阳离子型接枝淀粉聚合物的合成及应用

摘要

近年来,随着我国造纸工业的蓬勃发展,淀粉及其衍生物因其具有无毒、可生物降解、来源广泛、价格低廉、可再生等特点,在造纸工业中的需求和消费量越来越大。由于天然淀粉随着温度升高易膨胀糊化、力学性能差、缺乏耐水及乳化能力,使得其应用受到很大限制。为了扩大淀粉的应用范围,必须对其进行结构改性,接枝共聚是淀粉改性的主要方法之一。
　　 淀粉接枝聚合物是以亲水的半刚性链的淀粉大分子为骨架与带有极性基团的烯类不饱和单体接枝共聚,使共聚物具有天然高分子和人工合成高分子两者的性质,取长补短,形成刚柔相济的分子结构特点,淀粉的接枝共聚改性成为国内外科学工作者近年来研究热点之一。本研究采用功能性单体与经过预处理的变性淀粉合成了一种性能优越的阳离子型复合淀粉接枝聚合物,并探讨了用它作为表面施胶剂的应用性能。
　　 首先,研究了不同因素对淀粉接枝共聚的影响。讨论了淀粉预处理、单体种类、单体配比、引发剂种类、引发剂用量、温度以及反应时间等因素对淀粉接枝共聚的影响。其次,考察了不同聚合工艺合成的淀粉接枝聚合物分别在瓦楞原纸和高得率浆APMP的表面施胶中的应用。再次,研究了淀粉接枝物与其它疏水聚合物进行改性和复配,通过这种方式进一步提高接枝淀粉的施胶性能和强度性能。最后,利用仪器分析对所得产品进行了表征,包括红外光谱、扫描电镜、差示扫描量热分析、稳定性、粒径及Zeta电位等表征。
　　 结果表明,较佳的阳离子型淀粉接枝共聚物合成条件是:通过对淀粉进行预处理,氧化剂双氧水(质量分数为30.0％)用量为绝干淀粉的18.0%,以H2O2-FeSO4为引发体系,引发剂双氧水(质量分数为30.0%)用量为单体的2.0%,单体与淀粉的质量比为2:1,苯乙烯与丙烯酸丁酯质量为1.5:1,聚合反应温度为85.0℃,反应时间为3.0h。
　　 与瓦楞原纸空白样相比,纸张Cobb值由空白样的59.7g/m2降低至22.3g/m2,环压指数由空白样的4.5N.m/g提高到了6.6N.m/g。与高得率浆手抄片空白样相比,纸页Cobb值由62.3g/m2下降至27.1g/m2,抗张指数由12.4N·m/g提高到42.2N·m/g,耐破指数由0.6kPa·m2/g提高到1.9kPa.m2/g,撕裂指数由6.1mN·m2/g提高到6.5mN·m2/g。
　　 以聚氨酯预聚体作为一种抗水性单体合成了聚氨酯阳离子接枝淀粉施胶剂,聚氨酯预聚体的较佳合成条件为:甲苯二异氰酸酯用量为1,4-丁二醇的15.0%,反应温度为80.0℃;施胶剂的较佳合成条件为:聚氨酯预聚体用量为绝干淀粉的10.0%,单体与淀粉的质量比为2:1,苯乙烯与丙烯酸丁酯的质量比为1.5:1。与瓦楞原纸空白样相比,Cobb值由59.7g/m2降低至21.2g/m2;环压指数由4.5N·m/g提高到6.8N·m/g。
　　 红外光谱、扫描电镜等分析表明单体成功地接枝在了淀粉骨架上,阳离子型接枝淀粉聚合物在纸页上与纤维形成网状结构的坚韧的膜,施胶性能优良,差示扫描量热分析表明淀粉接枝聚合物的玻璃化温度为68.0℃,适于表面施胶。