楊廣聰 陳少平★ 程亞嬋 吳燕紅 趙欣怡

（福建師范大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)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(duì)帶負(fù)電荷的表面具有較好的黏結(jié)力而得到廣泛的應(yīng)用。在造紙工業(yè)中，其主要用作增強(qiáng)劑[1]、表面施膠劑[2]、助留助濾劑[3]、漿內(nèi)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(duì)分子量大、電荷密度高、高效低毒、水溶性好等優(yōu)點(diǎn)，但自身產(chǎn)生的排斥效應(yīng)和空間位阻效應(yīng)使其反應(yīng)活性較低，與活性高的丙烯酰胺（AM）的共聚時(shí)，其分子量與陽離子度很難同時(shí)提高，而且黏度大、DMDAAC轉(zhuǎn)化率低[5-7]。N-乙烯基甲酰胺(NVF)是丙烯酰胺的同分異構(gòu)體，其聚合活性較AM低，將NVF與DMDAAC共聚，可提高DMDAAC的轉(zhuǎn)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?jiān)鰪?qiáng)研究的報(bào)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(duì)桉木紙張的干、濕抗張強(qiáng)度和環(huán)壓強(qiáng)度的影響，為開發(fā)環(huán)保高效紙張?jiān)鰪?qiáng)劑提供理論試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

PNSD乳液，課題組提供，參數(shù)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(shí)驗(yàn)機(jī)廠；ZQJ-B型紙頁抄造器，西北輕工業(yè)學(xué)院機(jī)械廠；WG-3型切紙刀，湖南偉科儀器儀表公司；FQHYD127環(huán)壓專用取樣器，四川長江造紙儀器有限責(zé)任公司； WZL-300紙張拉力儀和DYSY-1壓縮試驗(yàn)儀，杭州輕通儀器開發(fā)公司。

表1 PNSD乳液的參數(shù)

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(jìn)的食品攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行疏解至打漿度為30oSR，在機(jī)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(jī)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(yàn)儀上測定紙張干、濕抗張強(qiáng)度指數(shù)和環(huán)壓指數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 PNSD乳液對(duì)紙張環(huán)壓強(qiáng)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(duì)紙張環(huán)壓指數(shù)的影響。從圖1中可以看出，乳膠粒徑越小，對(duì)提高紙張的環(huán)壓強(qiáng)度越明顯。如粒徑為110nm的PNSD-C1，在添加量為0.1%和0.25%時(shí)，紙張的環(huán)壓指數(shù)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(huán)壓指數(shù)增大了9%（添加量0.1%）和14%（添加量0.25%）。這是因?yàn)榱叫〉腜NSD-C1更容易進(jìn)入紙張纖維間的縫隙，尤其是細(xì)小的纖維之間，乳膠粒子中苯環(huán)的剛性結(jié)構(gòu)可以更好地發(fā)揮對(duì)纖維的支撐作用，所以它的環(huán)壓增強(qiáng)效果較好。

圖1 乳膠粒徑對(duì)紙張環(huán)壓指數(shù)的影響

從圖2可看出，當(dāng)乳膠粒徑接近，紙張環(huán)壓指數(shù)與乳膠粒表面陽離子量成正相關(guān)。如PNSD-P1的陽離子量為0.81mmol/g，當(dāng)添加量為0.1%和0.25%時(shí)，紙張的環(huán)壓指數(shù)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(huán)壓指數(shù)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(jié)合越強(qiáng)，使苯環(huán)能更好地在纖維與纖維之間起到支撐和堅(jiān)固的作用，表現(xiàn)出更好的增強(qiáng)環(huán)壓的效果。

圖2 乳膠陽離子量對(duì)紙張環(huán)壓指數(shù)的影響

2.2 PNSD乳液對(duì)紙張干抗張強(qiáng)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(duì)紙張干抗張指數(shù)的影響。從圖3中可看出，乳膠粒徑對(duì)紙張的干抗張強(qiáng)度的增強(qiáng)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(shí)，紙張的干抗張指數(shù)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(shù)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(tuán)與纖維中的官能團(tuán)形成氫鍵或靜電結(jié)合，從而使得紙張干抗張強(qiáng)度增大。

如圖4所示，當(dāng)乳膠粒徑接近，表面陽離子量不同的PNSD對(duì)按木漿添加后紙張的干抗張指數(shù)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(shù)增大幅度越明顯。如PNSD-P1的表面陽離子量為0.81mmol/g，當(dāng)添加量為0.1%和0.25%時(shí)，紙張的干抗張指數(shù)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(shù)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(fù)電的纖維表面通過靜電結(jié)合定著，表面陽離子量越大粒子表面陽離子基團(tuán)就越多，與纖維中官能團(tuán)的靜電結(jié)合作用就越強(qiáng)；增大樣品添加量可以吸附更多的纖維，且靜電結(jié)合增多，從而有利于提高紙張的干抗張強(qiáng)度。

圖3 乳膠粒徑對(duì)紙張干抗張指數(shù)的影響

圖4 乳膠陽離子量對(duì)干抗張指數(shù)的影響

2.3 PNSD乳液對(duì)紙張濕抗強(qiáng)度的影響

從圖5可看出，當(dāng)添加量為0.1%時(shí)，添加PNSD-C1、PNSD-C2、PNSD-C3、PNSD-C4和PNSD-C5使紙張的濕抗張指數(shù)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(duì)于粒徑為110nm樣品PNSD-C1，在添加量為0.25%時(shí)可以使?jié)窨箯堉笖?shù)增大54%，說明當(dāng)乳膠的表面陽離子量接近的場合，粒徑較小的PNSD對(duì)紙張的濕抗張?jiān)鰪?qiáng)效果較好。

圖5 紙張濕抗張指數(shù)與乳膠粒徑的關(guān)系

圖6 指出，當(dāng)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(shù)隨乳膠的陽離子量的增大而增大。在添加量為0.1%時(shí)和0.25%時(shí)，乳膠陽離子量最大的PNSD-P4的添加，可使紙張的濕抗張指數(shù)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(qiáng)度，且表面陽離子量大的PNSD對(duì)紙張的濕抗張?jiān)鰪?qiáng)效果更好。

圖6 紙張濕抗張指數(shù)與表面陽離子量的關(guān)系

3 結(jié)束語

（1）PNSD乳液的乳膠粒徑和表面陽離子量對(duì)紙張?jiān)鰪?qiáng)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(duì)桉木紙張?jiān)鰪?qiáng)效果優(yōu)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(duì)桉木紙張?jiān)鰪?qiáng)效果大于陽離子量小的PNSD乳液。

[1] 李建文, 詹懷宇，李振坤. 陽離子無皂乳液增強(qiáng)劑的合成及應(yīng)用[J]. 造紙科學(xué)與技術(shù), 2005, 24(3): 1-3.

[2] 沈一丁, 王賽.陽. 離子石蠟乳液的制備及其在中性施膠和表面涂飾中的應(yīng)用[J]. 中華紙業(yè), 2003, 24(2):3 9-40.

[3] 李建文, 邱化玉. 陽離子無皂乳液的合成及其助留作用[J].中國造紙學(xué)報(bào)，2004, 19(1): 85-87.

[4] 程賢甦. 一種新型陽離子聚合物在紙張涂布效果的探索[J]. 華東紙業(yè)，2012, 43(7): 60-62.

[5] 張躍軍, 顧學(xué)芳. 二甲基二烯丙基氯化銨與丙烯酰胺共聚物的研究進(jìn)展[J]. 精細(xì)化工, 2002, 19(9):521-524.

[6] BULTER G B. Method of enchancing polymerization of diallyldimethyl ammonium compounds to produce high molecular weight polymers [J]. US: 4742134, 1 998-10-22.

[7] GARTER H A. Process for production of high molecular weight copolymers of diallylammonium monomers and acrylamide monomers in solution[J].US:5110883, 1992-05-05.

[8] 林麗芳, 陳少平, 盧曉琳, 等. NVF-DADMAC陽離子共聚物的合成與表征[J]. 膠體與聚合物, 2009,27(2):13-14.