改性阳离子丙烯酸树脂的合成及其结构与性能对纸张施胶作用的影响

摘要

本研究在催化剂和助溶剂作用下，以聚乙烯醇(PVA)为分散剂，乙二醛为交联剂，以苯乙烯(St)、丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸(MAA)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)和丙烯酸十八酯(ODA)为主要单体，采用无皂乳液聚合法制备改性阳离子丙烯酸树脂。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。研究了w(PVA)、n(BA)/n(St)、w(DMC)、w(MAA)和w(乙二醛)对树脂乳液粒径及粒径分布和纸张的施胶度及表面强度的影响，并分析了w(PVA)、n(BA)/n(St)、交联剂、助溶剂对乳液流变性的影响。讨论了改性阳离子丙烯酸树脂胶膜力学性能和耐水性的影响因素。 改性阳离子丙烯酸树脂可应用于造纸表面施胶和浆内施胶。本文对该树脂对纸张表面施胶和浆内施胶的实际应用效果及其过程作用机理进行了初步探讨。 研究结果表明： (1)较佳的无皂乳液聚合工艺：半连续种子聚合法，w(DMC)=10％，w(PVA)=8％，w(catalyst)=0.2％，w(MAA)=5％，n(BA)：n(St)=1.1:1，w(ODA)=0.8％，w(乙二醛)=3.5％，w(异丙醇)=0.5％；聚合反应温度为80℃，在反应初期加入1/4的单体及1/3的引发剂，反应1h，然后在1h内缓慢滴加完剩余单体及引发剂，继续反应3h。然后与乙二醛在85℃下，反应2h即得产品。 (2)成膜性测试表明，当w(PVA)=8.0％、w(乙二醛)=3.5％、w(异丙醇)=0.5％时，胶乳膜具有较好的力学性能和耐水性，拉伸强度(σ)和断裂伸长率(ε)分别为8.520MPa和40％以上，水接触角可达到92.5°。 (3)流变性测试表明，改性阳离子丙烯酸树脂乳液为非牛顿流体，有一定的假塑性和触变性，表观粘度随切变速率的变化规律呈现一定的切力变稀特征，流动指数范围n为0.982～0.675之间，随w(PVA)、w(DMC)、w(乙二醛)、w(异丙醇)的不同而异。乳液的表观粘度随w(PVA)和w(乙二醛)的增加而增加；随w(DMC)的增加而降低；助溶剂的加入改善了乳液的流动性。 (4)红外光谱(FT-IR)分析证实了树脂中各单体单元的存在，试验成功制得改性阳离子丙烯酸树脂。透射电镜(TEM)分析可知乳胶粒分布呈规则球状，表面光滑洁净，分布均一。动态激光光散射(DLLS)分析可知树脂乳液的平均粒径为165.7nm。广角X射线衍射(WAXD)谱图显示有一弥散形宽峰，表明改性阳离子丙烯酸树脂属于非晶态聚合物。差示扫描量热(DSC)测定结果显示聚合物的玻璃化转变温度为50.3℃。热重(TG)分析表明，聚合物的起始分解温度为150℃左右，可以满足一般造纸工艺的温度要求。原子力显微镜(AFM)分析表明树脂成膜表面相对平整、光滑，且均匀。 (5)将所制备的改性阳离子丙烯酸树脂用在造纸工业，其可用于表面施胶，也可用于浆内施胶。两种处理方法均可以赋予纸张一定的防水性，并改善纸张的强度性能。纸张表面施胶应用实验表明，单独使用该聚合物施胶剂，纸张的抗张强度、耐折度、平滑度、白度分别提高22.32％、38.2％、20.25％、1.71％，且与氧化淀粉复配使用的效果均接近于或高于单独使用聚合物乳液的纸张。纸张浆内施胶应用实验表明，在较宽pH值下施胶剂用量为1.5％左右时纸张性能较好。通过SEM可观测到共聚物处理后的纸页纤维编织紧密，纤维间发生粘结，空隙率降低。 以上研究表明，通过无皂乳液聚合可制备出具有强阳离子性、无乳化剂、乳胶粒分布较为均一、表面光滑洁净的改性阳离子丙烯酸树脂乳液；乳液为非牛顿流体，有一定的假塑性和触变性，流变性好，便于施胶；乳胶膜的耐水性和力学性能较好；该树脂作为表面施胶剂或浆内施胶剂在造纸工业上都具有较好的应用效果。

目录

文摘

英文文摘

声明

1.绪论

1.1造纸施胶剂的研究进展

1.1.1表面施胶

1.1.2浆内施胶

1.2丙烯酸树脂改性的研究进展

1.2.1基于聚合工艺的改性

1.2.2基于聚合物组成的改性

1.3阳离子丙烯酸树脂合成及应用进展

1.4无皂乳液聚合的研究

1.4.1概述

1.4.2成核及增长机理

1.4.3提高无皂乳液稳定性的措施

1.4.4无皂乳液的应用研究

1.5本课题的意义及任务

1.5.1本课题的意义

1.5.2本课题的任务

2.合成部分

2.1主要原料及其预处理

2.1.1主要单体

2.1.2功能性单体

2.1.3高分子分散剂

2.1.4引发剂

2.1.5交联剂

2.1.6主要原料

2.2实验仪器

2.3合成原理和合成工艺

2.3.1合成原理

2.3.2合成工艺

2.4性能测试

2.4.1乳液性能测试

2.4.2纸张的性能测试

2.4.3膜的制备及性能测试

2.4.4乳液流变性测试

2.5结果与讨论

2.5.1乳液的性质

2.5.2聚合条件的确定

2.5.3聚合条件对成膜性的影响

2.5.4聚合条件对流变性的影响

3结构与性能表征

3.1红外光谱(IR)分析

3.1.1测试仪器及方法

3.1.2测试结果与讨论

3.2动态激光光散射(DLLS)分析

3.2.1测试仪器及方法

3.2.2测试结果与讨论

3.3乳液颗粒形态透射电镜(TEM)分析

3.3.1测试仪器及方法

3.2.2测试结果与讨论

3.4广角X射线(WAXD)分析

3.4.1测试仪器及方法

3.4.2测试结果与讨论

3.5差示扫描量热(DSC)分析

3.5.1测试仪器及方法

3.5.2测试结果与讨论

3.6热失重(TG)分析

3.6.1测试仪器及方法

3.6.2测试结果与讨论

3.7原子力显微镜(AFM)分析

3.7.1测试仪器及方法

3.7.2单晶硅表面预处理及薄膜的制备

3.7.4测试结果与讨论

4应用部分

4.1表面施胶

4.1.1主要原料

4.1.2实验方法

4.1.3性能检测方法

4.1.4单独使用改性阳离子丙烯酸树脂对纸张性能的影响

4.1.5复配体系对纸张性能的影响

4.2浆内施胶研究

4.2.1实验原料

4.2.2抄片及性能检测方法

4.2.3胶料用量对纸张性能的影响

4.2.4施胶体系pH值对纸张性能的影响

4.2.5硫酸铝对纸张施胶度效果的影响

4.3改性阳离子丙烯酸树脂的施胶前后纸页扫描电镜(SEM)分析

4.3.1测试仪器及方法

4.3.2测试结果与讨论

4.4改性阳离子丙烯酸树脂的施胶作用机理推断

4.4.1表面施胶过程

4.4.2浆内施胶过程

5结论

5.1主要工作

5.1.1合成与结构性能表征部分

5.1.2应用部分

5.2主要创新点

5.3进一步的工作

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录