自交联季铵化聚乙烯亚胺纸张增湿强剂的制备及作用机理

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随着时代的变迁和人民生活水平的提高,全球环保监测对造纸化学品特别是环保型造纸增湿强剂提出了更高的要求,为此本工作选择聚乙烯亚胺(PEI)作为基础材料,对其进行化学改性来提高增湿强效果。PEI是一种具有高浓度仲胺官能团的阳离子支化弱聚电解质,因其特殊的结构被用作纸张增湿强剂,但成本较高且不具备与纸纤维进行交联的基团,这限制了其实际应用,因此开发环保型可交联聚乙烯亚胺增湿强剂具有特殊的意义。本课题主要研究内容如下:(1)利用2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(GTA)和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)对聚乙烯亚胺(PEI)进行改性,制得自交联季铵化聚乙烯亚胺(MPEI)。结果表明,最佳制备条件(GTA和KH560质量分数分别为2%和1%(相对于PEI总质量)、反应温度50℃、反应时间3 h)下制得的MPEI固含量为12%、黏度为482.1 mPa·s、平均粒径为119.6 nm,稳定性良好,室温下放置90天无凝胶现象。利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)仪、热重分析(TG)仪、黏度仪、粒径及溶液稳定性分析等对MPEI进行结构和性能表征,探讨不同GTA用量的MPEI对纸张物理性能的影响,并利用扫描电子显微镜(SEM)观察纸张表面形貌。结果表明,向纸浆内添加质量分数为1.6%(相对于绝干浆质量)的MPEI并进行抄纸,与原纸相比,MPEI纸张的干抗张指数、湿抗张指数、耐折度和撕裂指数分别提高了 34%、300%、515%和12%。制得的MPEI不含有机氯,是一种新型环保的纸张增湿强剂。(2)采用聚乙烯醇(PVA)对聚乙烯亚胺(PEI)进行复合化学改性,加入2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(GTA)为阳离子改性剂,γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)为交联剂,制备了一种高效复合增湿强剂(SMPEI)。利用FTIR、X光射线衍射(XPS)、黏度、粒径和TG分析仪等对SMPEI进行结构和溶液性能表征。结果表明,SMPEI最佳制备条件为m(PEI:PVA:KH560:GTA=10:3:2:5),反应温度 50℃,反应时间 2h,pH=6,SMPEI固含量为13%。将SMPEI应用到浆内施胶中,探讨不同PVA添加量的SMPEI对纸张物理性能的影响,测试原纸浆和加入SMPEI后纸浆Zeta电位的变化,并结合SEM图观察纸张微观形貌以分析SMPEI对纸张增强作用机理。结果表明,SMPEI浆内添加质量分数为1.6%(相对于绝干浆质量),纸张干湿抗张指数分别为88 N·m/g和19.2 N·m/g,耐折度和撕裂指数分别为169次和22.55 N·m~2/g,与未加入增湿强剂的纸张相比干湿抗张分别提高139%和346%,耐折度和撕裂度分别提高了 550%和109%,纸纤维结合强度明显增强。(3)采用2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(GTA)为阳离子改性剂,利用乙二醛(GO)交联改性季铵化PEI-PVA聚合物,制备出一种全互穿网状聚合物(GO-PPEI),将其应用到浆内施胶中,提高纸张湿强性能。采用FTIR、核磁氢谱(~1H NMR)、粘度、稳定性分析仪和TG等仪器对聚合物GO-PPEI进行结构和性能表征。结果表明,GO-PPEI合成工艺最佳条件为m(PEI:PVA:GO:GTA=10:3:2:5),加入乙二醛最佳反应温度25℃,总计反应时间2.5 h,pH=6,GO-PPEI固含量为12%。将GO-PPEI用于浆内抄纸中,测试加入GO-PPEI前后的纸浆Zeta电位,对不同乙二醛添加量的GO-PPEI测试纸张各项物理性能,根据纸张SEM图分析GO-PPEI对纸张的增强作用。结果表明,GO-PPEI质量分数为1.6%(相对于绝干浆质量),纸浆Zeta电位最接近0,表明GO-PPEI与纸纤维有效中和,纸张干抗张指数为87.5 N·m/g,湿抗张指数为18.6N·m/g,耐折度为162次,撕裂指数为18.86N·m~2/g,Cobb30值为93.27 g/m~2,与未加入增湿强剂的纸张相比干抗张提高了 39%,湿抗张提高了 332%,耐折度提高了 523%,撕裂度提高了 77%,纸张SEM表面和断面形貌图表明纸纤维之间连接紧密,纸张具有优异的物理性能。
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