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传统的浆内施胶一般对纸张表面强度提高影响不大,通过表面施胶可以进一步提高纸张的施胶度,同时赋予纸张具有良好的表面性能和特殊的应用性能,近年得到了较快的发展。
本实验采用无皂乳液聚合技术,通过乳液接枝共聚的方法,以过硫酸钾为引发剂,以氧化淀粉(OS)、苯乙烯(St)、丙烯酸丁酯(BA)为主要原料,甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)为阳离子单体,丙烯酸(AA)为功能性单体,制备了可用于纸张表面施胶的淀粉基阳离子苯丙乳液。通过对影响反应的各要素分析,探讨了聚合的条件和因素对产品性能的影响,确定了最佳的聚合工艺,并对产物的结构和性能进行了表征。最后对自制乳液的表面施胶效果进行应用,并与市售苯丙乳液施胶效果进行对比。主要的研究结果如下:
(1)实验得到的聚合物乳液的最佳工艺条件为:在搅拌速度为300r/min的条件下,分批次滴加单体总质量2%的引发剂,控制反应温度为(80±2)℃,氧化淀粉用量为m(淀粉):{m(St)+m(BA)}=1:3,软硬单体配比为m(St):m(BA)=1.5:1,阳离子单体DMC用量为单体总质量的0.8%时,丙烯酸用量为单体总质量的2.0%,反应2.5h,可得到最佳性能的阳离子聚合物乳液。
(2)最佳条件下合成的乳液的外观为乳白色泛细腻蓝光,固含量为35%,粘度38.6mPa.s,pH值5.5,在较宽泛的pH值范围内性能稳定,储存性良好,乳胶粒径326nm,乳胶膜的剥离强度和吸水率分别为23.58N·mm-1和13.4%。
(3)聚合物红外谱图表明淀粉成功地与单体发生了接枝共聚反应;热重分析显示该聚合物的玻璃化转变温度为52℃,满足纸张表面施胶的需要;Zeta电位测得乳液的最低电位为+29mV,具有较强的阳离子性;利用透射电镜观察到乳胶粒子粒径在300nm左右,外观为规则球形;通过扫描电镜观察到施胶后与纸张纤维间发生交联,纸张强度和耐水性都得到了提高;其接触角为109.1°,具有较强的耐水性。
(4)聚合物中引入了氧化淀粉,能够改善其成膜性和胶膜强度。阳离子单体DMC的引入,起到一定的乳化作用,两者的共同使用可以使乳液更加稳定。在氧化淀粉用量为m(淀粉):{m(St)+m(BA)}=1:3,软硬单体配比为m(St):m(BA)=1.5:1,阳离子单体DMC用量为单体总质量的0.8%时,丙烯酸用量为单体总质量的2.0%时,乳胶膜的吸水率最低,剥离强度最高,表面施胶效果最好。
(5)选择最佳的合成工艺制备的阳离子乳液对纸张进行表面施胶发现:当乳液的用量为纸张定量的3%,DMC用量为单体总量的0.8%时,纸张的施胶度和表面强度最好,施胶度70.2s,耐破度467kPa,抗张强度3.57kN·m,挺度4.92mN·m,环压强度指数17.8Nm/g。
(6)自制阳离子苯丙乳液与市售苯丙乳液的对比性实验表明,自制阳离子乳液能够较好提高纸张的施胶度和表面强度,其施胶性能优于市售苯丙乳液,具有良好的应用前景。