无溶剂阳离子型聚氨酯/聚丙烯酸脂乳液制备表面施胶剂的研究

摘要

随着造纸、印刷及相关研究领域的不断扩大和发展，人们对纸张的要求也越来越高，此时表面施胶的作用不言而喻，所以开发新型表面施胶剂显得越来越重要。水性聚氨酯表面施胶剂，是一种近年来出现的新型表面施胶产品。单一的水性聚氨酯(PU)涂膜具有优异的力学性能、耐磨性、柔韧性和耐化学品性等优点，但是其涂的层耐水性较差、强度较低，且价格较昂贵。而丙烯酸树脂(PA)涂膜耐水性、耐溶剂性等性能较好，同时具有产品涂膜硬度可调，而且价格低廉等特点。因此，PU和PA在使用性质上具有一定的互补作用，聚氨酯-聚丙烯酸酯(PUA)共聚乳液能克服各自的缺点，优势互补，明显的改善乳液及涂膜的性能。通过两者的有机结合，使PUA材料的综合性能得到显著提高，这一方法已经成为研制新型水性聚氨酯的重要途径。
　　 本研究以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、聚醚二醇(PTMG1000)、N甲基二乙醇胺(N-MDEA)、苯乙烯(St)、丙烯酸丁酯(BA)和丙烯酸羟乙酯（HEA）等为主要原料制备了无溶剂阳离子型聚氨酯/聚丙烯酸酯复合乳液(PUA)，系统研究了n(-NCO)/n(-OH)，HEA、MDEA以及丙烯酸树脂用量等对乳液和涂膜性能的影响，并采用多种现代分析手段对其结构、形态和热性能进行了表征。
　　 本研究还对无溶剂阳离子型聚氨酯/聚丙烯酸酯复合乳液应用于造纸表面施胶的实际应用效果进行了探讨。系统研究了HEA、MDEA以及丙烯酸树脂用量等对纸张施胶度、耐折度和抗张强度的影响。采用扫描电镜(SEM)对表面施胶前后的纸张进行了表征。并对施胶后的纸张表面进行了接触角的测量。
　　 研究结果表明：
　　 (1)通过对无溶剂型阳离子水性聚氨酯/聚丙烯酸酯(PUA)复合乳液合成条件的研究，确定出较佳的聚合工艺为：n(NCO)∶n(OH)在1.1～1.2之间，HEA用量为6％，MDEA用量为6％，丙烯酸树脂用量为40％左右。聚合温度为80℃。
　　 (2)通过对涂腊的性能测试表明，在最佳聚合工艺条件下，涂膜具有较好的力学性能和较低的吸水率，拉伸强度（σ）和断裂伸长率（ε）分别为35.6MPa和337％以上，铅笔硬度为HB，涂膜的吸水率为9.26％。
　　 (3)红外光谱(FT-IR)分析证明了制备的阳离子型水性聚氨酯/聚丙烯酸酯复合乳液符合预期的化学结构。热重(TG)分析表明，聚合物的热稳定性良好，起始分解温度在200℃以上，满足了造纸工艺对温度的要求。X射线衍射(XRD)分析表明，无溶剂型阳离子丙烯酸酯涂膜属于非晶态聚合物，呈现无定形态，能够满足正常的使用。粒径分布显示了乳胶粒的粒径大多数分布在一个狭小的区域内，粒径均一。乳液的zeta电位分析说明乳液粒子均一，体系稳定。
　　 (4)将合成的阳离子型聚氨酯/聚丙烯酸酯复合乳液应用于造纸工业的表面施胶。通过表面施胶，施胶度能达到109s以上，纸张的耐折度和抗张强度均有提高。通过SEM可观测到经复合乳液处理后的纸页，纸张纤维因聚合物在其表面成膜，使纸张表面的空隙减少。水与纸张的静态接触角可达124°。