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聚合物/纳米SiO2表面施胶增强剂的制备及其提高纸张强度与施胶性能的作用机理研究

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摘要

随着高得率浆和二次纤维的大量使用，纸张强度对增强剂的依赖性越来越大；现代印刷技术对纸张表面强度、施胶度、印刷适性等纸张表面性能提出了更高要求。开发增强效率更高，增强效果更好的新型造纸表面处理剂已经成为造纸业发展的一个重要方向，表面处理己成为改善纸张性能和生产高附加值纸种的有效方法。
　　 聚合物/纳米SiO2杂化材料是以聚合物为有机相与以纳米SiO2或者前驱体为无机相复合组装而得到的体系。由于聚合物的可加工性、可塑性和多功能性，使之成为纳米材料复合的首选载体之一。聚合物/纳米SiO2杂化材料由于具有传统材料所不具有的力学性能、光学性能等特性，已经在许多领域引起广发重视。
　　 首先，本论文通过在聚乙烯醇(PVA)的水溶液中引入正硅酸乙酯(TEOS)和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)原位水解制备纳米SiO2。同时使有机无机之间以化学键结合，制备了具有交联结构且性能稳定的新型纸张表面增强剂，通过SiO2增加纸张表面的力学性能。研究结果表明：杂化材料中SiO2粒径随着TEOS加入量的增大而增大，并随硅烷偶联剂加入量的增加而减小；在TEOS用量为20％，GPTMS用量为5％，pH为5时所得杂化材料均匀透明，无分层。PVA/SiO2杂化材料力学性能的研究表明：TEOS用量为20％，GPTMS用量5％为时，材料的拉伸强度达43.11MPa，断裂伸长率为73.53％。红外光谱和29Si固体核磁表明PVA和纳米SiO2之间产生了化学键合，TEOS和硅烷偶联剂达到了共水解共缩合，SiO2表面接枝了硅烷偶联剂。杂化液的透射电镜图片表明SiO2在杂化材料中分布均匀，无团聚。扫描电子显微镜和原子力显微镜结果表明杂化材料中有硅元素存在，且膜表面均匀。PVA/纳米SiO2杂化材料用作纸张表面增强剂的应用结果表明，使用杂化材料增强剂的纸张的环压强度提高27.1％，抗张指数高33.3％，撕裂指数提高27.8％，拉毛强度提高21.7％。纤维之间结合紧密。与淀粉施胶剂复配有联合增效作用。
　　 其次，以PVA为胶体保护剂，以苯乙烯，丙烯酸酯类单体和含双键的纳米二氧化硅粉体通过原位无皂乳液聚合合成了表面施胶增强剂(IS-SAE/SiO2)。研究结果表明：w(PVA)6％，n(BA):n(St)=1.2:1，w(RNS-D)≤5％，w(DMC)3％，w(KPS+NaHSO3)=0.8％，反应进行4.0h，超声时间10min，反应温度70℃所得乳液稳定，粒径小，粒径分布窄。w(PVA)=8％,n(BA):n(St)=1.2:1,w(RNS-D)=5％,w(DMC)=3％，材料力学性能和耐水性均好，其中拉伸强度最高可达5.5N/mm2，断裂伸长率可达到102％；耐水性最低为12.5％。
　　 ATR-FT-IR分析表明RNS-D作为反应单体参与聚合反应，实现了聚合物-无机之间的化学键合，两者复合达到分子水平。热重分析表明无机组分的加入提高了材料的热分解温度，其中T50由纯SAE的393.6℃提高到410℃。乳液形貌及粒径分布分析结果表明纳米SiO2的加入导致乳液粒径变大，粒径分布变宽，形成了无机核有机壳的结构。动态力学分析表明IS-SAE/SiO2的玻璃化转变温度为58℃，比纯SAE提高了9℃。AFM和SEM分析结果表明纳米SiO2的加入增加了杂化膜表面粗糙度，有机无机相实现了相互贯穿；应用结果表明，杂化材料用作纸张表面施胶增强剂不仅提高了纸张强度，还使纸张的施胶度得到了提高，在杂化材料用量为1％时，环压强度可提高32％，抗张强度提高16.1％，撕裂度提高6.3％，拉毛强度提高30.4％，施胶度可达65s。施胶后的纸张纤维之间编织更加紧密，施胶后纸张对水接触角增大，有一定防水效果。杂化材料与淀粉施胶剂复配有联合增效作用。
　　 最后，进一步优化合成工艺，采用正硅酸乙酯(TEOS)和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)原位共水解缩合制备改性纳米SiO2溶胶，然后与丙烯酸酯类单体进行原位无皂乳液聚合，制备出一种具有良好疏水性能、强度性能、黏结性能及成膜性能的苯乙烯-丙烯酸树酯(SAE)/纳米SiO2杂化乳液纸张表面施胶增强剂(SG-SAE/SiO2)。
　　 结果表明当TEOS用量15％，MPTMS用量为1％时材料力学性能和耐水性均好，拉伸强度为13MPa，断裂伸长率为95％，吸水率最低为10.5％。动态力学分析表明SG-SAE/SiO2的玻璃化转变温度为61℃，而纯SAE的仅为49℃。ATR-FT-IR和29Si固体核磁分析表明，正硅酸乙酯已经水解，形成了Si-O-Si无机交联网络。在杂化材料中出现了T3结构，表明SiO2表面接枝了硅烷偶联剂。而结合红外光谱硅烷偶联剂的C=C双键消失，说明有机无机两相之间产生了化学键合。热重分析表明无机组分的加入提高了材料的热分解温度，T50由纯SAE的393.6℃提高到406.5℃。乳液形貌及粒径分布分析结果表明纳米二氧化硅的加入没有导致乳液粒径明显增大。AFM和SEM分析结果表明纳米二氧化硅的加入增加了杂化膜表面粗糙度，有机无机组分实现了相互贯穿。应用结果表明：当杂化材料用量为1％时，环压强度提高41.7％，抗张强度提高26.4％，撕裂指数提高24.6％，拉毛强度提高39.1％。施胶度可达70s。施胶后的纸张纤维之间编织更加紧密。与淀粉施胶剂复配有联合增效作用。

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