具有優異性能的造紙用改性聚乙烯醇

具有優異性能的造紙用改性聚乙烯醇

聚乙烯醇（PVOH）在造紙行業被廣泛地用作造紙增強劑、穩定劑和膠粘劑。由于PVOH具有能降低孔隙度的良好成膜性，因而能改善紙張抗透氣度和耐油性。該文研究了具有優異抗水性的改性PVOHs涂布的涂布紙性能。與傳統PVOHs涂布的涂布紙相比，該涂布紙具有更好的抗透氣度。該文還通過PVOH和紙張、PVOH水溶液的表面張力和PVOH結晶度之間的關系，分析了改性PVOH具有較高抗透氣度的原因：擁有較低結晶度的PVOHs提供了較高的抗透氣度；低結晶度減緩了PVOHs在烘干過程中的收縮并在紙上形成孔隙較少的薄膜。

1 序言

聚乙烯醇（PVOH）是一種典型的水溶性、結晶高分子，在造紙行業被用作增強劑、熒光白色顏料的分散劑和無機物（碳酸鈣、高嶺土、二氧化硅等）的黏合劑等；并且因PVOH具有優良的成膜性，紙張通過PVOH涂布能賦予其阻氣性。過去人們認為，皂化度較低的材料對涂布紙的阻氣性較優，但如果降低皂化度，會出現抗水性下降的問題。為了平衡PVOH的阻氣性和抗水性，通過特殊疏水基改性PVOH，使其獲得更廣泛的應用，例如在剝離紙生產中被用作硅酮密封劑。最近，改性PVOH獲得了FDA認證，被用作食品包裝防油紙的防油劑的研究工作也在進行之中。

另一方面，目前在紙上涂布的PVOH的成膜性和阻氣性的作用機理還不完全清楚，只獲得了經驗性的數據。本文將展示使用不同種類的PVOH時的物理性能，同時嘗試通過一次構造和基礎物理性能的評價結果推定阻氣性的作用機理。

本次研究使用的PVOH包括：疏水基改性PVOH1（以下簡稱“改性PVOH1”），疏水基改性PVOH2（以下簡稱“改性 PVOH2”），傳統 PVOH1（以下簡稱“PVOH1”），傳統PVOH2（以下簡稱“PVOH2”），它們的皂化度、4%水溶液的黏度和疏水性單位的導入量如表1所示。

表1 PVOHs的產品規格

2 涂布紙的物理特性

表2顯示PVOHs在雙輥表面涂布機上涂布的紙張抗透氣度和Cobb60吸水值的結果。

表2 PVOHs的抗透氣度和吸水值

使用傳統PVOHs，因降低了皂化度，可以提高抗透氣度，但吸水量增加，抗水度下降。而疏水基改性PVOHs則不降低抗水性，同時能獲得高的抗透氣度，是一種具有能兼顧阻氣性和抗水性特性的材料，這一特性是傳統PVOHs所不具備的。

3 考察

關于抗透氣度（阻氣性）的產生機理，本研究認為，紙上涂布的PVOH水溶液在干燥過程中，不產生有缺陷的液膜而形成PVOH薄膜是提高抗透氣度的關鍵。影響液膜穩定性的因素有：（1）紙和PVOH的親和性；（2）液膜表面的穩定性；（3）伴隨液膜的PVOH結晶化產生體積收縮。本研究針對以上因素進行了考察。

3.1 紙和PVOH的親和性

關于紙和PVOH的親和性，采用Ecoh（凝聚能密度）和 V（物質的摩爾容積），根據基團貢獻法（group contribution method）推算出了SP值。SP值的順序為纖維素＞PVOH1＞改性PVOH1∝PVOH2＞改性 PVOH2。本次產生的抗透氣度無法解釋紙和PVOH的親和性。

3.2 液膜表面的穩定性

本研究認為，由于PVOH的界面活性能，液膜表面比普通水穩定。通過評價PVOH的界面活性，比較了液膜表面的穩定性。圖1顯示了用du Noud表面張力儀測定的各種PVOHs水溶液表面張力的評價結果。

圖1 PVOHs溶液的表面張力

由圖1可見，只有部分皂化的PVOHs顯示了較低的表面張力，其他PVOHs的表面張力幾乎不變，看不到與抗透氣度有明顯的相關性。

3.3 伴隨液膜PVOHs結晶化產生的體積收縮

關于伴隨PVOHs結晶化產生的體積收縮，通過用差示掃描量熱儀（DSC）測定PVOHs的結晶性進行了比較。表3總結了評價結果。

表3 PVOHs的熱分析結果

由表3可見，皂化度越低，或者改性量越多的PVOHs，結晶性越低，顯示出了與抗透氣度順序的相關性。也就是說，結晶性越低的PVOHs，在干燥過程中，伴隨PVOHs結晶的急速體積收縮得到了緩和，因此，在抑制缺陷液膜產生的狀態下形成薄膜，提高了抗透氣度。

4 結束語

通過在紙上涂布PVOH能賦予紙張阻氣性、抗水性和抗油性等多種功能，但要賦予這些功能，關鍵是要形成PVOH薄膜。要形成無缺陷的薄膜，需要考慮紙和PVOH的親和性、液膜表面的穩定性、伴隨液膜的PVOH結晶化產生的體積收縮等影響因素，還受生產工藝及添加劑、紙的品種等因素的影響，因此不能將影響因素簡單化。從本次試驗結果來看，可以說伴隨結晶化的液膜體積收縮是賦予紙張阻氣性、抗水性和抗油性等功能的主要影響因素。因此本研究認為，疏水基改性PVOHs是一種具備通過抑制結晶化提高薄膜形成，能賦予阻氣性，同時又因具有疏水結構而兼備抗水性特性的材料。

（杜偉民 編譯）