聚乙烯醇/聚乙烯亚胺的交联改性及其表面施胶机理研究

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随着造纸行业的发展,对特种纸提出更高的要求,所得的纸张产品还需要能够达到防水、耐磨、耐折等一系列的标准。因此对特种纸造纸助剂就提出了更高的要求。表面施胶技术作为一种提高纸张综合性能的方法,是利用表面施胶剂流入纸纤维表面,通过增加纤维间分子间力和化学结合力,从而影响纸张的表面、抗水及力学性能。聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯亚胺(PEI)因其优异的表面施胶性能被广泛应用于特种纸表面施胶。PVA是一种水溶性聚合物,其分子链上存在大量羟基,因此具有优秀的亲水性、粘结性、乳化性和成膜性。但单独使用PVA进行表面施胶效果并不理想,且会产生溶解性较差和不能提高纸张耐水性等问题,影响表面施胶的效果。PEI分子链中含有大量胺基,具有高阳离子性、高反应活性、高附着性和高吸附性,因此拥有优异的施胶性能。但单一的PEI施胶剂,使用时成本较高,而且不具备与纸张纤维发生化学交联的基团。为此本研究采用烷氧基硅烷对PVA和PEI进行改性,并将制备得到两种含有硅羟基团的改性PVA和改性PEI作为表面施胶剂应用于特种纸,同时将改性PEI和PVA复配得到一种复合表面施胶剂。探讨了改性PVA、改性PEI和改性PEI/PVA复合表面施胶剂的作用机理,以及对纸张物理性能、抗水性能以及油墨附着力的影响。其主要结论如下:(1)为了改善PVA施胶剂水溶性和抗水性较差的问题,通过硅烷偶联剂KH560对PVA进行接枝改性,并将制备得到的改性PVA应用于纸张表面施胶。对其进行结构表征后证明成功制备了目标产物KPVA,并且对不同醇解度和聚合度的改性PVA进行了比较。其中,由于KPVA1799水分散剂各项性能良好,因此选择其应用于纸张表面施胶。结果表明,此时KPVA1799水分散剂粒径为344 nm,PDI指数为0.587,TSI指数最小,施胶剂粘度适中。将其应用于纸张表面施胶后,此时纸张干抗张指数为86.70N·m·g-1,湿抗张指数为25.85 N·m·g-1,耐折度为232次,接触角为63°,Cobb30值为81.21 g·m-2。与PVA1799施胶后纸张相比,这些性能分别提升了17.64%、43.77%、112.84%和23.53%,Cobb30值下降了 22.28%。(2)为了降低单独使用PEI时的成本并且引入能够与纸纤维反应的交联基团,利用硅烷偶联剂KH560对PEI进行了接枝改性。控制PEI与KH560的质量比分别为10:1、10:1.5、10:2、10:2.5和10:3,制备得到了五种不同质量比的KPEI水分散剂,并对其进行结构表征。结果表明,其中性能最佳的KPEI-2水分散剂粒径为127nm,PDI指数为0.287,TSI指数最小,施胶剂粘度适中。将其应用于纸张表面施胶后,此时纸张的干抗张指数为79.31 N·m·g-1,湿抗张指数为23.47 N·m·g-1,耐折度为273次,接触角为59°,Cobb30值为121 g·m-2,与PEI施胶后纸张相比,这些性能分别提升了 56.12%、22.24%、193.55%和59.46%,Cobb30值下降了 8.33%。(3)为了进一步提升KPEI施胶剂的表面施胶性能,使用PVA1799为表面施胶的载体,分别控制PVA1799的含量与KPEI-2的含量不变后,通过物理共混形成了一系列KPEI/PVA复合施胶体系,并将其应用于纸张表面施胶。通过对纸张各项性能的研究,确定了 KPEI/PVA复合施胶体系最优的表面施胶的方案为:KPEI-2含量为3%,PVA1799含量为4%。将其中性能最佳的施胶剂3%KPEI/4%PVA应用于纸张表面施胶后,其干抗张强度为115.83 N·m·g-1,湿抗张指数为41.61 N·m·g-1,耐折度为1257次,接触角为89°,Cobb30值为 93 g·m-2。分别较KPEI-2 施胶后纸张提升了46.07%、77.82%、360.44%、50.00%和 50.85%,Cobb30值降低了 23.14%。(4)本章通过胶带剥离测试、酒精擦拭测试和油性记号笔书写对不同施胶体系施胶后的纸张书写适印性和油墨附着力进行了测试。在使用KPVA、KPEI与KPEI/PVA施胶剂施胶时,一方面提升了纸张表面粗糙度,油墨粒子通过机械投锚效应吸附于纸张表面,另一方面,施胶剂中含有极性基团硅羟基,使得具有极性的油墨粒子通过分子间力吸附于纸张表面。在使用KPEI与KPEI/PVA施胶剂时,阳离子性的PEI与带负电的油墨粒子通过静电吸附,使得油墨粒子吸附在纸张表面,进而增强了纸张的油墨附着力。最终通过油墨附着力测试发现,使用KPVA、KPEI与KPEI/PVA施胶剂施胶的纸张油墨附着力与原纸相比都得到了提升。
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