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聚丙烯酰胺在造紙作用很大

聚丙烯酰胺在造紙幹強劑方面的應用

    幹強劑是造紙工業中增加紙張強度的一類重要化學品,真正意義上使用和開發增幹強劑是從20世紀50年代初開始的,以聚丙烯酰胺成功工業化爲標志。聚丙烯酰胺是一類性能優良且環境友好型的高分子聚合物,已被稱爲“標准造紙助劑”,在各國造紙工業中所占的比例越來月中。

    聚丙烯酰胺是由它的單體聚合得到的水溶性聚合物,可以合成分子量幾千至幾千萬的聚合物。分子量低的部分進入纖維細孔,沒有紙張增強劑的效果;分子量過大,凝集作用大,導致紙張的組織不勻,紙張的增強效果也不好。作爲紙張幹強劑的適當分子量爲20萬-50萬。根據離子基團的不同可分爲陰離子聚丙烯酰胺(APAM)、陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)和兩性聚丙烯酰胺(AmPAM)。

    1.紙張幹強劑的作用機理

    幹強劑的種類繁多,關于其增強機理衆說紛纭,目前主要集中在以下幾個方面:

    (1)纖維間氫鍵結合和靜電吸附時幹強度産生的主要原因,特別時氫鍵集合點多,結合力強(鍵能82kj/mol),加入幹強劑後能加強氫鍵結合。一些分子中含有各種活性基,可以和纖維上的羟基産生強的分子間相互作用及氫鍵結合。

    (2)幹強劑也是纖維的高效分散劑,能使紙漿中的纖維分布更均勻,可以改善紙頁成形,提供更加均勻的纖維間的結合,使纖維間及纖維與高分子之間結合點增加,從而提高幹強度。

    (3)幹強劑能夠提高細小纖維留著和紙頁濾水,從而改善濕紙頁的固結。

    由于聚丙烯酰胺屮酰胺基1:的氫易與纖維中的羟基結合,加強了氧鍵的結合作用,使紙張的強度增加。

    2.陰離子聚丙烯酰胺

    在各类型聚丙烯酰胺中,陰離子聚丙烯酰胺的发展历史最长、技术最为成熟,其具有成本低、优异的表面活性、应用广泛的优点。其方法是通过丙烯酰胺和丙烯酸共聚、在聚合物链上引入离子化的羧基,另外还可以通过聚丙烯酰胺的部分酸胺基在碱性条件下水解而得到。

    通过新型引发体系,控制阴离子聚丙烯酰酰的分子量,结果发现,分子量偏低时,有利于增加抗张强度;分子量偏高时,有利于增加耐破和耐折度。就陰離子聚丙烯酰胺的合成进行了研究,改变反应条件获得了不同分子量的聚内烯酰胺。结果发现合成的分子量为25.5万的陰離子聚丙烯酰胺使纸张的裂断长提高27%,耐破指数提高69.4%。分子量在16万的陰離子聚丙烯酰胺对撕裂度和耐折度的影响比较大,分别提高了92%和13.8%。

    3.陽離子聚丙烯酰胺

    早在20世纪60年代就有陽離子聚丙烯酰胺的合成报道,至今其研究和应用已非常普遍。最初的阳离子聚内烯酰胺是由自由基聚合制备非离子聚丙烯酰胺,然后与甲醛及二甲胺通过Marmich反应得到胺甲基聚丙烯酰胺,它含有一种阳离子侧基。聚丙烯酰胺的胺甲基化反应按1:1.2(物质的量)之比使甲醛与二甲胺混合后生成二甲胺基甲醇,然后与PAM反应生成陽離子聚丙烯酰胺,其优点是游离甲醛少(0.5%),産品稳定期长。在对聚丙烯酰胺进行Marmich改性过程中,通过单因素优化法确定了一步法投料方式等最佳反应条件,结果发现一步法反应效果比两步法具有更大的优越性。

    目前采用甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵 (DMC)、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)、甲基丙烯酸-2-{N,N-二甲氨基)乙酯(DM)、丙烯酸-2-(N,N-二甲氨基)乙酯(DA)、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)等廉价的阳离子单体与丙烯酰胺共聚能获得良好增强效果的聚合物。这类産品相对于阳离子改性法制备的聚丙烯酰胺稳定性好,价格低廉,是今后值得大力发展的一类産品。有美国专利将二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化按(DMC)共作阳离子单体与丙烯酰胺反应制得的陽離子聚丙烯酰胺可明显提高纸张的干强度。采用乳液聚合的方法合成了一系列使用方便、稳定性好、适用于酸、中、碱性抄造系统的阳离子PAM乳液型干强剂。因此,当添加量为1.0 %(对绝干浆)时,成纸抗张指数、撕裂指数和耐破指数分别较空白样增加了28.4%、41.5%和24.2%。采用苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺和阳离子单体在引发剂过硫酸铵的引发下进行乳液共聚制备出了四元阳离子干强剂,用11.0%(对绝干浆)时可使纸张环压指数提高10%以上,挺度提高8%以上而且具有良好的溶解性。以丙烯酰胺、醋酸乙烯酯、丙烯酸丁酯为原料,在过硫酸钾引发下,通过乳液共聚反应制得一种造纸用增干强剂,该乳液对纸张的增强效果显著。

    以甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)和丙烯酰胺(AM)为单体,又进行了低分子量陽離子聚丙烯酰胺的水溶液共聚合成,对影响聚合的因素,如引发剂、聚合单休浓度、阳离子单体的含量作了探讨,并结合其对瓦楞原纸的环压强度的增强效果进行了各因素的优化,结果发现陽離子聚丙烯酰胺的分子量为40万左右时最适合于作瓦愣原纸的环压强度增强剂;低分子量陽離子聚丙烯酰胺用作环压强度增强剂时,合适的用量是0.4%-0.6%。

    4.兩性聚丙烯酰胺

    兩性聚丙烯酰胺由于其链上同时含有正负两中电荷基团,与仅含有一种电荷的阳离子或陰離子聚丙烯酰胺相比,具有更明显的“反聚电介质效应”和PH实用范围广等特点,在造纸工业中作为干强剂成为国内外研究的热点。研究了核壳乳液聚合法合成兩性聚丙烯酰胺乳液造纸增强剂,同时研究了反应单体配体、引发剂用量、反应时间和反应温度等对AmPAM乳液性能及对成纸增强效果的影响,发现合成的AmPAM乳液具有良好的增强作用,当添加量为0.3%时,成纸环压指数、裂断长和耐破指数分别提高20.3%、24.6%和30.3%。同时该AmPAM乳液型增强剂固含量高,减少了包装和运输费用。在DMC/AM/AA的基础上又加了丙烯腈(AN)。从抗张指数和环压指数两方面考虑,干强剂分子中AN的含量越多,聚合物极性越大,分子刚性越大,同时可以与纸纤维形成较强的分子间力,增强效果明显;但用量过大时,干强剂分子中阳离子基团和阴离子基团的含量相对下降,会降低其与纤维的结合程度。从而引起抗张指数和环压指数的下降。从耐折度考虑,由于增加AN的用量时,干强剂分子上的极性基团越多,分刚性越大,耐折度就越小。以丙烯酰胺、丙烯腈、丙烯酸和促进剂MPA为原料合成兩性聚丙烯酰胺纸用干强剂,具有优良的增强效果,成纸挺度可提高18%-20%,断链长可提高20%-25%,耐折度可提高60%-90%,成纸各项指标均高于其它厂家。

    以丙烯酰胺(AM)和甲基丙烯酰氧基乙基三甲基氯化按(DMC)为单体,以过硫酸钾一亚硫酸氢钠为引发剂,采用水溶液聚合的方法合成了稳定的助剂陽離子聚丙烯酰胺(CPAM),以阔叶木浆为浆枓,助剂用量为 0.2%-0.4%,浆料的pH值为7,打浆度为35°SR,抄造定量为60g/m2的纸张,可使纸张的抗张指数增加30%以上,耐破指数增加20%以上,耐折度增加70%以上,撕裂指数提高不大。

    5.新型交聯或接枝型聚丙烯酰胺

    随着目前原料、抄纸环境的显著变化,陽離子聚丙烯酰胺也有了种种改进。国内外开发出的新型支化或交联型聚丙烯酰胺使用效果优于传统的合成聚合物干强剂。如丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺经引发剂引发聚合得到交联型共聚物,再经Mannich反应得到阳离子聚合物可作为纸张干强剂使用。以芭蕉芋淀粉为原料合成了芭蕉芋淀粉磷酸酷,然后将淀粉磷酸酷与丙烯酰胺进行接枝共聚,将合成产物阳离子化后作为干强剂使用,取得了理想的效果。以玉米淀粉、丙烯酰胺为原料合成了淀粉接枝聚丙烯酰胺(St-PAM),研究了反应条件对接枝效率、接枝率和单体转化率的影响规律,用正交实验优化了反应条件,结果发现在定量、抗拉强度和裂断长方面,淀粉接枝聚丙烯酰胺的效果优于聚丙烯酰胺的;但在撕裂度和耐折度方面,聚丙烯酰胺的效果优于淀粉接枝聚丙烯酰胺的。通过对聚丙烯酰胺的优化,将窄分子量陰離子聚丙烯酰胺的相对分子质量控制在30-50万之间,然后与阳离子淀粉进行接枝,由于窄分子量聚丙烯酰胺相对分子质量分布范围较窄,因此接枝后助剂相对分子质量分布较均匀,增强效果应优于阳离子淀粉及窄分子量聚丙烯酰胺单独使用,而且接枝后所得的助剂可直接使用,不需再加入硫酸铝,减少了生产程序,降低了生产成本。将淀粉溶解后,加入丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯酰胺及二甲基二烯丙基氯化铵进行接枝共聚,即可得到乳液型改性淀粉增干强剂,用0.6%-1.0% (对绝干浆)时可使纸的干强度增加20%以上,由于接枝的分子链主要是柔性链,使耐撕裂度提高3%以上。

    6.結束語

    聚丙烯酰胺是一種非常有效的造紙用幹強劑,具有用量低、操作方便、效果明顯等優點。不僅能夠提高紙張強度,而且還有很好的助留助濾效果,可降低t紙漿料消耗及成本。由于我國造紙原料中草類所占比例較大,急需開發性能更好的漿內幹強劑。所以,充分利用各類幹強劑的優勢,研制開發適用于我國造紙生産尤其是草類和廢紙原料的高效價廉、性能穩定的幹強劑十分必要。對于聚丙烯酰胺與其它增強劑的共用研究是近來國內外發展的重要趨勢,這方面仍需要更進一步的深入研究。

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