AKD專用新型陽離子聚合物乳化劑的制備與應(yīng)用

龔本華 嚴(yán)慧

(南昌市龍然實業(yè)有限公司，江西 南昌，330100)

AKD專用新型陽離子聚合物乳化劑的制備與應(yīng)用

龔本華 嚴(yán)慧

(南昌市龍然實業(yè)有限公司，江西 南昌，330100)

以陽離子聚合物為分散劑，丙烯酰胺（AM）、二烯丙基二甲基氯化銨（DMDAAC）為單體，過硫酸銨為引發(fā)劑，制備了一種AKD專用新型陽離子聚合物乳化劑，并用此乳化劑乳化AKD蠟，制得陽離子AKD乳液。考察了單體配比，反應(yīng)溫度，反應(yīng)時間對聚合物乳化性能的影響，結(jié)果表明：陽離子分散劑用量20%，AM用量9%，DMDAAC用量1%，反應(yīng)溫度80℃，反應(yīng)時間2h，制得的聚合物對AKD具有較好的乳化性能。利用該乳化劑進行中試生產(chǎn)，產(chǎn)品粒徑0.98μm，紙廠實際應(yīng)用效果良好。

乳化劑 陽離子 聚合物 AKD 施膠劑

我國從20世紀(jì)80年代開始引進中/堿性施膠抄造技術(shù)，經(jīng)過20多年的努力，中堿性施膠的研究取得了較大進步，特別是AKD施膠。AKD（烷基烯酮二聚體）是一種不飽和內(nèi)酯，在常溫下是蠟狀固體，不溶于水，須制備成乳液才能作為施膠劑在造紙中應(yīng)用。乳化劑的選擇是影響其使用效果的關(guān)鍵因素，從傳統(tǒng)的陽離子淀粉型到現(xiàn)在的陽離子聚合物型[1]，目前AKD用乳化劑不僅具有高陽電荷性，同時還具有了自留著和協(xié)同增效作用，有效提高了AKD乳液的穩(wěn)定性，減小了使用量，縮短了施膠熟化時間[2]。本研究制備了一種新型陽離子聚合物AKD乳化劑，通過實驗確定了其最佳合成工藝，并將此工藝應(yīng)用于生產(chǎn)實際，制備出一種高陽離子度，自留著型AKD乳液。

1 實驗部分

1.1 主要原料與儀器

C-1：工業(yè)級，廣西某化工廠；丙烯酰胺（AM）：工業(yè)級，南昌東昌化工；二烯丙基二甲基氯化銨（DMDAAC，65 %水溶液）：工業(yè)級，淄博金茵化工有限公司；酸度調(diào)節(jié)劑：分析純，江西洪都生物化學(xué)有限公司；過硫酸銨：工業(yè)級，上海精錦樂化工有限公司；蒸餾水：實驗室自制。

JJ-1型增力電動攪拌器：上海浦東物理光學(xué)儀器廠；高速剪切乳化機：上海威宇；HH-2型恒溫水浴鍋：上海浦東物理光學(xué)儀器廠；電熱套：永光明醫(yī)療儀器廠；離心機：上海手術(shù)器械廠；NDJ-79旋轉(zhuǎn)黏度計：上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司；恒溫干燥箱：上海光地儀器設(shè)備有限公司。

1.2 陽離子聚合物乳化劑的制備

將裝有電動攪拌器、溫度計、恒壓滴液漏斗的250 ml三口燒瓶置于恒溫水浴鍋中，加入一定量的陽離子分散劑C-1、AM和DMDAAC混合液、酸度調(diào)節(jié)劑，升溫至68 ℃，一次性加入部分過硫酸銨引發(fā)劑溶液，升溫至某溫度保溫一定時間，保溫結(jié)束后加入剩余的引發(fā)劑溶液，同時再升溫至某溫度保溫一定時間，降溫，制得陽離子聚合物乳化劑。

1.3 AKD乳液的制備

將AKD蠟加熱熔化，加入預(yù)先預(yù)熱至80 ℃的陽離子聚合物乳化劑中，攪拌均勻，3 000 r/min高速剪切乳化7 min，最后將乳化好的乳液分散至冰水中，制得固含量15 %的AKD乳液。

1.4 乳液穩(wěn)定性

乳液的離心穩(wěn)定性按GB11543-1989及文獻[3]進行：稱取8 g乳液置于10 ml離心管中，于4 000 r/min的離心機離心分離10 min，觀察乳液分離穩(wěn)定性。乳液穩(wěn)定性分級：1級，乳液呈現(xiàn)良好的均勻性；2級，乳液初步可見稠度不勻；3級，乳液底層和上層透光不均勻；4級，體系初步可見相的分離；5級，體系明顯可見相的分離。

1.5 乳液分散性

乳液的分散性參照文獻[4]測定：將1 000 ml自來水注入量筒，靜置數(shù)分鐘，室溫下將待測樣品用滴管滴加 2～3 滴至量筒中，觀察乳液分散情況。乳液分散性分級：1級，將乳液滴入水中 ,能迅速地分散成帶藍色熒光霧狀分散液 ,稍加攪拌后成藍色或蒼白色透明溶液；2級，將乳液滴入水中,能迅速分散成藍白色帶熒光的分散液 ,稍加攪拌后成藍色半透明溶液；3級，將乳液滴入水中 ,呈白色云霧狀或條狀分散液 ,攪動后得到乳白色稍帶熒光的不透明乳液；4級，將乳液滴入水中，呈大顆粒浮在水面，攪動后仍能成為乳白色不透明的乳液。

1.6 初步抗水性能判定

取5 cm×5 cm正方形濾紙片，浸入乳液中0.5 min取出，105 ℃烘5 min，測試防水性能。防水性能分為優(yōu)、良、差三個等級。優(yōu)級：用滴管滴加水至烘干后的濾紙上，無滲透現(xiàn)象；良級：用滴管滴加水至烘干后的濾紙上，有輕微滲透現(xiàn)象；差級：用滴管滴加水至烘干后的濾紙上，有明顯滲透現(xiàn)象。

1.7 紙廠實際應(yīng)用

將實驗確定的最佳小試工藝，進行中試研究，在湖南某紙廠對產(chǎn)品進行試用。乳液不經(jīng)任何稀釋直接由計量泵加入調(diào)漿箱，抄紙，檢測紙張的施膠度等各項指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單體用量對乳化劑及乳液性能的影響

2.1.1 AM的用量對乳化劑及乳液性能的影響

表1 AM的用量對乳化劑及乳液性能的影響

固定DMDAAC用量為1 %，陽離子分散劑20 %，控制反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時間2 h，改變AM的用量，制備不同的陽離子聚合物乳化劑，并用此乳化劑制備AKD乳液，測定乳液穩(wěn)定性及防水性能。結(jié)果見表1。

由表1可知，隨著AM用量的增加，所制備的陽離子聚合物乳化劑黏度隨之增大，特別當(dāng)AM占12份時，乳液黏度迅速增大。另外隨著AM比例增大，乳液穩(wěn)定性增加，分散性隨著乳化劑黏度上升而降低，抗水性呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。這可能是由于AM在聚合物鏈中提供親水基，當(dāng)AM用量增加時，聚合物親水性增強，有利于其吸附并包裹AKD分子并在其表面形成更穩(wěn)定的保護層，提高乳液的穩(wěn)定性，同時聚合物分子間也能形成更多的氫鍵，使乳化劑黏度上升。但是，當(dāng)AM用量繼續(xù)增加時，導(dǎo)致陽離子聚合物親水性過強，形成的過量氫鍵也使乳化劑黏度急劇上升，進而使乳液黏度上升、分散性降低和抗水性減弱。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)AM/ DMDAAC用量比列為9時，聚合物粘度適中且制得的乳液穩(wěn)定性、分散性、抗水性均較好。

2.1.2 DMDAAC用量對乳化劑及乳液性能的影響

固定AM用量為9 %，陽離子分散劑20 %，，控制反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時間2 h，改變DMDAAC的用量制備不同的陽離子聚合物乳化劑，并用此乳化劑制備AKD乳液，測定乳液穩(wěn)定性及防水性能。結(jié)果見表2。

表2 DMDAAC的用量對乳化劑及乳液性能的影響

DMDAAC不僅能如單體AM那樣使乳膠粒子表面形成水化層，同時也能使乳膠粒子表面帶正電荷，增加乳膠粒子表面的正電性，使顆粒間的靜電斥力增加，提高乳液穩(wěn)定性。由表2可知，少量DMDAAC就能影響聚合物和乳液的性能，隨著DMDAAC用量的增加，聚合物表面活性劑親水性增強，表面陽電荷增加，能更好地乳化AKD分子，增加乳膠顆粒間靜電斥力，阻止顆粒的聚集，提高乳液的穩(wěn)定性和抗水性。然而，當(dāng)DMDAAC的用量增加至5 %時，乳液呈現(xiàn)出穩(wěn)定性下降和抗水性變差的現(xiàn)象。可能是由于隨著聚合物親水性進一步增加，導(dǎo)致其傾向于向水相分散，不利于AKD分子的乳化。同時由于乳膠粒子的表面陽電荷進一步增加，使得紙張纖維所帶負(fù)電荷被中和，造成AKD膠粒與纖維的吸附率下降，表現(xiàn)為抗水性減弱。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)DMDAAC用量占1 %時，聚合物制得的乳液綜合性能較好。

2.2 反應(yīng)溫度對聚合物黏度的影響

固定AM用量為9 %，陽離子分散劑20 %，DMDAAC的用量1 %，反應(yīng)時間2 h，分別考察了60 ℃，70 ℃，80 ℃，90 ℃四個溫度下，聚合物黏度的變化情況。結(jié)果如圖1所示。聚合物黏度的大小，間接反應(yīng)了聚合物狀態(tài)和分子量大小。圖中隨著溫度的升高，聚合物黏度先增加后減小。因為隨著溫度的升高引發(fā)劑的引發(fā)效率增加，聚合物分子量隨之增加，但是當(dāng)聚合溫度升高至90℃，由于雙基終止作用，導(dǎo)致自由基引發(fā)效率降低，分子量下降，黏度降低。

圖1 反應(yīng)溫度對聚合物黏度的影響

2.3 反應(yīng)時間對聚合物黏度的影響

固定AM用量為9 %，陽離子分散劑20 %，DMDAAC的用量1 %，反應(yīng)溫度80 ℃，考察反應(yīng)時間對聚合物黏度的影響，分別在反應(yīng)0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h時間點取樣檢測，觀察黏度變化。結(jié)果如圖2所示，聚合物黏度隨反應(yīng)時間延長而增大，至反應(yīng)2 h后，黏度趨于平緩，變化不大。隨著反應(yīng)時間的延長，單體濃度逐漸減小，直至消耗殆盡，所以體系黏度隨反應(yīng)時間的延長而增大，最后趨于平緩。

圖2 反應(yīng)時間對聚合物黏度的影響

2.4 聚合物最佳合成工藝與乳液性能

綜合以上討論，確定聚合物的最佳合成工藝，AM用量為9 %，陽離子分散劑20 %，DMDAAC的用量1 %，反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時間2 h。最終乳化劑黏度 780 ～ 800 mpa·s、固含量25 %。利用此工藝成功完成中試生產(chǎn)，制備出新型AKD乳液。乳液粒徑分析表明，該新型陽離子聚合物制備的乳液平均粒徑0.98μm，且粒徑分布窄（圖3），乳液分散較均勻。

圖3 乳液粒徑分布圖

2.5 乳液紙廠使用效果

在湖南某廠中試了該產(chǎn)品，中試條件為：紙機寬幅為2 640 mm，設(shè)計車速650 m/min；漿料：漂白硫酸鹽蘆葦漿；施膠劑：普通AKD乳液和新型AKD乳液，還添加有淀粉、絮凝劑、增白劑等。

從表3的對比情況可以看出，新型AKD乳液的使用效果明顯好于普通的AKD乳液。可能是因為新型AKD乳液有比較好的乳液分散性和助留性能，使得紙張物理性能得到很好的改善。新型AKD乳液是一種明顯的改善產(chǎn)品，將成為中性施膠劑的發(fā)展趨勢。

表3 用量對乳化劑及乳液性能的影響

3 結(jié) 論

（1）當(dāng)AM用量為9 %，陽離子分散劑20 %，DMDAAC的用量1 %，反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時間2 h，制備的陽離子聚合物能夠較好乳化AKD蠟，乳液分散性、穩(wěn)定性、抗水性均較好。

（2）成功完成陽離子聚合物及其乳化AKD的中試研究，乳液平均粒徑0.98μm。

（3）中試產(chǎn)品紙廠試用結(jié)果顯示:新型AKD乳化劑及其乳液將代表中性施膠劑的發(fā)展趨勢。

[1]陳夫山,王尚玲,王松林.聚乙烯亞胺乳化型AKD乳液的制備及施膠性能的研究[J].中國造紙,2010,29(2)：6-9.

[2]Joseph Marton.Pereparati on of AKD neutral sizing agent[J].TAPPI Journal,1990,73(11):139-143.

[3]金新華,陳夫山.陽離子樹脂型AKD乳液乳化工藝和性能的研究[J].造紙化學(xué)品,2008,20(2):14-19.

[4]陳登龍.高檔涂布白紙板用離型劑[J].造紙科學(xué)與技術(shù),2001,20(2):36-38.

Preparation and Application of AKD Special New Cationic Polymer Emulsifier

Gong Benhua Yan Hui
(Nanchang Longran Industrial Co., Ltd., Nanchang, Jiangxi, 330100)

We've produced a kind of AKD special new cationic polymer emulsifier with cationic polymer as dispersing agent, AM and DMDAAC as monomer and ammonium persulfate as initiator, and emulsified AKD wax with this emulsifier to get cationic AKD emulsion. In this process, we observed the effect of monomer proportion, reaction temperature and time to the emulsifying property of polymer. The result shows that the polymer obtained has a good emulsifying property to AKD on the condition that the proportion is 20 % cationic dispersing agent, 9 % AM and 1 % DMDAAC which react under 80℃ for 2 hours. Also, this emulsifier performs well in the application when it's in pilot plant production and the particle size of products is 0.98μm.

emulsifier；cationic；polymer；AKD；sizing agent

龔本華，1982，男，碩士研究生，造紙化學(xué)品，0791-83671125