDT and crosslinking agent JLJ onto corn starch were carried out by using emulsion polymerization,thus a corrugated ring crush strengthening agent was prepared and its’ surface sizability was studied. The influence of monomer composition, mass ratio of monomer and starch, the dosage of JLT on the synthesis of starch graft copolymer and its surface sizing performance were discussed in this study. The results show that the ring crush strength index of the extrusion strengthening agent increased nearly 12% than that of starch and water resistance was better than commercial gel when mass ratio of monomer and starch was 1.5:1, mass ratio of hard and soft monomer was 3:1, the dosage of JLT was 2%,and the dosage of the hydrophobic agent was 5%.

Keywords:starch graft copolymer; surface sizing agent; hydrophobic agent; performance of paper

*通訊作者：

作者簡介：[7] 鄭艷玲.淀粉接枝共聚物的結構與表面施膠性能[D].福州:福建師范大學，2013.