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兼具表面活性的疏水缔合型DMDAAC聚合物的制备及其在造纸施胶中的应用

李有金  
【摘要】: 烯基琥珀酸酐(Alkenyl Succinic Anhydride,ASA)是一种重要的造纸用施胶剂。现有的ASA乳化剂存在使用成本高或乳化性能差等不足。本文以二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)聚合物为基础,设计合成了一种兼具表面活性的疏水缔合型DMDAAC聚合物,并成功地将其作为ASA的乳化剂应用于造纸施胶过程,弥补了现有ASA乳化剂的不足,并拓宽了疏水缔合水溶性聚合物的应用领域。 选择马来酸双酯型Gemini表面活性剂(MDE)代替常规的表面活性剂增溶疏水性单体甲基丙烯酸丁酯(MBA)或甲基丙烯酸辛酯(MOA),并与DMDAAC、丙烯酰胺(AM)共聚,合成了DMDAAC-AM-MDE-MBA(或MOA)聚合物(PDAMM)。采用适宜的分析手段对PDAMM进行了结构表征。PDAMM具有两个玻璃化转变温度(Tg),例如198.57℃和120.98℃,说明具有嵌段结构。 研究了反应条件对聚合反应的影响规律。转化率随着引发剂的起始浓度和聚合反应温度的升高而增加,随着DMDAAC、MDE以及MBA(或MOA)的起始浓度增加而降低;阳离子度随着引发剂的起始浓度、聚合反应温度以及DMDAAC的起始浓度的升高而增加,随着MDE和MBA(或MOA)的起始浓度增加而降低;特性粘度随着引发剂起始浓度的升高出现先升高后降低的趋势,并随着聚合反应温度以及DMDAAC、MDE和MBA(或MOA)的起始浓度增加而降低。 研究了PDAMM结构对疏水缔合性能及表面活性的影响规律。疏水性基团的疏水性越强,则疏水缔合性能越强;在疏水性基团含量低于饱和增溶量,得到的PDAMM水溶性好的条件下,疏水性基团含量越高,聚合物的特性粘度越高,疏水缔合性能也越强。PDAMM具有显著的表面活性,受疏水缔合性能的影响,其溶液表观表面张力在临界缔合浓度附近具有最低值,例如45.04mN/m(25℃)。 研究了PDAMM结构对其乳化ASA能力的影响规律。PDAM(DMDAAC.AM-MDE共聚物)乳化得到的ASA乳状液在浓度为0.50%、25℃时的稳定时间低于30min,而相同条件下MBA含量为2.00%的PDAMM乳化得到的ASA乳状液稳定时间可达到15h。实验证明疏水性基团能促使PDAMM亲水性主链向ASA颗粒表面迁移并吸附包裹在颗粒表面,从而提高了乳状液的稳定性。 根据乳化性能及施胶性能进行优化,得到ASA乳化剂PDAMM-4N。PDAMM-4N符合如下条件:DMDAAC=70.00%,AM=18.00%,MDE=10.00%,MBA=2.00%,特性粘度为0.40dL/g左右。采用PDAMM-4N乳化得到的ASA乳状液的粒径、粒径分布以及稳定性均能满足施胶的要求。 研究了ASA/PDAMM-4N乳状液的应用技术。较佳的施胶条件是:ASA与PDAMM-4N按质量比1/1进行乳化,采用1%阳离子淀粉和0.02%阳离子聚丙烯酰胺双元助留,碳酸钙的加填量不高于25%,干燥温度为100-105℃,抄纸pH值是6-8。另外,ASA/PDAMM-4N乳状液在较强的剪切力和较宽的水质硬度范围均可使用。ASA/PDAMM-4N乳状液能满足工业应用要求,其直接施胶成本为39.14元/吨纸,略低于另一种常用中性施胶剂AKD在相同条件下的施胶成本。 建立了ASA施胶数学模型。仅考虑ASA添加量w变化时的模型简化式为t=1/a-b·w,该模型拟合的相关系数为0.9788,平均绝对偏差为13.48%。仅考虑纸张定量G变化时的模型简化式为t=G~2/m-2·G,模型拟合的相关系数为0.9932,平均绝对偏差为11.12%。


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