楊德清 劉溫霞

(山東輕工業(yè)學(xué)院造紙科學(xué)與技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濟(jì)南,250353)

AKD對(duì)滑石粉和絹云母的
改性效果與作用機(jī)理

楊德清 劉溫霞

(山東輕工業(yè)學(xué)院造紙科學(xué)與技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濟(jì)南,250353)

用AKD改性滑石粉和絹云母,滑石粉對(duì) AKD的吸附量和改性后的疏水性均大于絹云母,且在AKD與填料的質(zhì)量比較高的情況下,改性滑石粉的施膠效果好于改性絹云母的。AKD吸附于滑石粉和絹云母上,不降低施膠效果,并顯著提高紙張抗張強(qiáng)度。利用 FT-IR、XPS等手段就 AKD對(duì)填料改性機(jī)理的分析表明,AKD通過(guò)物理吸附沉積在滑石粉和絹云母上。在改性填料懸浮液的放置過(guò)程中,吸附于絹云母上的AKD比吸附于滑石粉上的水解速度慢,且其內(nèi)酯環(huán)基團(tuán)與絹云母表面的活性基團(tuán)發(fā)生了某種化學(xué)結(jié)合。

AKD;填料;改性;FT-IR;XPS

填料表面改性是指用物理、化學(xué)、機(jī)械等方法對(duì)填料表面進(jìn)行處理,根據(jù)實(shí)際需要有目的的改變填料表面的物理化學(xué)性質(zhì),如表面晶體結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)、表面能、表面潤(rùn)濕性、電性、表面吸附和反應(yīng)特性等,以滿足現(xiàn)代新材料、新工藝和新技術(shù)發(fā)展的需要。目前,造紙工業(yè)常用的填料主要包括滑石粉、碳酸鈣及高嶺土等無(wú)機(jī)填料。這些無(wú)機(jī)填料可以提高紙料的濾水性能,降低紙張生產(chǎn)過(guò)程中的能耗,改善紙張的光學(xué)性能、平滑度和印刷適性。但同時(shí)也會(huì)影響纖維間的氫鍵結(jié)合、并吸附大量施膠劑,降低紙張強(qiáng)度和施膠劑的施膠效率[1]。填料作為硬度遠(yuǎn)高于纖維素纖維的填充材料,還會(huì)增加抄紙?jiān)O(shè)備的磨損[2]。碳酸鈣填料的堿性特質(zhì)用于酸性抄紙?bào)w系中也會(huì)分解釋出二氧化碳和鈣離子而影響紙機(jī)的運(yùn)行并產(chǎn)生各種紙病。因此,為充分發(fā)揮填料的優(yōu)勢(shì),降低其不利影響,適應(yīng)各種紙張的加填要求,填料改性已經(jīng)成為造紙科學(xué)研究中的重點(diǎn)領(lǐng)域之一,如為減少造紙?zhí)盍咸妓徕}在機(jī)械漿中加填時(shí)的分解而進(jìn)行的酸穩(wěn)定改性[3-5];為降低填料對(duì)紙張強(qiáng)度的不利影響而進(jìn)行的淀粉、殼聚糖、纖維素及其衍生物、聚乙烯醇等水溶性聚合物包覆改性[6-9];為提高填料留著率而進(jìn)行的填料陽(yáng)離子化改性[10];為提高加填紙張的施膠性能而進(jìn)行的淀粉-脂肪酸包合物改性[11];將施膠與加填合二為一的填料疏水改性[12-15]等。其中,疏水改性的填料不但為紙張?zhí)峁┝肆己玫目顾阅?也減少了普通的施膠和加填對(duì)紙張強(qiáng)度造成的雙重?fù)p傷[15]。如果是利用未經(jīng)乳化的施膠劑直接對(duì)填料進(jìn)行吸附改性,還可省去乳化劑,降低施膠成本。因此,填料的疏水改性是一種具有廣闊應(yīng)用前景的填料改性方式。

滑石粉具有親脂性,是疏水改性研究中最常用的填料;絹云母作為填料取代部分高嶺土可明顯提高紙張的施膠性能[16]。AKD和石蠟由于熔點(diǎn)低且常溫下為固態(tài),吸附于填料上不易解吸而常用作填料的疏水改性劑,其中尤其以 AKD改性填料的施膠效率高[13,15]。然而,有關(guān)AKD對(duì)填料尤其是絹云母疏水改性和改性機(jī)理的系統(tǒng)研究很少。本實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)常規(guī)實(shí)驗(yàn)配以紅外光譜 (FT-I R)和 X射線光電子能譜(XPS)等分析手段,研究 AKD對(duì)滑石粉、絹云母的改性效果和作用機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料

AKD蠟片、AKD乳液、滑石粉 (3000目)、絹云母粉 (3000目)、CPAM (相對(duì)分子質(zhì)量 800萬(wàn))均為市售工業(yè)品;漂白闊葉木漿 (打漿度為 40°SR)取自山東某紙廠;鈉基改性膨潤(rùn)土由鈣基膨潤(rùn)土原礦經(jīng)由氟化鈉改性、提純后獲得,原礦取自山東濰坊,改性、提純方法參見(jiàn)參考文獻(xiàn) [17]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 AKD對(duì)填料的疏水改性

將填料 (滑石粉、絹云母)按 20%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分散在水中,調(diào)節(jié)懸浮液 pH值到 6,在 JRJ300-D-I剪切乳化機(jī)的剪切攪拌下于水浴中加熱,當(dāng)溫度升高到 60℃后,加入 AKD蠟片,待其熔融后,在8000 r/min轉(zhuǎn)速下繼續(xù)攪拌 5 min,將混合物迅速冷卻至室溫,然后過(guò) 100目篩。通過(guò)篩網(wǎng)的填料懸浮液即為疏水改性填料。

稱(chēng)量未通過(guò) 100目篩的 AKD,用加入的 AKD蠟片的量減去未通過(guò) 100目篩的 AKD的量,即為吸附于填料上的 AKD量,其與加入的AKD的質(zhì)量分?jǐn)?shù)即為填料對(duì)AKD的吸附比率。

1.2.2 手抄片的抄造及施膠度、抗張強(qiáng)度的測(cè)定

將漂白闊葉木漿在 1.5%的漿濃下疏解成漿,加入相對(duì)絕干漿質(zhì)量 30%的改性填料 (約占總紙料量的 23%;如果不加填,則直接稀釋漿料;如果填料和 AKD乳液分別加,則先加入與吸附AKD相同量的商品AKD乳液,混合均勻后,再加入相對(duì)絕干漿質(zhì)量 30%的未改性填料),并將漿料稀釋至 1.0%,然后在 500 r/min轉(zhuǎn)速攪拌下加入相對(duì)絕干漿質(zhì)量0.03%的 CPAM,攪拌 60 s后將漿料稀釋至 0.2%,接著加入相對(duì)絕干漿質(zhì)量 0.3%的鈉基改性膨潤(rùn)土,繼續(xù)攪拌 30 s。然后在 Rapid-Kothen PTI抄片機(jī)上抄取定量為 80 g/m2的手抄片,手抄片用 FI 119烘缸(L&W)在 100℃下干燥。

手抄片的靜態(tài)接觸角在 JC2000CI靜態(tài)接觸角測(cè)量?jī)x上測(cè)定,施膠度按照 GB/T5405—2002測(cè)定,抗張強(qiáng)度按照 GB/T 453—2002測(cè)定。

1.2.3 AKD改性填料及其施膠紙張的 FT-I R和 XPS分析

FT-I R:AKD改性滑石粉和 AKD改性絹云母在45℃下真空干燥 10 h,然后制樣。填料及改性填料均采用溴化鉀壓片法制樣,在 I RPretige-21傅里葉變換紅外光譜儀上進(jìn)行 FT-I R分析。

XPS:取適量AKD改性滑石粉和AK D改性絹云母分別涂于 3 mm×3 mm的玻璃片上,在 45℃下真空干燥 10 h,在 PHI-5300X射線光電子譜儀上進(jìn)行 XPS分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 滑石粉和絹云母對(duì)AKD的吸附

滑石粉和絹云母均為層狀硅酸鹽礦物,其表面具有弱疏水性并呈化學(xué)惰性,對(duì)某些有機(jī)物有很強(qiáng)的親和性,且粒度越小,層面剝離程度越大,親脂性越強(qiáng)。為了確定滑石粉和絹云母對(duì) AKD的吸附能力,研究了超細(xì)滑石粉和絹云母對(duì) AKD的吸附比率隨AKD與兩種填料質(zhì)量比變化的情況,結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 滑石粉對(duì)AKD的吸附比率隨AKD與滑石粉質(zhì)量比的變化情況

圖2 絹云母對(duì) AKD的吸附比率隨 AKD與絹云母質(zhì)量比的變化情況

從圖1可以看出,當(dāng) AKD與滑石粉的質(zhì)量比小于 1∶5時(shí),滑石粉對(duì) AKD的吸附比率為 100%,滑石粉能完全吸附改性混合液中的 AKD,當(dāng) AKD與滑石粉的質(zhì)量比超過(guò) 1∶5后,改性混合液上層有漂浮的AKD蠟片,表明滑石粉已達(dá)到最大吸附量。

從圖2可以看出,當(dāng) AKD與絹云母的質(zhì)量比小于 1∶15時(shí),絹云母能完全吸附改性混合液中的AKD,當(dāng) AKD與絹云母的質(zhì)量比超過(guò) 1∶15后,改性混合液上層有漂浮的 AKD蠟片,表明絹云母能將 AKD完全吸附的最大 AKD與絹云母的質(zhì)量比為 1∶15。而滑石粉對(duì) AKD的最大吸附質(zhì)量比為1∶5,說(shuō)明絹云母對(duì)AKD的吸附能力比滑石粉的弱。

2.2 AKD改性填料的疏水性能與施膠作用

利用AKD改性滑石粉和絹云母的目的是將施膠劑吸附于填料上,提高填料的疏水性,使填料獲得施膠作用。因此,在確定了滑石粉和絹云母對(duì) AKD的吸附能力之后,研究了 AKD改性滑石粉和絹云母的疏水性能和施膠作用。表1是兩種填料用 AKD改性前后施膠紙張的靜態(tài)接觸角和施膠度。改性時(shí),AKD與滑石粉和絹云母的質(zhì)量比均為 1∶100,此時(shí)AKD可全部吸附于滑石粉和絹云母上,即兩者在相同質(zhì)量下吸附的AKD量相同。

表1 滑石粉、絹云母改性前后施膠紙張的靜態(tài)接觸角和施膠度

從表1可以看出,兩種填料經(jīng) AKD改性后,其疏水性大幅度提高,其中滑石粉由于自身的親水性較弱,改性前紙張的靜態(tài)接觸角為 51°,經(jīng) AKD改性后紙張的靜態(tài)接觸角可高達(dá) 112°,具有很強(qiáng)的疏水性;而絹云母自身的親水性較強(qiáng),改性前紙張的靜態(tài)接觸角為 23°,經(jīng)過(guò) AKD改性后紙張的疏水性雖有大幅度提高,但靜態(tài)接觸角仍小于 90°。

從表1還可以看出,雖然滑石粉自身具有一定的疏水性,未經(jīng)改性時(shí)與絹云母一樣,不具有施膠作用。經(jīng)AKD改性后,兩種填料均具有良好的施膠作用,且 AKD改性滑石粉的施膠效果略好于改性絹云母。由于實(shí)驗(yàn)中改性滑石粉和絹云母對(duì) AKD的吸附量相同,按說(shuō)兩者施膠效果的差異應(yīng)來(lái)自于滑石粉自身及改性后較高的疏水性。然而,兩者施膠作用的差異遠(yuǎn)沒(méi)有改性填料疏水性能的差異大。說(shuō)明 AKD改性后填料的疏水性不是其產(chǎn)生施膠作用的決定因素。

2.3 AKD與填料質(zhì)量比對(duì)施膠性能的影響

在滑石粉和絹云母對(duì)AKD能完全吸附的AKD與填料的質(zhì)量比下,制備不同 AKD與填料質(zhì)量比的改性填料,在漿料 pH值為 8.0時(shí)用其進(jìn)行漿內(nèi)施膠,所得施膠紙張的靜態(tài)接觸角隨 AKD與填料質(zhì)量比的變化情況如圖3所示,其中改性填料相對(duì)于絕干漿的加入量為 30%。

圖3 AKD與填料的質(zhì)量比對(duì)紙張靜態(tài)接觸角的影響

從圖3可見(jiàn),隨著 AKD與填料質(zhì)量比的提高,改性填料施膠的紙張靜態(tài)接觸角逐漸增大,且 AKD改性滑石粉與AKD改性絹云母施膠紙張之間的差異逐漸加大。當(dāng) AKD與滑石粉的質(zhì)量比為1∶40時(shí),紙張的靜態(tài)接觸角接近 124°。當(dāng) AKD與絹云母的質(zhì)量比為1∶40時(shí),紙張的靜態(tài)接觸角接近 120°。AKD與填料質(zhì)量比大于 1∶100時(shí),AKD改性絹云母漿內(nèi)施膠紙張的靜態(tài)接觸角與 AKD改性滑石粉相比要低3°～10°。但 AKD與絹云母質(zhì)量比為 1∶120時(shí)卻可使紙張的靜態(tài)接觸角達(dá)到 106°,而此時(shí) AKD改性滑石粉施膠紙張的靜態(tài)接觸角為 104°,反而比 AKD改性絹云母施膠紙張的低 2°。

圖4所示為AKD與填料的質(zhì)量比對(duì)紙張施膠度的影響。改性填料相對(duì)于絕干漿的加入量為 30%。

從圖4可以看出,隨著 AKD與填料質(zhì)量比的提高,改性填料賦予紙張的施膠度逐漸增大,AKD改性滑石粉與改性絹云母賦予紙張的施膠度差異也逐漸增大,改性滑石粉的施膠效果好于改性絹云母的。但當(dāng) AKD與填料的質(zhì)量比為 1∶120時(shí),兩者對(duì)紙張的施膠效果差異不大。

圖4 AKD與填料的質(zhì)量比對(duì)紙張施膠度的影響

2.4 AKD改性滑石粉和絹云母對(duì)紙張強(qiáng)度的影響

AKD改性滑石粉和絹云母能賦予紙張良好的施膠性能,但是否將施膠劑和填料對(duì)紙張強(qiáng)度的不利影響合二為一還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。為此,研究了滑石粉或絹云母和 AKD的不同添加方式對(duì)紙張施膠性能和強(qiáng)度的影響,結(jié)果如表2所示。加入滑石粉或絹云母和AKD乳液或AKD改性滑石粉或改性絹云母時(shí),AKD與滑石粉、AKD與絹云母的質(zhì)量比均為1∶100,AKD與滑石粉、AKD與絹云母相對(duì)于絕干漿的總加入量為 30%。

表2 AKD與填料不同添加方式對(duì)紙張施膠度和抗張強(qiáng)度的影響

從表2可以看出,不論是加填滑石粉還是絹云母,均明顯降低紙張的抗張強(qiáng)度,且加填滑石粉時(shí)降低程度稍大。在加填后的紙漿中再加入 AKD施膠劑乳液則進(jìn)一步降低紙張的抗張強(qiáng)度。但如果加填A(yù)KD改性滑石粉或絹云母,對(duì)紙張強(qiáng)度的影響與只加滑石粉或絹云母時(shí)相近。這表明加填 AKD改性滑石粉、AKD改性絹云母確實(shí)可以減少 AKD施膠劑對(duì)紙張強(qiáng)度的不利影響。AKD對(duì)滑石粉親水性的降低只稍稍增加了滑石粉對(duì)紙張強(qiáng)度的不利影響;對(duì)絹云母親水性的降低則對(duì)紙張抗張強(qiáng)度沒(méi)有什么影響。在施膠方面,AKD改性滑石粉、AKD改性絹云母施膠的紙張與滑石粉或絹云母和 AKD乳液分別加填和施膠的紙張施膠度相差不大。

2.5 AKD改性滑石粉和絹云母的 FT-IR分析

滑石的結(jié)構(gòu)單元層由上下兩層硅氧四面體片和中間鎂氧八面體層組成。暴露于表面的硅氧四面體為非極性,具有親脂性,只有邊緣Mg—OH具有親水性。因此,滑石粉的平面部分對(duì) AKD具有較高的物理吸附作用。圖5所示為經(jīng) 45℃真空干燥 10 h的 AKD改性滑石粉樣和 AKD改性滑石粉懸浮液放置 100 d后的水解樣的 FT-IR圖。由圖5可知,滑石粉的紅外吸收峰為:3674 cm-1的 vOH吸收帶,669 cm-1的ρOH吸收帶,1016 cm-1的 vSi—O伸縮振動(dòng)帶,710 cm-1的 Si—O垂直層振動(dòng)弱吸收帶,534 cm-1的弱的銳吸收帶,與垂直的 vSi—O—Mg振動(dòng)有關(guān),480 cm-1弱吸收帶主要是δSi—O搖擺振動(dòng)。2918 cm-1和2840 cm-1是—CH2振動(dòng)吸收帶,來(lái)自于 AKD的兩個(gè)長(zhǎng)鏈烷基,表明滑石粉表面確實(shí)吸附了 AKD,且放置 100 d后的水解樣中,仍有相當(dāng)部分的 AKD或其水解產(chǎn)物吸附于滑石粉上。

圖5 AKD改性滑石粉及其水解樣的 FT-IR圖

從圖5中還發(fā)現(xiàn)了 AKD四元內(nèi)酯環(huán)的特征吸收峰[18]:1875 cm-1和 1725 cm-1。1725 cm-1吸收峰歸屬于與四元內(nèi)酯環(huán)相連的1875 cm-1吸收峰為四元內(nèi)酯環(huán)的振動(dòng)吸收帶,內(nèi)酯環(huán)的另一特征吸收峰 vC—O—C與滑石粉的 vSi—O吸收峰重疊。由于 AKD的活性反應(yīng)基團(tuán)和疏水性的烷基鏈均完整地保存下來(lái),證實(shí)有部分吸附于滑石粉上的AKD為物理吸附,并據(jù)四元內(nèi)酯環(huán)的出峰位置判斷所吸附的 AKD處于無(wú)定形的非結(jié)晶狀態(tài)[18]。比較圖5中的AKD改性滑石粉和其水解樣發(fā)現(xiàn),AKD改性滑石粉經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間以懸浮液的形式放置后 (100 d),雖然也出現(xiàn)了 AKD四元內(nèi)酯環(huán)的兩個(gè)特征吸收峰,但明顯減弱,表明 AKD確實(shí)發(fā)生了水解,但并未完全水解。普通 AKD乳液的保存期為 60 d,說(shuō)明AKD吸附在滑石粉填料表面并未顯著加速其水解。

絹云母具有 2∶1型的層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu),由上下兩層硅氧四面體與中間的鋁-羥基八面體構(gòu)成。其四面體的頂氧與附加陰離子 (OH-)構(gòu)成活性結(jié)晶水(H2O)基團(tuán),位于兩層硅氧四面體層的中間,形成厚度為 10?的三重薄層,薄層之間高鉀離子松散地結(jié)合起來(lái),易劈成極薄的片狀,具有較大的平面面積,且極易水化,對(duì) AKD的物理吸附性能較滑石粉差。圖6是 AKD改性絹云母和 AKD改性絹云母懸浮液放置 100 d后的水解樣的 FT-IR圖。圖中絹云母的各特征吸收峰的歸屬為:3620 cm-1為 Al—OH伸縮振動(dòng) ,1062 cm-1為 Si—O—Si伸縮振動(dòng) ,935 cm-1為O—H彎曲振動(dòng),798 cm-1為 Si—O—Al伸縮振動(dòng),524 cm-1為 Si—O—Al彎曲振動(dòng) ,470 cm-1為 Si—O彎曲振動(dòng)。2916～2918 cm-1和 2849 cm-1是 —CH2伸縮振動(dòng)吸收帶,同樣歸屬為 AKD的烷基鏈,證明AKD吸附在絹云母上。

圖6 AKD改性絹云母及其水解樣的 FT-IR圖

從圖6中可觀察到 1720 cm-1和 1875 cm-1AKD的兩個(gè)特征吸收峰,且AKD改性絹云母的 1875 cm-1代表AKD內(nèi)酯環(huán)的的吸收峰較為明顯,而 AKD改性絹云母水解樣此峰不明顯,但另一個(gè)代表AKD內(nèi)酯環(huán)雙鍵的特征吸收峰 (1720 cm-1)則變化不大,表明至少有部分 AKD以物理吸附的形式吸附在絹云母上,即使是放置 100 d,也并未引起AKD的嚴(yán)重水解,但內(nèi)酯環(huán)特征峰的減弱說(shuō)明吸附于絹云母上的 AKD很可能在放置過(guò)程中逐漸以其內(nèi)酯環(huán)基團(tuán)與絹云母表面的活性基團(tuán)發(fā)生了某種化學(xué)結(jié)合。

這里需要說(shuō)明的是,由于AKD與滑石粉和絹云母的質(zhì)量比很小,造成 1875cm-1和 1725 cm-1處 AKD的特征吸收峰不明顯,為此,利用 XPS表面分析技術(shù)對(duì)AKD與滑石粉和絹云母之間的結(jié)合情況做了進(jìn)一步的分析。

2.6 AKD改性滑石粉和絹云母的XPS分析

XPS是一種表面分析技術(shù),主要分析試樣表面的化學(xué)元素組成及各種化學(xué)元素的結(jié)合狀態(tài),對(duì)無(wú)機(jī)樣品的采樣深度為1～3 nm,對(duì)有機(jī)物的采樣深度為 1～10 nm。因此可用于分析吸附于填料表面的AKD與填料的結(jié)合情況。圖7為AKD改性滑石粉和 AKD改性絹云母及各自水解樣的 XPS全譜圖,其中 (a)為 AKD改性滑石粉,(b)為 AKD改性絹云母, (c)為 AKD改性滑石粉水解樣, (d)為 AKD改性絹云母水解樣。表3為AKD改性填料及其水解樣的O/C的峰域面積比值。

表3 AKD改性填料及其水解樣的 O/C峰域面積比

圖7 AKD改性填料及其水解樣的 XPS全譜圖

由圖7及表3可見(jiàn),AKD改性填料水解樣 (c、d)的O/C的峰域面積比值要大于相應(yīng) AKD改性填料 (a、b)的 O/C的峰域面積比值,可能是 AKD改性填料懸浮液隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng),部分AKD水解,部分AKD從填料表面解吸,致使填料表面未吸附AKD的面積增大,填料表面的硅氧四面體裸露,導(dǎo)致放置 100 d的 AKD改性填料表面的氧所占比值增大。另外,就AKD改性滑石粉與改性絹云母兩者之間的比較,AKD對(duì)滑石粉的覆蓋率雖然大于對(duì)絹云母的覆蓋率,但吸附于滑石粉上的AKD比吸附于絹云母上的 AKD更易水解或解吸,經(jīng)放置 100 d后,AKD對(duì)兩者的覆蓋率已經(jīng)非常接近。

圖8(a)、(b)、(c)和 (d)分別是 AKD改性滑石粉、AKD改性絹云母、AKD改性滑石粉水解樣和AKD改性絹云母水解樣的 XPS C1s波形譜圖;表4是AKD改性填料及其水解樣的 XPS碳解析表。

表4 AKD改性填料及其水解樣的 XPS碳解析表

有研究表明[19],碳原子上每連接一個(gè)氧原子,碳原子的結(jié)合能就向高結(jié)合能方向位移 1.5 eV。因此,距 C—C主峰 1.5 eV處的峰應(yīng)為與羥基或醚基相連碳的 C1s峰,距 3.0 eV處的峰應(yīng)為羰基碳的 C1s峰,距主峰約 4.5 eV處的峰應(yīng)為酯基或羧基碳的 C1s峰,離主峰 6～7 eV的 C1s峰為π>π＊躍遷的振激峰。由此推斷,圖8中結(jié)合能約為 285 eV、285.75～286.40 eV、287.17～288.01 eV及 288.75～288.95 eV處的 4個(gè)峰應(yīng)分別對(duì)應(yīng)于 C—C、C—O、及O—4個(gè)官能團(tuán),如表4所示,表中同一官能團(tuán)在不同填料改性樣之間結(jié)合能的差異應(yīng)來(lái)源于與碳原子相連的其他原子的不同及與之相連的氧原子在不同樣品中的化學(xué)環(huán)境不同造成的。如吸附于滑石粉上的 AKD的 C—O結(jié)合能與吸附于絹云母上的 AKD的C—O結(jié)合能之間由于滑石粉與絹云母對(duì)AKD吸附作用的差異有所不同,AKD部分水解之后 C—O結(jié)合能也發(fā)生了相應(yīng)變化。

圖8 AKD改性填料及其水解樣的 C1s波形譜圖

另外,從表4還可以看出,放置 100 d的改性填料懸浮液,O—所占比例減少所占比例增加,說(shuō)明AKD發(fā)生了部分水解,AKD改性滑石粉的變化比 AKD改性絹云母的變化更大,表明吸附于滑石粉上的AKD比吸附于絹云母上的AKD更容易水解。同時(shí),長(zhǎng)時(shí)間放置后的 AKD改性滑石粉水解樣的 C—O功能基損失較多,改性絹云母水解樣的 C—O功能基損失較少,說(shuō)明吸附于絹云母上的AKD不但不易水解,其與填料間的結(jié)合也不易受到破壞。

3 結(jié) 論

AKD改性滑石粉和 AKD改性絹云母提高了兩種填料的疏水性,能提供良好的施膠作用。隨著AKD與填料質(zhì)量比的提高,改性后的填料施膠效果隨之提高,滑石粉對(duì) AKD完全吸附的最大 AKD與滑石粉質(zhì)量比為 1∶5,而AKD與絹云母質(zhì)量比為 1∶15時(shí),AKD可全部吸附于絹云母上。與分別加填滑石粉、絹云母再進(jìn)行 AKD乳液施膠相比,AKD吸附于滑石粉和絹云母上,未降低 AKD的施膠效果,還能顯著提高紙張的抗張強(qiáng)度。

在AKD改性填料中,AKD通過(guò)物理吸附沉積在滑石粉和絹云母上。在改性填料懸浮液的放置過(guò)程中,吸附于滑石粉上的 AKD比吸附于絹云母上的AKD更易發(fā)生水解和解吸,其水解產(chǎn)物吸附于滑石粉上也使滑石粉保持了更高的疏水性能;吸附于絹云母上的 AKD則水解速度較慢,且其內(nèi)酯環(huán)基團(tuán)與絹云母表面的活性基團(tuán)發(fā)生了某種化學(xué)結(jié)合。

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M odification of Talc Powder and Sericite by AKD and ItsM echan is m

YANGDe-qing L IU Wen-xia＊
(Key Lab of Paper Science and Technology of M inistry of Education,Shandong Institute of Light Industry,Ji'nan,Shandong Province,250353)

Talc powder adsorbsmoreAKD than sericite and theAKD modified talc powder shows higher hydrophobicity than themodified sericite.The sizing perfor mance of the modified talc powder is better than thatof the modified sericite at highermass ratio ofAKD to filler.The incorporation ofAKD with the fillers does not reduce the paper strength by filling and sizingwhile remains similar sizing efficiencywith that ofAKD emulsion.The modification mechanism ofAKD modified fillerswas analyzed bymeans of FT-IR and XPS.The results indicate that AKD is deposited on the talc powder and sericite mainly as an amorphous form by physical adsorption.The hydrolysis of the AKD deposited on sericite is slower than thaton talc powderwhen the modified fillers stand for a long time in water suspension.The AKD on sericite chemically reactswith the active groups of sericite surface through its functional group of lactone ring.

AKD;filler;modification;FT-I R;XPS

TS753.9

A

0254-508X(2010)04-0001-07

楊德清先生,碩士研究生;主要研究方向:造紙化學(xué)品與功能紙。

(＊E-mail:liuwenxia@sdili.edu.cn)

2009-11-30(修改稿)

本課題為國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (20976099)和山東省自然基金資助項(xiàng)目 (Y2005B17)。

(責(zé)任編輯:馬 忻)