張萬彬 王高升 許 驥

(天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457)

苯丙乳液在添加PAE/CMC增強劑的漿料中的施膠性能

張萬彬 王高升 許 驥

(天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457)

針對揚聲器紙盆、紙漿餐盒等抗水性要求高的模塑產(chǎn)品，研究了在陽離子聚酰胺-環(huán)氧氯丙烷樹脂 (PAE)和羧甲基纖維素 (CMC)組成的PAE/CMC二元增強體系中苯丙乳液漿內(nèi)施膠效果。結(jié)果表明，在PAE/CMC二元增強體系中，PAE與CMC的電荷比影響苯丙乳液施膠效果，當PAE與CMC的電荷比在1.5～4.0之間，隨著PAE和CMC的電荷比的增加，紙張施膠度快速增加，繼續(xù)增加PAE與CMC的電荷比，紙張施膠度變化趨緩，當PAE與CMC的電荷比為8.0時，繼續(xù)增加PAE與CMC的電荷比，紙張的施膠度基本不變。

苯丙乳液;漿內(nèi)施膠;PAE;CMC;電荷比

苯丙乳液主要由苯乙烯、丙烯酸酯和各種功能單體共聚而成，目前廣泛用于紙張的表面施膠。自O(shè)tto S.dePierne等人［1］發(fā)明了苯丙乳液作為表面施膠劑的方法后，國內(nèi)外對此開展了比較深入的研究，Louis R.Dragner等人［2］研究了苯丙乳液與淀粉復(fù)配作為表面施膠劑;戴紅旗等人［3-5］研究了苯丙乳液與氧化淀粉復(fù)配作為表面施膠劑，同時增加紙張表面強度和抗水性;沈一丁等人［6-8］研究了不同合成方法所得到的苯丙乳液作為表面施膠劑對紙張抗水性能和物理強度的影響。苯丙乳液作為表面施膠劑有合成工藝簡單、黏度低、泡沫少、使用方便、抗水效果好的特點。其施膠機理被認為是具有陽電荷的苯丙乳液聚合物分子，通過與淀粉的交聯(lián)反應(yīng)，形成網(wǎng)狀的抗水薄膜，同時與帶負電的纖維結(jié)合，在紙張表面形成致密的抗水薄膜。顯然其施膠機理與常用的松香膠、AKD和ASA不同。對于揚聲器紙盆、紙漿餐盒等抗水性要求高的模塑產(chǎn)品，一般為間歇生產(chǎn)，產(chǎn)品造型立體化，使用AKD和ASA等施膠劑，在使用過程中易水解，難以得到穩(wěn)定的施膠效果。苯丙乳液雖然表面施膠效果較好，但進行表面施膠時的工藝復(fù)雜，因此一般采用苯丙乳液進行漿內(nèi)施膠。

在揚聲器紙盆和紙漿餐盒的生產(chǎn)過程中，為了提高產(chǎn)品的濕強度，常加入陽離子聚酰胺-環(huán)氧氯丙烷樹脂 (PAE)。為了進一步提高PAE的效果，同時加入羧甲基纖維素 (CMC)，構(gòu)成PAE/CMC二元增強體系［9-11］。本課題研究了在PAE/CMC二元增強體系中苯丙乳液漿內(nèi)施膠效果的影響因素，以及提高施膠效果的方法。

1 實驗

1.1 實驗原料

漂白硫酸鹽針葉木漿 (加拿大進口)，當打漿度為16°SR時，纖維平均長度為2.24 mm，平均寬度為32.2 μm。

苯丙乳液 (陽離子型，天津市合成材料研究所生產(chǎn)，工業(yè)品)，固含量為 25%，電荷密度為2.771 mmol/g。

PAE(陽離子型)，固含量為12.5%，電荷密度為2.156 mmol/g，黏度為 (25±5)mPa·s(25℃)。

羧甲基纖維素 (CMC，陰離子型)，取代度為0.79，電荷密度為5.463 mmol/g，黏度為 (450±50)mPa·s(25℃)。

1.2 實驗方法

1.2.1 纖維處理

取360 g紙漿在Valley打漿機中打漿，打漿度為20°SR，用自來水將紙漿配成2%的漿濃，按一定順序加入規(guī)定量的PAE、CMC和苯丙乳液，然后攪拌5 min。

1.2.2 紙張抄造

采用Rapid-Kothen快速紙頁成形器抄造手抄片，定量為100 g/m2。

1.2.3 紙張物理性能檢測

將抄造好的紙頁在溫度23℃和相對濕度50%下處理4 h以上，紙張所檢測的物理項目及所采用的標準如下:施膠度 (GB/T 5405—2002)，裂斷長 (GB/T 453—2002)，撕裂指數(shù) (GB/T 455—2002)。

2 結(jié)果與討論

2.1 苯丙乳液用量對紙張性能的影響

PAE是抄紙過程中常用的濕強劑，為了增加PAE的效果，同時向漿料中添加CMC，這樣構(gòu)成了PAE/CMC二元增強系統(tǒng)。在先后向漿料中加入用量為0.8%的PAE和用量為0.1%的CMC后，添加不同量的苯丙乳液，研究苯丙乳液用量對紙張施膠度的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 苯丙乳液用量對紙張施膠度的影響

從圖1可以看出，在實驗條件下，隨著苯丙乳液用量的增加，紙張施膠度逐漸升高。當苯丙乳液用量達到1.0%時，紙張出現(xiàn)抗水性能，紙張的抗水性能隨著苯丙乳液用量的增加而上升。

圖2顯示了在PAE/CMC二元增強體系中苯丙乳液用量對紙張力學(xué)性能的影響。從圖2可知，隨著苯丙乳液用量的增加，紙張的裂斷長逐漸增加。苯丙乳液對紙張撕裂指數(shù)的影響恰恰相反，隨著苯丙乳液用量的增加，撕裂指數(shù)逐漸下降，但變化幅度不大。

圖2 苯丙乳液用量對紙張力學(xué)性能的影響

2.2 PAE用量對紙張施膠效果的影響

在固定CMC用量0.1%和苯丙乳液用量2.0%的條件下，研究PAE用量對苯丙乳液施膠效果的影響，結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，隨著PAE用量的增加，紙張施膠度增加。當PAE用量為0時，紙張沒有抗水性，隨著PAE用量的增加，紙張施膠度緩慢上升，PAE用量超過0.4%后施膠度加速上升，當PAE用量為1.0%時，紙張施膠度達到42 s。

圖4顯示了PAE用量對紙張力學(xué)性能的影響。從圖4可知，隨著PAE用量的增加，紙張的裂斷長逐漸增加;PAE對撕裂指數(shù)的影響恰好相反，隨著PAE用量的增加，撕裂指數(shù)下降。這可能是由于當帶陽電荷的PAE用量較少時，帶陰電荷的CMC與帶陽電荷的苯丙乳液作用，減少了苯丙乳液靠靜電引力吸附到纖維上的機會，從而降低施膠效果。然而，隨著PAE用量的增加，PAE和帶有負電荷的CMC形成聚合電解質(zhì)復(fù)合物，吸附到帶負電荷的纖維表面，導(dǎo)致苯丙乳液與CMC作用的量減少，吸附到纖維表面的量增加，提高了紙張施膠度。同時，由于PAE和CMC復(fù)合物吸附到纖維上，增加了纖維之間的結(jié)合力，從而裂斷長提高。紙張的撕裂指數(shù)會隨著PAE用量的增加而下降的原因，也是由于纖維間結(jié)合力的提高，使紙張撕裂時的抵抗力由較大纖維抽出轉(zhuǎn)變?yōu)檩^小纖維本身的斷裂。

圖3 PAE用量對紙張施膠度的影響

圖4 PAE用量對紙張力學(xué)性能的影響

2.3 CMC用量對紙張施膠效果的影響

在固定PAE用量0.8%和苯丙乳液用量2.0%的條件下，研究CMC用量對苯丙乳液施膠效果的影響，結(jié)果如圖5所示。從圖5可知，隨著CMC用量的增加，紙張施膠度隨之下降。當CMC的用量為0.14%時，紙張失去抗水性能。

圖5 CMC用量對紙張施膠度的影響

圖6顯示了CMC用量對紙張力學(xué)性能的影響。從圖6可看出，開始時，隨著CMC用量的增加，裂斷長逐漸增加，但當CMC用量超過0.08%后，隨著CMC用量的增加，裂斷長略有下降。撕裂指數(shù)隨著CMC用量的變化與裂斷長正相反，開始時，隨著CMC用量的增加，撕裂指數(shù)逐漸降低，但當CMC用量超過0.06%后，隨著CMC用量的增加，撕裂指數(shù)開始上升。這主要的原因可能是:當CMC用量低時，優(yōu)先與PAE形成帶正電荷的聚合電解質(zhì)復(fù)合物，吸附到纖維表面上，同時也不影響帶正電荷苯丙乳液的吸附。隨著CMC用量的增加，漿料系統(tǒng)中負電荷量增加，使帶有正電荷的苯丙乳液與在水中的CMC結(jié)合，吸附到纖維上的苯丙乳液減少，紙張抗水性能降低;同時使聚合電解質(zhì)復(fù)合物帶負電荷，影響其在纖維上的吸附，從而使結(jié)合強度下降。

圖6 CMC用量對紙張力學(xué)性能的影響

2.4 PAE與CMC的電荷比對紙張施膠度的影響

圖7 PAE與CMC的電荷比對紙張施膠度的影響

從前面的研究可以看出，PAE和CMC的用量對苯丙乳液的漿內(nèi)施膠效果影響大，這可能與所加入的PAE及CMC的電荷量有關(guān)，為此筆者研究了PAE與CMC的電荷比對苯丙乳液施膠度的影響，結(jié)果如圖7所示。從圖7可知，當PAE與CMC的電荷比低于1.5時，紙張施膠度只有不加PAE和CMC時的10%左右;當PAE與CMC的電荷比大于1.5后，隨著PAE與CMC的電荷比的增加，紙張施膠度快速增加，當PAE與CMC的電荷比為4.0時，紙張施膠度是不加PAE與CMC時的70%左右，繼續(xù)增加PAE與CMC的電荷比，紙張施膠度繼續(xù)上升，但變化幅度減小，當PAE與CMC的電荷比為8.0時，紙張施膠度是不加PAE和CMC時的90%。這表明，為了盡量減少PAE/CMC二元增強體系對苯丙乳液施膠效果的不良影響，應(yīng)該控制好PAE與CMC的電荷比，使其超過一定的數(shù)值，例如，本實驗中PAE與CMC的電荷比應(yīng)至少大于4.0，以盡量減少CMC對苯丙乳液施膠的副作用。

3 結(jié)論

針對揚聲器紙盆、紙漿餐盒等抗水性要求高的模塑產(chǎn)品，研究了在PAE/CMC二元增強體系中苯丙乳液漿內(nèi)施膠效果。用苯丙乳液進行漿內(nèi)施膠時，施膠度隨著苯丙乳液用量的增加而提高。而在PAE/CMC二元增強體系中使用苯丙乳液漿內(nèi)施膠，施膠度主要受PAE與CMC的電荷比的影響。當PAE與CMC的電荷比在1.5～4.0之間時，施膠度隨著PAE與CMC的電荷比的增加顯著提高，當PAE與CMC的電荷比大于4.0時，施膠度變化幅度減小。因此，為了減少PAE/CMC二元增強體系對苯丙乳液施膠效果的不良影響，應(yīng)該控制好PAE與CMC的電荷比。

［1］Otto S dePierne，David L Dauplaise，Robert J Proverb．Styrene/acrylic-type polymers for use as surface sizing agents:US，5139614［P］．1992-08-18．

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［3］戴紅旗，冀 萍，黎 珊．SAA合成表面施膠劑的應(yīng)用研究［J］．上海造紙，2003(3):40．

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Internal Sizing of the Stock Containing PAE/CMC Dual-polymer Strengthening System with Styrene-acrylic Emulsion

ZHANG Wan-bin WANG Gao-sheng*XU Ji
(Tianjin Key Lab of Pulp＆ Paper Engineering，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin，300457)
(*E-mail:gswang@tust．edu．cn)

In this paper，the efficiency of styrene-acrylic emulsion as internal size was discussed when both cationic polyelectrolyte polyamideamine epichlorohydrine(PAE)and anionic poly-electrolyte carboxymethyl cellulose(CMC)were added as strength additives in the papermaking process．The added amount of styrene-acrylic emulsion had a remarkable effect on internal sizing and paper strength．When the dosages of PAE and CMC were constant，and breaking length increased while tear index decreased．Raised amount of PAE could improve sizing degree，but CMC had an adverse effect on sizing degree．Therefore，when PAE/CMC dual-polymer strengthening system and styrene-acrylic emulsion are added simultaneously into stock，electric charge ratio of PAE and CMC is the key factor influencing the internal sizing efficiency of styrene-acrylic emulsion．Sizing degree rapidly increases with the increase of charge ratio of PAE to CMC in the range of 1．5 to 4．0，then begin to level off．The sizing degree is 90%of the control sample when the charge ratio of PAE to CMC is 8．0．

styrene-acrylic emulsion;internal sizing;PAE;CMC;charge ratio

TS727.5

A

0254-508X(2011)09-0015-04

張萬彬女士，在讀碩士研究生;主要研究方向:造紙化學(xué)品和特種功能紙。

2011-04-25(修改稿)

本課題得到天津市科技發(fā)展項目 (項目編號06YFGZGX03900)資助。

(責(zé)任編輯:常 青)