苯丙乳液在添加PAE/CMC增强剂的浆料中的施胶性能

2011-11-21张万彬王高升

中国造纸 2011年9期

关键词：苯丙施胶电荷

张万彬王高升许骥

(天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457)

苯丙乳液在添加PAE/CMC增强剂的浆料中的施胶性能

张万彬王高升许骥

(天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457)

针对扬声器纸盆、纸浆餐盒等抗水性要求高的模塑产品，研究了在阳离子聚酰胺-环氧氯丙烷树脂 (PAE)和羧甲基纤维素 (CMC)组成的PAE/CMC二元增强体系中苯丙乳液浆内施胶效果。结果表明，在PAE/CMC二元增强体系中，PAE与CMC的电荷比影响苯丙乳液施胶效果，当PAE与CMC的电荷比在1.5～4.0之间，随着PAE和CMC的电荷比的增加，纸张施胶度快速增加，继续增加PAE与CMC的电荷比，纸张施胶度变化趋缓，当PAE与CMC的电荷比为8.0时，继续增加PAE与CMC的电荷比，纸张的施胶度基本不变。

苯丙乳液;浆内施胶;PAE;CMC;电荷比

苯丙乳液主要由苯乙烯、丙烯酸酯和各种功能单体共聚而成，目前广泛用于纸张的表面施胶。自Otto S.dePierne等人［1］发明了苯丙乳液作为表面施胶剂的方法后，国内外对此开展了比较深入的研究，Louis R.Dragner等人［2］研究了苯丙乳液与淀粉复配作为表面施胶剂;戴红旗等人［3-5］研究了苯丙乳液与氧化淀粉复配作为表面施胶剂，同时增加纸张表面强度和抗水性;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为表面施胶剂对纸张抗水性能和物理强度的影响。苯丙乳液作为表面施胶剂有合成工艺简单、黏度低、泡沫少、使用方便、抗水效果好的特点。其施胶机理被认为是具有阳电荷的苯丙乳液聚合物分子，通过与淀粉的交联反应，形成网状的抗水薄膜，同时与带负电的纤维结合，在纸张表面形成致密的抗水薄膜。显然其施胶机理与常用的松香胶、AKD和ASA不同。对于扬声器纸盆、纸浆餐盒等抗水性要求高的模塑产品，一般为间歇生产，产品造型立体化，使用AKD和ASA等施胶剂，在使用过程中易水解，难以得到稳定的施胶效果。苯丙乳液虽然表面施胶效果较好，但进行表面施胶时的工艺复杂，因此一般采用苯丙乳液进行浆内施胶。

在扬声器纸盆和纸浆餐盒的生产过程中，为了提高产品的湿强度，常加入阳离子聚酰胺-环氧氯丙烷树脂 (PAE)。为了进一步提高PAE的效果，同时加入羧甲基纤维素 (CMC)，构成PAE/CMC二元增强体系［9-11］。本课题研究了在PAE/CMC二元增强体系中苯丙乳液浆内施胶效果的影响因素，以及提高施胶效果的方法。

1 实验

1.1 实验原料

漂白硫酸盐针叶木浆 (加拿大进口)，当打浆度为16°SR时，纤维平均长度为2.24 mm，平均宽度为32.2 μm。

苯丙乳液 (阳离子型，天津市合成材料研究所生产，工业品)，固含量为 25%，电荷密度为2.771 mmol/g。

PAE(阳离子型)，固含量为12.5%，电荷密度为2.156 mmol/g，黏度为 (25±5)mPa·s(25℃)。

羧甲基纤维素 (CMC，阴离子型)，取代度为0.79，电荷密度为5.463 mmol/g，黏度为 (450±50)mPa·s(25℃)。

1.2 实验方法

1.2.1 纤维处理

取360 g纸浆在Valley打浆机中打浆，打浆度为20°SR，用自来水将纸浆配成2%的浆浓，按一定顺序加入规定量的PAE、CMC和苯丙乳液，然后搅拌5 min。

1.2.2 纸张抄造

采用Rapid-Kothen快速纸页成形器抄造手抄片，定量为100 g/m2。

1.2.3 纸张物理性能检测

将抄造好的纸页在温度23℃和相对湿度50%下处理4 h以上，纸张所检测的物理项目及所采用的标准如下:施胶度 (GB/T 5405—2002)，裂断长 (GB/T 453—2002)，撕裂指数 (GB/T 455—2002)。

2 结果与讨论

2.1 苯丙乳液用量对纸张性能的影响

PAE是抄纸过程中常用的湿强剂，为了增加PAE的效果，同时向浆料中添加CMC，这样构成了PAE/CMC二元增强系统。在先后向浆料中加入用量为0.8%的PAE和用量为0.1%的CMC后，添加不同量的苯丙乳液，研究苯丙乳液用量对纸张施胶度的影响，结果如图1所示。

图1 苯丙乳液用量对纸张施胶度的影响

从图1可以看出，在实验条件下，随着苯丙乳液用量的增加，纸张施胶度逐渐升高。当苯丙乳液用量达到1.0%时，纸张出现抗水性能，纸张的抗水性能随着苯丙乳液用量的增加而上升。

图2显示了在PAE/CMC二元增强体系中苯丙乳液用量对纸张力学性能的影响。从图2可知，随着苯丙乳液用量的增加，纸张的裂断长逐渐增加。苯丙乳液对纸张撕裂指数的影响恰恰相反，随着苯丙乳液用量的增加，撕裂指数逐渐下降，但变化幅度不大。

图2 苯丙乳液用量对纸张力学性能的影响

2.2 PAE用量对纸张施胶效果的影响

在固定CMC用量0.1%和苯丙乳液用量2.0%的条件下，研究PAE用量对苯丙乳液施胶效果的影响，结果如图3所示。从图3可知，随着PAE用量的增加，纸张施胶度增加。当PAE用量为0时，纸张没有抗水性，随着PAE用量的增加，纸张施胶度缓慢上升，PAE用量超过0.4%后施胶度加速上升，当PAE用量为1.0%时，纸张施胶度达到42 s。

图4显示了PAE用量对纸张力学性能的影响。从图4可知，随着PAE用量的增加，纸张的裂断长逐渐增加;PAE对撕裂指数的影响恰好相反，随着PAE用量的增加，撕裂指数下降。这可能是由于当带阳电荷的PAE用量较少时，带阴电荷的CMC与带阳电荷的苯丙乳液作用，减少了苯丙乳液靠静电引力吸附到纤维上的机会，从而降低施胶效果。然而，随着PAE用量的增加，PAE和带有负电荷的CMC形成聚合电解质复合物，吸附到带负电荷的纤维表面，导致苯丙乳液与CMC作用的量减少，吸附到纤维表面的量增加，提高了纸张施胶度。同时，由于PAE和CMC复合物吸附到纤维上，增加了纤维之间的结合力，从而裂断长提高。纸张的撕裂指数会随着PAE用量的增加而下降的原因，也是由于纤维间结合力的提高，使纸张撕裂时的抵抗力由较大纤维抽出转变为较小纤维本身的断裂。

图3 PAE用量对纸张施胶度的影响

图4 PAE用量对纸张力学性能的影响

2.3 CMC用量对纸张施胶效果的影响

在固定PAE用量0.8%和苯丙乳液用量2.0%的条件下，研究CMC用量对苯丙乳液施胶效果的影响，结果如图5所示。从图5可知，随着CMC用量的增加，纸张施胶度随之下降。当CMC的用量为0.14%时，纸张失去抗水性能。

图5 CMC用量对纸张施胶度的影响

图6显示了CMC用量对纸张力学性能的影响。从图6可看出，开始时，随着CMC用量的增加，裂断长逐渐增加，但当CMC用量超过0.08%后，随着CMC用量的增加，裂断长略有下降。撕裂指数随着CMC用量的变化与裂断长正相反，开始时，随着CMC用量的增加，撕裂指数逐渐降低，但当CMC用量超过0.06%后，随着CMC用量的增加，撕裂指数开始上升。这主要的原因可能是:当CMC用量低时，优先与PAE形成带正电荷的聚合电解质复合物，吸附到纤维表面上，同时也不影响带正电荷苯丙乳液的吸附。随着CMC用量的增加，浆料系统中负电荷量增加，使带有正电荷的苯丙乳液与在水中的CMC结合，吸附到纤维上的苯丙乳液减少，纸张抗水性能降低;同时使聚合电解质复合物带负电荷，影响其在纤维上的吸附，从而使结合强度下降。

图6 CMC用量对纸张力学性能的影响

2.4 PAE与CMC的电荷比对纸张施胶度的影响

图7 PAE与CMC的电荷比对纸张施胶度的影响

从前面的研究可以看出，PAE和CMC的用量对苯丙乳液的浆内施胶效果影响大，这可能与所加入的PAE及CMC的电荷量有关，为此笔者研究了PAE与CMC的电荷比对苯丙乳液施胶度的影响，结果如图7所示。从图7可知，当PAE与CMC的电荷比低于1.5时，纸张施胶度只有不加PAE和CMC时的10%左右;当PAE与CMC的电荷比大于1.5后，随着PAE与CMC的电荷比的增加，纸张施胶度快速增加，当PAE与CMC的电荷比为4.0时，纸张施胶度是不加PAE与CMC时的70%左右，继续增加PAE与CMC的电荷比，纸张施胶度继续上升，但变化幅度减小，当PAE与CMC的电荷比为8.0时，纸张施胶度是不加PAE和CMC时的90%。这表明，为了尽量减少PAE/CMC二元增强体系对苯丙乳液施胶效果的不良影响，应该控制好PAE与CMC的电荷比，使其超过一定的数值，例如，本实验中PAE与CMC的电荷比应至少大于4.0，以尽量减少CMC对苯丙乳液施胶的副作用。

3 结论

针对扬声器纸盆、纸浆餐盒等抗水性要求高的模塑产品，研究了在PAE/CMC二元增强体系中苯丙乳液浆内施胶效果。用苯丙乳液进行浆内施胶时，施胶度随着苯丙乳液用量的增加而提高。而在PAE/CMC二元增强体系中使用苯丙乳液浆内施胶，施胶度主要受PAE与CMC的电荷比的影响。当PAE与CMC的电荷比在1.5～4.0之间时，施胶度随着PAE与CMC的电荷比的增加显著提高，当PAE与CMC的电荷比大于4.0时，施胶度变化幅度减小。因此，为了减少PAE/CMC二元增强体系对苯丙乳液施胶效果的不良影响，应该控制好PAE与CMC的电荷比。

［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．

［2］Louis R Dragner，John P Farewell．Process for surface sizing paper or paperboard:US，5591489［P］．1997-01-07．

［3］戴红旗，冀萍，黎珊．SAA合成表面施胶剂的应用研究［J］．上海造纸，2003(3):40．

［4］秦静，戴红旗，张玫，等．苯丙乳液表面施胶剂的合成与应用［J］．造纸化学品，2005(3):33．

［5］黎珊，戴红旗，丁艳兰．苯乙烯-甲基丙烯酸表面施胶剂的合成［J］．中国造纸学报，2006，21(2):51．

［6］马妤，沈一丁．阳离子丙烯酸树脂乳液施胶剂的制备及应用［J］．中国造纸学报，2008，23(3):60．

［7］李翾，沈一丁，费贵强，等．自交联苯丙乳液的无皂聚合及其结构与表面施胶性能［J］．中国造纸学报，2009，24(1):100．

［8］王海花，沈一丁，陈镜仟，等．明胶/自交联苯丙聚合物的制备及其表面施胶性能［J］．造纸科学与技术，2010(4):20．

［9］李建，王高升，高莉，等．PAE/CMC二元增强系统研究［J］．中华纸业，2007(3):47．

［10］蔺亚娟，王高升，杨甲一，等．PAE/CMC二元增强系统在旧瓦楞纸浆中的应用研究［J］．中华纸业，2008(4):32．

［11］王高升，蔺亚娟，杨甲一，等．聚电解质复合物对OCC再生浆强度性能的影响［J］．中国造纸学报，2008，23(2):67．

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