濕強劑改性及其應用

植志強，陳栩鑫，覃玉英，何淑嫻，孔素蘭，顏進華

（廣東輕工職業技術學院，廣東 廣州 510300）

聚酰胺環氧氯丙烷（PAE）是自帶陽離子的具有反應性含氮雜環結構的濕強劑，因能與纖維形成共價鍵，自身分子間也交織成鍵，具有紙品濕強劑增強的2層效果：保護機理和增強機理，且能自留著，在較寬pH范圍內作用，成為應用最廣泛的濕強劑。

干強劑是紙品纖維增強的另一類添加劑，增強的機理是，與纖維間的成鍵數量多，因而干強劑相對分子質量大，分子結構上與纖維的成鍵基團豐富。陽離子淀粉（CS）和聚丙烯酰胺（PAM）是最常用的干強劑。

一般地，干強劑開發與應用以PAM為基礎，通過與低成本的組分（如淀粉）共聚、接枝、交聯等方法，降低成本，提高留著；而以PAE為中心的改性，并應用于干強劑的研究還較少。

本文從濕強劑PAE出發，利用其自留著性，將含豐富羥基的成分，比如淀粉和聚乙烯醇，通過適當改性方式，連接到PAE分子上，增加與纖維的成鍵數量，以實現干強劑的增強效果。

1 實驗

材料：PAE（來自生產廠家），PAM干強劑（來自生產廠家），聚乙烯醇（PVA）（PVA 1799 和 PVA 1788），CS，取代度0.03，某公司提供。

方法：采用CS改性PAE（以下記為增強劑1號系列）和PVA改性PAE（以下記為增強劑2號系列），配成質量分數為15%固含量的改性產品，抄紙時，溫度105℃下真空干燥。完全干燥的紙樣品標記后，即裝入塑料袋中備用。

檢測：采用相關國家標準測試耐破度。

2 結果與分析

2.1 增強劑1號的增強效果

增強劑1號系列是CS與PAE配用的增強改性產品，CS與PAE的配用比例不同，其增強效果不一樣，固定CS用量為5%質量分數（以紙漿質量計，下同），改變混合物中PAE的用量，所得增強劑應用于抄紙，抄紙時固定添加用量1%質量分數（以紙漿質量計，用量忽略固形物濃度，下同），圖1顯示了增強劑1號中PAE用量對其增強效果的影響。

圖1 增強劑1號中PAE用量對其增強效果的影響

從圖1可看出，PAE用量為15%質量分數時（以紙漿質量計，下同），增強劑1號的增強效果最好。

圖2顯示了增強劑1號的混合制備溫度對其增強效果的影響。試驗條件：CS用量為5%，PAE用量為10%。

圖2 增強劑1號的混合制備溫度對其增強效果的影響

從圖2可看出，增強劑1號的混合制備溫度相對低時其增強效果好。以下試驗的混合制備溫度均取55℃。

圖3顯示了增強劑1號的CS與PAE混合質量比對其增強效果的影響。

從圖3看出，CS與PAE混合時，由于二者均帶正電，相互之間存在排斥，混合時反應交聯的程度較低，影響對纖維的增強，二者混合比例越接近一致，增強效果越差。當PAE繼續增多，CS的電性不足夠抵抗PAE，與之交聯的機會增多，紙樣強度得到提高；而不加淀粉的純濕強劑抄紙強度不高，說明淀粉與纖維的結合力較濕強劑高?？梢酝茰y，這里采用原淀粉，也可以實現協同增強的效果。

圖3 增強劑1號的CS與PAE混合質量比對其增強效果的影響

雖然混合液增強劑中PAE占比越多，抄紙后增強效果越明顯，但增加幅度均不大。CS是相對便宜的材料，綜合起來，選用更多的CS較合算，這里m（CS）∶m（PAE）為1∶3較好。 選用該比例時增強劑1號的不同用量對抄紙增強效果的影響如圖4所示。

圖4 CS與PAE混合質量比為1∶3時增強劑1號的不同用量對其增強效果的影響

從圖4看出，CS與PAE混合的增強效果很突出，混合后的增強劑1號用量越多，增強效果越好，當用量為1.5%時，比不加的空白紙樣增加了24%。

2.2 增強劑2號的增強效果

增強劑2號系列是PVA與PAE配用的增強改性產品，PVA與PAE的配用比例不同，其增強效果不一樣，固定PVA（PVA為1788）用量為3%質量分數（以紙漿質量計，下同），改變混合物中PAE的用量，溫度為60℃，混合時間為1 h，所得增強劑應用于抄紙，抄紙時固定添加用量1%質量分數（以紙漿質量計，用量忽略固形物濃度，下同），圖5顯示了PAE用量對增強劑2號增強效果的影響。

圖5 增強劑2號中PAE用量對其增強效果的影響

從圖5可看出，PAE用量越多，增強效果越好，而純的PAE增強效果并不理想，考慮到PVA比PAE便宜些，這里選15%，即PVA和PAE的質量比為1∶5更合適。

選用該比例，添加不同用量增強劑2號進行抄紙，測試其對增強效果的影響；另外，為了比較PVA 1788和PVA 1799這2種PVA的效果，相同方法配制了PVA 1799與PAE的混合物，并測試2種混合液對紙樣增強效果的影響。上述2項檢測結果均見圖6。

圖6 增強劑2號的不同用量對其增強效果的影響

從圖6看出：PVA和PAE混合而成的增強劑2號增強效果比干強劑好；PVA 1799和PAE混合而成的增強劑2號增強效果比PVA 1788更好。

2.3 CS和PVA分別與PAE組成的混合液的增強效果對比

由上看出，PAE與親水性大分子如CS和PVA均可以混合使用，均能提高紙品的干強度。CS是原淀粉羥基化學改性的產物，CS的陽離子電荷，使羥基間弱鍵變為電性吸引，增加了與纖維間的吸附力。資料研究表明，CS的留著率達90%，而陰離子留著率不到40%[1]。但CS分子結構仍是淀粉，即具有支鏈和直鏈結構，并不是線型分子，且葡萄糖單元的空中椅式結構占有空間較大。這種結構一方面與紙漿纖維接觸容易，另一方面，分子自身較大的空間阻礙其在纖維上的纏繞，增強受到影響。

PAE是完全線性大分子，羥基數量龐大，溶解后羥基在水中伸展，與纖維的接觸點多，由于機械接觸遠不如電性吸附牢固，雖沒有文獻報道PVA直接抄紙的留著率數據，可以想象PVA直接與纖維混合抄紙留著很低，但PVA纖維與紙漿一起抄紙，增強效果明顯[2]7-11。PVA也一直是重要的紙品增強的表面施膠劑[2]7-11。如何實現PVA在纖維上的留著是關鍵。當PVA與PAE混合并加熱處理，PVA的羥基與PAE上的反應性基團進行初步化學固著，隨PAE在纖維上的留著而保留下來，可以實現PVA抄紙對紙品的增強效果。

對上述增強劑1號和增強劑2號進行對比，重新抄紙，用量均為1%，檢測紙樣強度，并與干強劑、濕強劑及不加助劑的紙樣進行對比，測試結果如表1所示。

從表1可看出，增強劑1號和增強劑2號均表現出比干強劑更好的增強效果，其中PVA 1799的增強效果最好。

3 結論

通過以上實驗及分析，可以得出以下結論：

（1）CS與濕強劑PAE以1∶3質量比混合可以作為干強劑，增強效果比干強劑更好。

（2）PVA與濕強劑PAE以1∶5質量比混合可以作為干強劑，增強效果超過干強劑。

（3）以上2種混合增強劑中：PAE的效果比CS更好；PVA 1799的效果比PVA 1788更好。