一种粉煤灰纤维与木纤维混溶改性剂的制备及应用方法

摘要

一种粉煤灰纤维与木纤维混溶改性剂的制备及应用方法，其特征在于：首先将丙烯酸聚合，得到聚丙烯酸水溶液，再往其中加入N，N-二甲基-1，3-丙二胺进行酰胺化，将酰胺化后的产物升温至50～70℃，然后加入氯乙酸，最后加入NaOH进行中和，得到两性聚丙烯酸酰胺化改性剂。其次，将粉煤灰纤维分散在水中，以干纤计重量浓度为3～5％，浸泡20～30分钟，加入用水稀释1倍的两性聚丙烯酸酰胺化改性剂，搅拌3～5分钟，停止搅拌，平衡吸附20～40分钟，将粉煤灰纤维从水相中取出，得到改性后的粉煤灰纤维。改性后的粉煤灰纤维可直接与木浆或草浆混合进行抄纸，也可将其干燥后再与木浆或草浆在水溶液中混合进行抄纸。用本方法制备的两性聚丙烯酸酰胺化改性剂可以增加粉煤灰纤维与木浆或草浆纤维之间的结合力，改善掺有粉煤灰纤维纸张的强度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种粉煤灰纤维与木纤维混溶改性剂的制备及应用方法，具体地说，是一种用于造纸的粉煤灰纤维与木纤维混溶改性剂的制备及应用工艺方法。

背景技术

木浆纤维或草浆纤维是一种束状结构，每一束由很多更细小的纤维组成，造纸过程中通过打浆，将束状的纤维打散成细小的纤维，细小的纤维表面带有大量的亲水性的羟基，这些羟基可以使纤维在水中能更好的分散，也使纤维之间可以通过氢键而相互结合。粉煤灰纤维是用粉煤灰加助熔剂在高温熔融下成纤，粉煤灰纤维结构单一，表面较光滑，不能打散成更细的纤维，粉煤灰纤维表面的羟基含量也比木浆纤维或草浆纤维少很多。这就造成粉煤灰纤维彼此间及粉煤灰纤维与木浆纤维或草浆纤维间的结合力差，如何提高粉煤灰纤维的结合力成了粉煤灰纤维应用于造纸成败的关键。

中国专利CN101503280公开了一种无机纤维软化增强剂及其制备方法，将H₂O₂、聚乙烯醇和氢氧化钾在50℃～60℃反应2～4h，反应结束后加入醚化剂，在50℃～70℃下反应4～8h，调节溶液pH＝7～8得到无机纤维软化增强剂。该发明的软化增强剂适用于通过物理或热熔法生产的各种无机纤维材料，包括玄武岩纤维、硅灰石纤维、海泡石纤维、石膏纤维、粉煤灰纤维以及玻璃纤维的软化增强剂处理。通过这种软化增强剂可提高无机纤维的柔软性和强度，改善无机纤维在打浆、分散、输送过程易于断裂的弊端，改变无机纤维表面的电荷性，增强无机纤维与植物纤维的结合力，极大改善无机纤维用于湿法造纸制作纸张、保温棉板等的应用性能。

中国专利CN1843992公开了一种粉煤灰制作纤维的风冷方法及其装置。技术方案为：其方法是，在连接制纤辊的主轴的一端通入压缩空气，压缩空气穿射制纤辊前端的孔，带走制纤辊上的部分热量使其冷却，通过调节压缩空气的压力和气流量使制纤辊降至合适温度。其装置包括制纤辊、主轴、滚动轴承、进风管、风管和空压机，制纤辊的后端与主轴一端密封连接，滚动轴承外圈固定在主轴另一端部，进风管紧配在滚动轴承内圈，风管一端连接进风管一端连接空压机。其优点是：可生产出直径小于5μm粉煤灰纤维，其含渣率量低于5％以下；所获得的纤维更细，对渣球的分离效果更好；可满足不同成分粉煤灰原料制纤的工艺要求，同时也保证了辊头的使用寿命，通常可达到200小时左右。

中国专利CN1834047公开了一种粉煤灰纤维除渣方法。其技术方案包括下列步骤：原料破碎松散；制作纤维浆料；浆料流动使渣球与纤维分离；纤维采集。其优点是：1)采用本发明方法所获得的粉煤灰纤维其渣球的含量极低，渣球率低于0.2％，纤维纯度高，能分离出细度在5μm以下的各级细度的粉煤灰纤维；2)本发明方法不会产生任何环境污染，且生产中所用水可反复使用，节约水源；3)利用本发明方法所获得的粉煤灰纤维可代替植物纤维用于造纸或生产各种复合材料，从而可节约大量的木材及植物纤维，同时可避免或减少制造植物纤维时所造成的环境污染。

上述各种发明涉及的内容虽有利于粉煤灰纤维应用于造纸，但对粉煤灰纤维与植物纤维的结合状态的改善是力所不及。因此，本发明以此为改进目标，从改善粉煤灰纤维的表面化学性能为出发点，通过添加表面活性剂来增加粉煤灰纤维与植物纤维的结合力。本发明解决这一问题的创新方法为：：在水溶性聚合物聚丙烯酸的链上接上阳离子和阴离子基团，水溶性聚合物聚丙烯酸分子链上有很多羧基，有很好的亲水性和形成氢键的能力，聚丙烯酸分子链上接上去的阳离子基团容易与木浆或草浆纤维上所带的负电荷作用，而接到木浆或草浆纤维上，从而改善粉煤灰纤维彼此间及与木浆或草浆纤维间结合力。聚丙烯酸分子链上接上去的阴离子基团有助于使聚丙烯酸分子链伸展，使聚丙烯酸分子均匀地铺展在煤灰纤维的表面。

发明内容

一种粉煤灰纤维与木纤维混溶改性剂的制备及应用方法，其特征在于：首先将丙烯酸聚合，得到聚丙烯酸水溶液，再往其中加入N，N-二甲基-1，3-丙二胺进行酰胺化，将酰胺化后的产物升温至50～70℃，然后加入氯乙酸，最后加入NaOH进行中和，得到两性聚丙烯酸酰胺化改性剂。其次，将粉煤灰纤维分散在水中，以干浆计重量浓度为3～5％，浸泡20～30分钟，加入用水稀释1倍的两性聚丙烯酸酰胺化改性剂，搅拌3～5分钟，停止搅拌，平衡吸附20～40分钟，将粉煤灰纤维从水相中取出，得到改性后的粉煤灰纤维。改性后的粉煤灰纤维可直接与木浆或草浆进行抄纸，也可将其干燥后再与木浆或草浆进行抄纸。

所述的丙烯酸聚合方法是：先往反应釜中加入水和焦亚硫酸钠，焦亚硫酸钠的加入量为丙烯酸绝干重量的1～3％，将反应釜升温至90℃，然后将浓度30～70％的丙烯酸水溶液和浓度5～10％的过硫酸铵水溶液同时滴加到反应釜中。过硫酸铵加入量为：过硫酸铵的绝干重量为丙烯酸绝干重量的0.5～1.5％，滴加时间为2～5小时，然后升温至95～98℃，保温0.5～1小时，冷却至50℃以下。

所述的N，N-二甲基-1，3-丙二胺的加入量为丙烯酸绝干重量的10～30％。

所述的氯乙酸的加入量为：氯乙酸与N，N-二甲基-1，3-丙二胺的摩尔比为1∶1。

所述的NaOH的加入量为：NaOH与氯乙酸的摩尔比为1∶1。

所述的在粉煤灰纤维水相中加入两性聚丙烯酸酰胺化改性剂，其加入量为：两性聚丙烯酸酰胺化改性剂绝干重量为粉煤灰纤维绝干重量的1～5％。

所述的改性粉煤灰纤维与木浆或草浆纤维混合，以干浆计改性粉煤灰纤维∶木浆或草浆纤维为1∶2～5。

用本方法制备的两性聚丙烯酸酰胺化改性剂，可以改善粉煤灰纤维在水中的分散性，可以增加粉煤灰纤维与木浆或草浆纤维之间的结合力，改善掺有粉煤灰纤维纸张的强度。

具体实施方式

实施例1

在100升带搅拌、加热的反应釜中加入20kg水，开启搅拌，将0.5kg的焦亚硫酸钠加入到反应釜中，将其充分溶解，开加热使反应釜升温到90℃，然后将浓度50％的丙烯酸水溶液40kg和浓度10％的过硫酸铵水溶液3kg同时滴加到反应釜中。滴加时间为4小时，然后升温至95℃，保温0.5小时，冷却至50℃以下。再往反应釜中加入N，N-二甲基-1，3-丙二胺4kg，将反应釜升温至70℃，然后加入氯乙酸3.7kg，最后加入NaOH 1.6kg进行中和，得到重量浓度为41.4％的两性聚丙烯酸酰胺化改性剂68kg。

将800kg粉煤灰纤维分散在20吨水中，浸泡30分钟，称取上述两性聚丙烯酸酰胺化改性剂68kg加入68kg水进行稀释，加入到反应釜中，搅拌5分钟，停止搅拌，平衡吸附20分钟，将粉煤灰纤维从水中取出，得到改性后的粉煤灰纤维，改性后的粉煤灰纤维直接用于木浆或草浆进行抄纸。改性粉煤灰纤维与木浆或草浆纤维混合，以干浆计改性粉煤灰纤维∶木浆或草浆纤维为1∶2。

实施例2

在100升带搅拌、加热的反应釜中加入20kg水，开启搅拌，将0.4kg的焦亚硫酸钠加入到反应釜中，将其充分溶解，开加热使反应釜升温到90℃，然后将浓度70％的丙烯酸水溶液20kg和浓度5％的过硫酸铵水溶液4.2kg同时滴加到反应釜中。滴加时间为5小时，然后升温至98℃，保温1小时，冷却至50℃以下。再往反应釜中加入N，N-二甲基-1，3-丙二胺1.9kg，将反应釜升温至50℃，然后加入氯乙酸1.7kg，最后加入NaOH 0.7kg进行中和，得到重量浓度为40.0％的两性聚丙烯酸酰胺化改性剂45kg。

将360kg粉煤灰纤维分散在12吨水中，浸泡20分钟，称取上述两性聚丙烯酸酰胺化改性剂45kg加入45kg水进行稀释，加入到反应釜中，搅拌3分钟，停止搅拌，平衡吸附40分钟，将粉煤灰纤维从水中取出、烘干，得到改性后的粉煤灰纤维。改性粉煤灰纤维与木浆或草浆纤维混合，以干浆计改性粉煤灰纤维∶木浆或草浆纤维为1∶5。

实施例3

在100升带搅拌、加热的反应釜中加入15kg水，开启搅拌，将0.15kg的焦亚硫酸钠加入到反应釜中，将其充分溶解，开加热使反应釜升温到90℃，然后将浓度30％的丙烯酸水溶液50kg和浓度5％的过硫酸铵水溶液1.5kg同时滴加到反应釜中。滴加时间为5小时，然后升温至97℃，保温40分钟，冷却至50℃以下。再往反应釜中加入N，N-二甲基-1，3-丙二胺1.5kg，将反应釜升温至60℃，然后加入氯乙酸1.4kg，最后加入NaOH 0.6kg进行中和，得到重量浓度为28.1％的两性聚丙烯酸酰胺化改性剂64kg。

将420kg粉煤灰纤维分散在14吨水中，浸泡25分钟，称取上述两性聚丙烯酸酰胺化改性剂64kg加入6410kg水进行稀释，加入到反应釜中，搅拌4分钟，停止搅拌，平衡吸附30分钟，将粉煤灰纤维从水中取出、烘干，得到改性后的粉煤灰纤维。改性粉煤灰纤维与木浆或草浆纤维混合，以干浆计改性粉煤灰纤维∶木浆或草浆纤维为1∶3.5。

实施例4

在100升带搅拌、加热的反应釜中加入40kg水，开启搅拌，将0.24kg的焦亚硫酸钠加入到反应釜中，将其充分溶解，开加热使反应釜升温到90℃，然后将浓度40％的丙烯酸水溶液20kg和浓度7％的过硫酸铵水溶液1.7kg同时滴加到反应釜中。滴加时间为3.5小时，然后升温至96℃，保温45分钟，冷却至50℃以下。再往反应釜中加入N，N-二甲基-1，3-丙二胺2.4kg，将反应釜升温至65℃，然后加入氯乙酸2.2kg，最后加入NaOH 0.9kg进行中和，得到重量浓度为21.8％的两性聚丙烯酸酰胺化改性剂58kg。

将1200kg粉煤灰纤维分散在24吨水中，浸泡30分钟，称取上述两性聚丙烯酸酰胺化改性剂58kg加入58kg水进行稀释，加入到反应釜中，搅拌5分钟，停止搅拌，平衡吸附25分钟，将粉煤灰纤维从水中取出，得到改性后的粉煤灰纤维，改性后的粉煤灰纤维直接木浆或草浆进行抄纸。改性粉煤灰纤维与木浆或草浆纤维混合，以干浆计改性粉煤灰纤维∶木浆或草浆纤维为1∶4。

实施例5

在100升带搅拌、加热的反应釜中加入25kg水，开启搅拌，将0.3kg的焦亚硫酸钠加入到反应釜中，将其充分溶解，开加热使反应釜升温到90℃，然后将浓度60％的丙烯酸水溶液25kg和浓度8％的过硫酸铵水溶液1.8kg同时滴加到反应釜中。滴加时间为4.5小时，然后升温至98℃，保温0.5小时，冷却至50℃以下。再往反应釜中加入N，N-二甲基-1，3-丙二胺3.7kg，将反应釜升温至70℃，然后加入氯乙酸3.4kg，最后加入NaOH 1.6kg进行中和，得到重量浓度为39.5％的两性聚丙烯酸酰胺化改性剂56kg。

将1100kg粉煤灰纤维分散在27吨水中，浸泡28分钟，称取上述两性聚丙烯酸酰胺化改性剂56kg加入56kg水进行稀释，加入到反应釜中，搅拌3分钟，停止搅拌，平衡吸附35分钟，将粉煤灰纤维从水中取出，得到改性后的粉煤灰纤维，改性后的粉煤灰纤维直接木浆或草浆进行抄纸。改性粉煤灰纤维与木浆或草浆纤维混合，以干浆计改性粉煤灰纤维∶木浆或草浆纤维为1∶4.5。