星形阳离子聚丙烯酰胺的合成及其在造纸中的应用

摘要

近年来,随着造纸湿部抄造体系由酸性向中/碱性的转变以及白水系统封闭循环程度的日益提高,那些不具备抵抗高剪切力能力的常规造纸助剂受到了干扰,同时纸料的留着率、滤水性能及纸张的耐破度、撕裂度等物理性能也受到了影响。因此,开发适应复杂配料体系和高速纸机的高效、环保、多功能造纸助剂成为当前研究工作的重点之一。
　　与相同分子量的线性聚合物相比,星形聚合物能够克服线性聚合物的不足,具有表面官能度高、本体和溶液粘度低、流体力学半径小等特点,有望成为造纸湿部抄造体系的良好助剂。
　　论文采用“先核后臂”路线,通过可逆加成-断裂链转移自由基聚合方法合成树核星形阳离子聚丙烯酰胺,研究其对浆料的助留助滤作用以及其对纸张的增强作用效果。
　　首先,依次采用三羟甲基氨基甲烷、酰卤和二硫代苯甲酸对端酯基的树枝状聚酰胺-胺大分子进行端基功能化改性,制得二硫代苯甲酸酯封端的树枝状多官能团可逆加成-断裂链转移(RAFT)自由基聚合链转移剂(PAMAM-DTBA),并用红外谱图和核磁共振波谱方法对其进行分析和表征。然后,在四氢呋喃中,以PAMAM-DTBA为多官能团链转移剂,偶氮二异丙腈(AIBN)为引发剂,丙烯酰胺(AM)和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)为单体进行可逆加成-断裂链转移(RAFT)自由基聚合,合成了树核星形结构的阳离子聚丙烯酰胺(S-CPAM)。通过红外光谱对其分子结构进行了分析表征。研究了聚合反应体系和工艺条件对产物质量的影响,得出合成S-CPAM的最佳工艺条件为:反应温度60℃,反应时间24 h,引发剂用量0.15％(质量分数),链转移剂与引发剂摩尔比为0.417,阳离子单体占总单体的65％(质量分数)。
　　研究了不同应用条件下,S-CPAM对杨木 APMP的助留助滤作用效果。结果表明,S-CAPM的阳电荷密度和相对分子量影响其助留助滤效果。具有较高的阳电荷密度和较高的相对分子质量的S-CAPM对纸料的助留助滤效果较好。纸料的滤水性能和首程留着率随S-CPAM用量的增加而得到提高,当S-CPAM加入量0.5％时,其留着率及滤水性能效果最佳。随着体系剪切作用力的增强、所受剪切作用时间的延长以及浆料体系pH值的升高,S-CPAM的助留助滤作用效果呈下降趋势。但S-CPAM的多臂支化结构对高剪切作用力有一定抵抗作用,且S-CPAM具有pH不敏感性,在较高pH值条件下仍有较好的助留助滤作用。
　　研究了S-CPAM对杨木APMP的增强作用及其最佳使用条件。结果表明:在S-CPAM的加入量为0.3％(绝干浆),反应时间为2.5min,抄纸体系的pH值为8的条件下,S-CPAM对纸张的增强效果最好。纸页的耐破指数、撕裂指数及抗张指数与对照样相比,分别增加了41.7％、11.7％和30.2％。采用扫描电镜(SEM)对加入S-CPAM前后纤维的连接情况进行观察,图像显示,加入S-CPAM后纤维结合更紧密,连接点更多。另外,研究表明,填料会使S-CPAM对纸张的增强效果降低。

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第1章 绪论

1.1 造纸湿部助留助滤剂及其作用机理

1.2 纸张增强剂及其作用机理

1.3 RAFT聚合及其在聚合物分子设计中的应用

1.4 星形聚合物的表征分析

1.5 星形聚合物在造纸中的应用

1.6 论文的研究目的、意义和内容

第2章 RAFT链转移剂PAMAM-DTBA的合成与表征

2.1 实验部分

2.2 结果与讨论

2.3 结论

第3章 RAFT聚合合成星形阳离子聚丙烯酰胺

3.1 实验部分

3.2 结果与讨论

3.3 结论

第4章 S-CPAM对杨木APMP的助留助滤作用

4.1 实验部分

4.2 结果与讨论

4.3 结论

第5章 S-CPAM对杨木APMP的增强作用

5.1 实验部分

5.2 结果与讨论

5.3 结论

第6章 全文总结

6.1 RAFT链转移剂PAMAM-DTBA的合成及分析表征

6.2 RAFT聚合合成星形阳离子聚丙烯酰胺

6.3 S-CPAM对杨木APMP的助留助滤作用

6.4 S-CPAM对杨木APMP的增强作用

6.5 论文创新之处

6.6 需要进一步研究的工作

参考文献

致谢

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