悬浮接枝共聚改性聚乙烯醇纤维的制备及应用

摘要

近年来，合成纤维在造纸工业中得到推广应用，其中水溶性聚乙烯醇(PVA)纤维作为表面增强材料引起人们的广泛关注。但普通的PVA纤维在造纸工业中应用时仍存在一些不足，因此，需要对PVA纤维进行化学改性以提高其对纸张的增强效果，改善纸张性能。PVA纤维表面含有大量的羟基，铈盐可以引发乙烯基单体在纤维表面发生接枝共聚反应。通过接枝共聚反应，在PVA纤维表面引入大量的功能化基团，可以制备具有较高反应活性的改性PVA纤维。在改性PVA纤维复合纸张的制备过程中会发生化学交联反应，形成互穿网络结构，从而提高纸张强度。因此，对PVA纤维的化学改性具有一定的理论研究价值和实际应用意义。
　　通过悬浮接枝共聚法，以硝酸铈铵(CAN)作为引发剂，以甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)作为反应单体，对水溶性聚乙烯醇(PVA)纤维进行表面改性。讨论了GMA添加量，CAN浓度，H+浓度，反应时间，反应温度对改性PVA纤维接枝率(GR)的影响。当GMA浓度为0.36mol/L时，PVA纤维的接枝率出现最大值，之后基本保持稳定;PVA纤维的接枝率随着CAN浓度和H+浓度的增大都呈现出先增大后减小的变化趋势，分别在8×10-3mol/L和0.1mol/L时出现最大值;当反应时间为5h时，PVA纤维的接枝率达到最大值，之后基本保持恒定;最适反应温度为40℃。FT-IR和热重分析(TGA)表明GMA在原纤维表面发生了接枝共聚反应。原子力显微镜(AFM)照片显示，改性PVA纤维形成了表面乳突结构，有助于形成疏水表面。SEM照片表明改性后PVA纤维表面由凹槽状结构变为鳞片状结构。
　　将GMA改性后的PVA纤维与植物纤维一起复合制浆，得到一系列复合高强纸张，研究了改性PVA纤维的接枝率、纸张中改性PVA纤维的质量分数和干燥温度对纸张耐折度、抗张强度以及湿强度的影响。研究结果表明，当改性PVA纤维的接枝率为35％，改性PVA纤维占纸张的质量分数为9％，干燥温度为110℃时，纸张获得较佳强度，耐折度为72次，干拉力为70.40N，湿拉力为15.60N。改性PVA纤维复合纸张的扫描电镜照片显示，添加改性PVA纤维的纸张，其耐折测试断裂面纤维的长度较短，且纸张表面PVA纤维的溶解程度显著下降。
　　通过多元悬浮接枝共聚法，以硝酸铈铵(CAN)作为引发剂，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)和甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)作为功能化单体，制备了一种阳离子型的并且具有反应活性的改性聚乙烯醇(PVA)纤维。讨论了DMC和GMA的添加量（分别为mDMC，mGMA），CAN浓度，H+浓度对PVA纤维接枝率(GR)的影响，以及mDMC和mGMA对纸张强度的影响。研究结果表明，当mDMC为2g，CAN浓度为8×10-3mol/L，H+浓度为0.1mol/L时，纤维的接枝率为15.6％，此时纸张获得较佳强度，耐折度为241次，干拉力为83.10N，湿拉力为30.40N，湿强度为36.58％。FT-IR和X射线能谱(EDX)的测试结果表明GMA和DMC在PVA纤维表面发生了接枝共聚反应。改性PVA纤维的扫描电镜照片表明，当mDMC为2g时，改性PVA纤维表面形成了沿纤维纵向排列的不规则突起。
　　对乙烯基单体在聚乙烯醇纤维表面接枝共聚的反应条件和改性聚乙烯醇纤维对纸张的增强机理进行总结，展望了改性聚乙烯醇纤维在造纸工业中的应用前景。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 水溶性聚乙烯醇纤维简介

1．3 水溶性聚乙烯醇纤维的制备

1．3．1 制备水溶性聚乙烯醇纤维的原料

1．3．2 水溶性聚乙烯醇纤维纺丝原液的制备

1．3．3 水溶性聚乙烯醇纤维的纺丝成型

1．4 聚乙烯醇纤维的改性研究进展

1．4．1 聚乙烯醇纤维的共混改性

1．4．2 聚乙烯醇纤维的共聚改性

1．4．3 聚乙烯醇纤维的表面改性

1．5 聚乙烯醇纤维的应用现状

1．5．1 聚乙烯醇纤维在增强材料中的应用

1．5．2 聚乙烯醇纤维在包装材料中的应用

1．5．3 聚乙烯醇纤维在水溶性材料中的应用

1．5．4 聚乙烯醇纤维在渔业中的应用

1．5．5 聚乙烯醇纤维的应用新进展

1．6 聚乙烯醇纤维在造纸工业中的应用

1．6．1 聚乙烯醇纤维对纸张的增强机理

1．6．2 水溶性聚乙烯醇纤维在应用中的注意事项

1．6．3 造纸工业中使用水溶性聚乙烯醇纤维的优点

1．6．4 水溶性聚乙烯醇纤维用于造纸工业的缺陷及解决方案

1．7 本课题的理论依据和科学意义

1．7．1 本课题的理论依据

1．7．2 本课题的科学意义

2 GMA对水溶性PVA纤维的表面改性

2．1 引言

2．2 GMA改性水溶性PVA纤维的制备实验

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验的主要仪器和设备

2．2．3 GMA改性水溶性PVA纤维的制备

2．2．4 GMA改性PVA纤维接枝率的测定

2．3 GMA改性水溶性PVA纤维的表征

2．3．1 红外光谱分析

2．3．2 热重分析

2．3．3 原子力显微镜分析

2．3．4 扫描电镜分析

2．4 结果与讨论

2．4．1 GMA浓度对PVA纤维接枝率的影响

2．4．2 硝酸铈铵浓度对PVA纤维接枝率的影响

2．4．3 H+浓度对PVA纤维接枝率的影响

2．4．4 反应时间对PVA纤维接枝率的影响

2．4．5 反应温度对PVA纤维接枝率的影响

2．4．6 改性PVA纤维的红外光谱分析

2．4．7 改性PVA纤维的热重分析

2．4．8 改性PVA纤维的原子力显微镜图像(AFM)分析

2．4．9 改性PVA纤维的扫描电镜照片(SEM)分析

2．5 结论

3 GMA改性PVA纤维的应用性能研究

3．1 引言

3．2 GMA改性PVA纤维在纸张中的应用实验

3．2．1 实验的主要试剂及仪器

3．2．2 GMA改性PVA纤维的制备

3．2．3 改性PVA纤维的分析测试

3．2．4 PVA纤维复合纸张的制备

3．2．5 PVA纤维复合纸张强度的测定

3．2．6 PVA纤维复合纸张的扫描电镜分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 改性PVA纤维的制备结果

3．3．2 改性PVA纤维的接枝率对纸张耐折度的影响

3．3．3 改性PVA纤维的接枝率对于纸张抗张强度的影响

3．3．4 改性PVA纤维的用量对纸张耐折度的影响

3．3．5 改性PVA纤维用量对纸张抗张强度的影响

3．3．6 干燥温度对PVA纤维复合纸张耐折度的影响

3．3．7 干燥温度对PVA纤维复合纸张抗张强度的影响

3．3．8 复合纸张的耐折测试断裂面及表面的SEM图像分析

3．4 结论

4 一种阳离子型PVA纤维的制备及其增强机理

4．1 引言

4．2 DMC与GMA改性水溶性PVA纤维的制备实验

4．2．1 实验试剂

4．2．2 实验的主要仪器和设备

4．2．3 DMC与GMA改性PVA纤维的制备

4．2．4 改性PVA纤维接枝率的测定

4．2．5 改性PVA纤维复合纸张的制备

4．2．6 改性PVA纤维复合纸张强度的测定

4．2．7 红外光谱分析

4．2．8 扫描电镜和X射线能谱分析

4．3 结果与讨论

4．3．1 共聚单体组成对PVA纤维接枝率的影响

4．3．2 CAN浓度对PVA纤维接枝率的影响

4．3．3 H+浓度对PVA纤维接枝率的影响

4．3．4 共聚单体组成对PVA纤维复合纸张耐折度的影响

4．3．5 共聚单体组成对PVA纤维复合纸张抗张强度的影响

4．3．6 改性PVA纤维的红外光谱分析

4．3．7 改性PVA纤维的扫描电镜能谱分析

4．3．8 改性PVA纤维的扫描电镜图像分析

4．3．9 纸张中改性PVA纤维的扫描电镜图像分析

4．4 结论

5 结论及展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 进一步的工作及展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

声明