新型丙烯酸酯聚合物的制备及其在纸张表面改性方面的应用

摘要

随着造纸和包装工业的发展，人们对纸张性能的要求也越来越高。因此高性能纸张生产过程中纸张表面处理的作用也越来越大。本论文从苯丙乳液表面施胶剂和碳纳米管接枝含氟聚合物两个角度对纸张进行表面改性处理，研究工作主要集中于以下四个方面:
　　1、首先进行了环氧丙基三甲基氯化铵中间体的合成、马来酸单酯的合成和马来酸酐型反应型乳化剂的合成三步工艺的优化，合成了阳离子马来酸酐型反应型乳化剂。优化了反应条件对产物乳化能力和临界胶束浓度(CMC)的影响。
　　2、其次采用自制的反应型乳化剂，研究了其对苯丙乳液聚合体系的影响，通过曲线拟合获得了各工艺参数的聚合动力学方程。与采用其它类型乳化剂合成的聚合物乳液进行成膜性能对比。研究了通过自制反应型乳化剂制备的聚合物乳液粒子的成核机理。
　　3、然后通过半连续核壳乳液聚合的方法，合成了含氟苯丙表面施胶剂。研究了聚合工艺参数对聚合产物表面施胶效果的影响，获得了最佳合成条件。对采用自制反应型乳化剂与传统乳化剂制备的表面施胶剂乳液的粒子结构和表面施胶效果进行了对比。提出了自制反应型乳化剂存在下的核壳乳液聚合和表面施胶作用机理。
　　4、最后采用磁控溅射的方法在硅基体上制备了连续镍薄膜，然后通过高温氨气对硅基镍薄膜进行预处理，使得薄膜由连续态转变为纳米粒子。以此为催化剂，通过化学气相沉积(CVD)法制备了具有良好定向性的碳纳米管。通过对碳纳米管进行功能化处理，采用原子转移自由基聚合(ATRP)的方法在其表面成功接枝含氟聚合物，并涂布于纸张表面成膜，经刻蚀处理制备出具有优异流体减阻性能的超疏水纸。
　　通过以上方法，完成了纸张的表面改性，实现了纸张的功能化。本论文的主要研究结果如下:
　　1、合成的阳离子马来酸酐型反应型乳化剂具有良好的乳化能力和较低的CMC，避免了乳化剂过度参与水相聚合而导致的架桥凝胶。反应产物马来酸酐部分主要以顺式结构存在，产物未出现异构化。
　　2、通过半连续乳液聚合工艺在反应型乳化剂存在的条件下，合成了聚合物乳液。乳液聚合过程中反应型乳化剂用量、温度、引发剂用量对聚合过程的动力学影响可以通过相应的拟合公式来描述。采用自制反应型乳化剂合成的聚合物乳液具有许多优异的性能。同时提出了一种基于大分子链缠结和电荷链段“包埋”的聚合物乳液粒子成核机理。
　　3、以自制的反应型乳化剂为基础，通过核壳乳液聚合工艺合成了含氟苯丙表面施胶剂。在施胶体系中加入极少量的表面施胶剂就可以显著提高纸张性能。采用反应型乳化剂能够合成出具有特殊结粒子结构的聚合物乳液，在降低成膜温度和减少乳化剂用量以及提高纸张的疏水性和机械强度方面具有独特的优势，而且可以制备许多具有特种功能的化学品。
　　4、氨气在高温下可以对硅基连续的镍薄膜进行刻蚀，细化镍薄膜并使其转变为具有高效催化性能的纳米粒子，以此为基础实现了碳纳米管的定向生长。含氟聚合物通过ATRP反应成功接枝到碳纳米管表面，并且聚合过程中单体配比对疏水纸表面特性有重要影响。流体在超疏水纸表面流动的过程中，固液接触面可以保持在稳定的Cassie状态。
　　本文从反应型乳化剂、乳液聚合、表面施胶剂和碳纳米管接枝含氟聚合物四个层次研究纸张的表面改性方法和作用机理。合成的阳离子马来酸酐型反应型乳化剂具有低CMC，克服了常规乳化剂在实际应用中残留、解析、迁移、冻融稳定性差等缺陷，丰富了乳化剂的品种。采用反应型乳化剂合成的核壳含氟苯丙表面施胶剂以极少的用量添加于表面施胶体系中就可以显著提高纸张的性能，这对于生产高性能、高附加值的纸张具有重要意义。超疏水纸特殊的微结构表面提高了其抗湿、防污和自清洁能力。流体在其表面流动过程中固液界面始终保持稳定的Cassie状态。这对于在成本低廉而且易于加工的材料基体上构建牢固的超疏水表面，拓展特种纸在包装、仿生学、生物医用材料、微纳米器件、智能材料等领域中的应用开辟了新的道路。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 造纸施胶技术的研究进展

1．2．1 浆内施胶

1．2．2 表面施胶

1．3 提高纸张疏水性的其它方法

1．4 碳纳米管及其氟化改性的研究进展

1．4．1 氟化碳纳米管的制备原理和方法

1．4．2 氟化碳纳米管的结构和性质

1．4．3 氟化碳纳米管的应用

1．5 本课题研究的主要内容和意义

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验方法

2．2．3 分析方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 环氧丙基三甲基氯化铵中间体合成工艺的优化

2．3．2 马来酸酐型反应型乳化剂的合成及其乳化能力

2．3．3 反应型乳化剂的结构表征

2．4 本章小结

第三章 反应型乳化剂对苯丙乳液聚合体系的影响

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 主要实验原料

3．2．2 实验方法

3．2．3 表征方法

3．2．4 结果与讨论

3．3 本章小结

第四章 反应型乳化剂存在下核壳含氟苯丙乳液型表面施胶剂的合成

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验方法

4．2．3 表面施胶实验

4．2．4 表征方法

4．2．4 结果与讨论

4．3 本章小结

第五章 碳纳米管接枝含氟丙烯酸酯聚合物的制备及其对纸张的表面改性研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验原料

5．2．2 实验方法

5．2．3 结果与讨论

5．3 本章小结

6．1 总结

6．2 本论文的主要创新点

6．3 下一步的研究工作和展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文以及参与的科研项目