具有優(yōu)異性能的造紙用改性聚乙烯醇

聚乙烯醇（PVOH）在造紙行業(yè)被廣泛地用作造紙?jiān)鰪?qiáng)劑、穩(wěn)定劑和膠粘劑。由于PVOH具有能降低孔隙度的良好成膜性，因而能改善紙張抗透氣度和耐油性。該文研究了具有優(yōu)異抗水性的改性PVOHs涂布的涂布紙性能。與傳統(tǒng)PVOHs涂布的涂布紙相比，該涂布紙具有更好的抗透氣度。該文還通過PVOH和紙張、PVOH水溶液的表面張力和PVOH結(jié)晶度之間的關(guān)系，分析了改性PVOH具有較高抗透氣度的原因：擁有較低結(jié)晶度的PVOHs提供了較高的抗透氣度；低結(jié)晶度減緩了PVOHs在烘干過程中的收縮并在紙上形成孔隙較少的薄膜。

1 序言

聚乙烯醇（PVOH）是一種典型的水溶性、結(jié)晶高分子，在造紙行業(yè)被用作增強(qiáng)劑、熒光白色顏料的分散劑和無機(jī)物（碳酸鈣、高嶺土、二氧化硅等）的黏合劑等；并且因PVOH具有優(yōu)良的成膜性，紙張通過PVOH涂布能賦予其阻氣性。過去人們認(rèn)為，皂化度較低的材料對(duì)涂布紙的阻氣性較優(yōu)，但如果降低皂化度，會(huì)出現(xiàn)抗水性下降的問題。為了平衡PVOH的阻氣性和抗水性，通過特殊疏水基改性PVOH，使其獲得更廣泛的應(yīng)用，例如在剝離紙生產(chǎn)中被用作硅酮密封劑。最近，改性PVOH獲得了FDA認(rèn)證，被用作食品包裝防油紙的防油劑的研究工作也在進(jìn)行之中。

另一方面，目前在紙上涂布的PVOH的成膜性和阻氣性的作用機(jī)理還不完全清楚，只獲得了經(jīng)驗(yàn)性的數(shù)據(jù)。本文將展示使用不同種類的PVOH時(shí)的物理性能，同時(shí)嘗試通過一次構(gòu)造和基礎(chǔ)物理性能的評(píng)價(jià)結(jié)果推定阻氣性的作用機(jī)理。

本次研究使用的PVOH包括：疏水基改性PVOH1（以下簡(jiǎn)稱“改性PVOH1”），疏水基改性PVOH2（以下簡(jiǎn)稱“改性 PVOH2”），傳統(tǒng) PVOH1（以下簡(jiǎn)稱“PVOH1”），傳統(tǒng)PVOH2（以下簡(jiǎn)稱“PVOH2”），它們的皂化度、4%水溶液的黏度和疏水性單位的導(dǎo)入量如表1所示。

表1 PVOHs的產(chǎn)品規(guī)格

2 涂布紙的物理特性

表2顯示PVOHs在雙輥表面涂布機(jī)上涂布的紙張抗透氣度和Cobb60吸水值的結(jié)果。

表2 PVOHs的抗透氣度和吸水值

使用傳統(tǒng)PVOHs，因降低了皂化度，可以提高抗透氣度，但吸水量增加，抗水度下降。而疏水基改性PVOHs則不降低抗水性，同時(shí)能獲得高的抗透氣度，是一種具有能兼顧阻氣性和抗水性特性的材料，這一特性是傳統(tǒng)PVOHs所不具備的。

3 考察

關(guān)于抗透氣度（阻氣性）的產(chǎn)生機(jī)理，本研究認(rèn)為，紙上涂布的PVOH水溶液在干燥過程中，不產(chǎn)生有缺陷的液膜而形成PVOH薄膜是提高抗透氣度的關(guān)鍵。影響液膜穩(wěn)定性的因素有：（1）紙和PVOH的親和性；（2）液膜表面的穩(wěn)定性；（3）伴隨液膜的PVOH結(jié)晶化產(chǎn)生體積收縮。本研究針對(duì)以上因素進(jìn)行了考察。

3.1 紙和PVOH的親和性

關(guān)于紙和PVOH的親和性，采用Ecoh（凝聚能密度）和 V（物質(zhì)的摩爾容積），根據(jù)基團(tuán)貢獻(xiàn)法（group contribution method）推算出了SP值。SP值的順序?yàn)槔w維素＞PVOH1＞改性PVOH1∝PVOH2＞改性 PVOH2。本次產(chǎn)生的抗透氣度無法解釋紙和PVOH的親和性。

3.2 液膜表面的穩(wěn)定性

本研究認(rèn)為，由于PVOH的界面活性能，液膜表面比普通水穩(wěn)定。通過評(píng)價(jià)PVOH的界面活性，比較了液膜表面的穩(wěn)定性。圖1顯示了用du Noud表面張力儀測(cè)定的各種PVOHs水溶液表面張力的評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖1 PVOHs溶液的表面張力

由圖1可見，只有部分皂化的PVOHs顯示了較低的表面張力，其他PVOHs的表面張力幾乎不變，看不到與抗透氣度有明顯的相關(guān)性。

3.3 伴隨液膜PVOHs結(jié)晶化產(chǎn)生的體積收縮

關(guān)于伴隨PVOHs結(jié)晶化產(chǎn)生的體積收縮，通過用差示掃描量熱儀（DSC）測(cè)定PVOHs的結(jié)晶性進(jìn)行了比較。表3總結(jié)了評(píng)價(jià)結(jié)果。

表3 PVOHs的熱分析結(jié)果

由表3可見，皂化度越低，或者改性量越多的PVOHs，結(jié)晶性越低，顯示出了與抗透氣度順序的相關(guān)性。也就是說，結(jié)晶性越低的PVOHs，在干燥過程中，伴隨PVOHs結(jié)晶的急速體積收縮得到了緩和，因此，在抑制缺陷液膜產(chǎn)生的狀態(tài)下形成薄膜，提高了抗透氣度。

4 結(jié)束語

通過在紙上涂布PVOH能賦予紙張阻氣性、抗水性和抗油性等多種功能，但要賦予這些功能，關(guān)鍵是要形成PVOH薄膜。要形成無缺陷的薄膜，需要考慮紙和PVOH的親和性、液膜表面的穩(wěn)定性、伴隨液膜的PVOH結(jié)晶化產(chǎn)生的體積收縮等影響因素，還受生產(chǎn)工藝及添加劑、紙的品種等因素的影響，因此不能將影響因素簡(jiǎn)單化。從本次試驗(yàn)結(jié)果來看，可以說伴隨結(jié)晶化的液膜體積收縮是賦予紙張阻氣性、抗水性和抗油性等功能的主要影響因素。因此本研究認(rèn)為，疏水基改性PVOHs是一種具備通過抑制結(jié)晶化提高薄膜形成，能賦予阻氣性，同時(shí)又因具有疏水結(jié)構(gòu)而兼?zhèn)淇顾蕴匦缘牟牧稀?/p>

（杜偉民 編譯）