阳离子型SAE表面施胶剂的合成及表面施胶度测定新方法研究
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摘要
随着全球性的环境破坏及资源紧张的状况日益严峻,纤维原料质量下降,纸和纸板的物理强度、表面强度、印刷适应性等指标难以达到要求,而表面施胶具有提高纸和纸板物理强度、抗水性能、印刷性能等突出优点,且不受抄纸环境和水质的影响。因此研究开发一种高效的表面施胶化学品并改善表面施胶评价方法十分必要。
本论文以阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(1631)和非离子表面活性剂AEO-9复配作乳化剂,以苯乙烯(St)、丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)等为主要单体,采用半连续预乳化种子乳液聚合法合成了阳离子型SAE表面施胶剂。优化了合成条件,得到最佳合成条件:乳化剂配方为m(1631): m(AEO-9)=50:1,乳化剂用量为5%(对总单体,下同),m(St):m(BA)=1.3:1,反应时间4h,反应温度80℃、搅拌速度为200rpm,阳离子DMC用量为2%,氟单体TEFMA用量为3%,引发剂用量为0.4%。
傅里叶变换红外分析表明投入反应的苯乙烯、丙烯酸丁酯、阳离子单体DMC、氟单体TEFMA等单体均出现在聚合物分子链上;马尔文纳米粒度及电位分析仪测定表明,自制表面施胶剂的粒径分布均一,79.6%为100nm以下颗粒,平均粒径为77.8nm,正电荷性较强,Zeta电位为+91.2mV;凝胶色谱(GPC)测得重均分子量为44710 g/mol;差示热扫描仪(DSC)分析该聚合反应是无规则共聚,而非各均聚物的混合,玻璃转化温度为41.13℃。将合成的表面施胶与氧化淀粉复合分别应用在文化纸和包装纸上,均取得不错的应用效果,且与进口产品BK-600表面施胶剂对比,发现抗水效果相近。对施胶后纸张进行扫描电镜分析可以看出,纸张纤维上被一层膜覆盖,纸张孔隙度减小,纤维之间的结合力增加。
本论文还利用近红外光谱测定表面施胶后的纸张,通过偏最小二乘法建立数学模型,尝试构建一种快速无损测定纸张表面施胶度(Cobb值)的新方法,为在纸机上实现在线检测施胶度提供可能的途径。
The paper making industry has been suffering from declining quality of fiber raw material: poor physical strengthen, surface strengthen and printability etc.. The surface sizing is preferred not only because of enhanced physical strengthen, water-resistance and printability prosperity of cultural paper and paper board, but also by the fact that it relies less on the surroundings and the quality of water when paper making process is conducted. Consequently, it is very necessary to research and develop a highly effective surface sizing agent and improve an evaluation mechanism of surface sizing.
In this research, we synthesized a Cationic Styrene-Acrylic Emulsion via the process of semi-continuous pre-emulation seed emulsion polymerization, in which the compound of surface active agents was Cetyl three methyl brominated ammonium(1631) and AEO-09 acting as the emulsifying agents, and Styrene (St), Butyl Acrylate (BA), Methacryloly Ethyl Trimethyl Ammonium Chloride (DMC) were used as the monomers. Optimized the synthesis conditions,and the optimal synthesis condition was: the emulsifying agents formula was m(1631):m(AEO-9)=50:1, the amount of emulsifying agents was 5%, m(St):m(BA) =1.3:1, the reaction time was 4h, the reaction temperature was 80℃, the stirring speed was 200rpm, the amount of DMC was 2%, the amount of fluorine monomer TEFMA was 3%, the amount of initiator was 0.4%.
Fourier Transform Infrared Spectroscopy Analysis of polymer indicated that all the monomers used in the polymerization were placed in the polymer chains, including Styrene, Butyl Acrylate, cationic monomer DMC, fluorine monomer TEFMA. The analysis of surface and morphology of products via Malvern particle size analyzer showed that the particle size distributions of synthetic surface sizing agent were homogenized, 79.6% of which were below 100nm with an average particle size of 77.8nm. Potential analyzer revealed strong prosperity of positive charge of products and that their Zeta potential was +91.2mV. Gel chromatography detected the average mass molecular, 44710g/mol. DSC tester indicated that this polymerization was random copolymer instead of mixture of all the homopolymers, and that the glass transition temperature was 41.13℃. When the synthetic surface sizing agents compounded with oxidized starch was applied to cultural paper and packaging paper respectively, the results were good; when compared with the imported commercial surface sizing agents, BK-600, their effects were similar. Scanning Electron Microscope analysis of surface sized paper indicated that fiber in the paper shell was covered by a thin film, and that the paper porosity was decreased, and that the cohesive force among the fibers was enhanced.
Also, by detecting the sized paper with Near Infrared Spectroscopy and building a mathematic model with Partial Least Square based on the observations, this paper attempted to establish a fast and nondestructive method to evaluate the Cobb value, which intends to provide an alternative method of on-line detection of Cobb value on paper machines.
本论文以阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(1631)和非离子表面活性剂AEO-9复配作乳化剂,以苯乙烯(St)、丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)等为主要单体,采用半连续预乳化种子乳液聚合法合成了阳离子型SAE表面施胶剂。优化了合成条件,得到最佳合成条件:乳化剂配方为m(1631): m(AEO-9)=50:1,乳化剂用量为5%(对总单体,下同),m(St):m(BA)=1.3:1,反应时间4h,反应温度80℃、搅拌速度为200rpm,阳离子DMC用量为2%,氟单体TEFMA用量为3%,引发剂用量为0.4%。
傅里叶变换红外分析表明投入反应的苯乙烯、丙烯酸丁酯、阳离子单体DMC、氟单体TEFMA等单体均出现在聚合物分子链上;马尔文纳米粒度及电位分析仪测定表明,自制表面施胶剂的粒径分布均一,79.6%为100nm以下颗粒,平均粒径为77.8nm,正电荷性较强,Zeta电位为+91.2mV;凝胶色谱(GPC)测得重均分子量为44710 g/mol;差示热扫描仪(DSC)分析该聚合反应是无规则共聚,而非各均聚物的混合,玻璃转化温度为41.13℃。将合成的表面施胶与氧化淀粉复合分别应用在文化纸和包装纸上,均取得不错的应用效果,且与进口产品BK-600表面施胶剂对比,发现抗水效果相近。对施胶后纸张进行扫描电镜分析可以看出,纸张纤维上被一层膜覆盖,纸张孔隙度减小,纤维之间的结合力增加。
本论文还利用近红外光谱测定表面施胶后的纸张,通过偏最小二乘法建立数学模型,尝试构建一种快速无损测定纸张表面施胶度(Cobb值)的新方法,为在纸机上实现在线检测施胶度提供可能的途径。
The paper making industry has been suffering from declining quality of fiber raw material: poor physical strengthen, surface strengthen and printability etc.. The surface sizing is preferred not only because of enhanced physical strengthen, water-resistance and printability prosperity of cultural paper and paper board, but also by the fact that it relies less on the surroundings and the quality of water when paper making process is conducted. Consequently, it is very necessary to research and develop a highly effective surface sizing agent and improve an evaluation mechanism of surface sizing.
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Fourier Transform Infrared Spectroscopy Analysis of polymer indicated that all the monomers used in the polymerization were placed in the polymer chains, including Styrene, Butyl Acrylate, cationic monomer DMC, fluorine monomer TEFMA. The analysis of surface and morphology of products via Malvern particle size analyzer showed that the particle size distributions of synthetic surface sizing agent were homogenized, 79.6% of which were below 100nm with an average particle size of 77.8nm. Potential analyzer revealed strong prosperity of positive charge of products and that their Zeta potential was +91.2mV. Gel chromatography detected the average mass molecular, 44710g/mol. DSC tester indicated that this polymerization was random copolymer instead of mixture of all the homopolymers, and that the glass transition temperature was 41.13℃. When the synthetic surface sizing agents compounded with oxidized starch was applied to cultural paper and packaging paper respectively, the results were good; when compared with the imported commercial surface sizing agents, BK-600, their effects were similar. Scanning Electron Microscope analysis of surface sized paper indicated that fiber in the paper shell was covered by a thin film, and that the paper porosity was decreased, and that the cohesive force among the fibers was enhanced.
Also, by detecting the sized paper with Near Infrared Spectroscopy and building a mathematic model with Partial Least Square based on the observations, this paper attempted to establish a fast and nondestructive method to evaluate the Cobb value, which intends to provide an alternative method of on-line detection of Cobb value on paper machines.
引文
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