聚合物-納米SiO2表面施膠增強劑的制備及其提高紙張強度與施膠性能的作用機理研究.pdf

1、隨著高得率漿和二次纖維的大量使用，紙張強度對增強劑的依賴性越來越大；現(xiàn)代印刷技術(shù)對紙張表面強度、施膠度、印刷適性等紙張表面性能提出了更高要求。開發(fā)增強效率更高，增強效果更好的新型造紙表面處理劑已經(jīng)成為造紙業(yè)發(fā)展的一個重要方向，表面處理己成為改善紙張性能和生產(chǎn)高附加值紙種的有效方法。
　　 聚合物/納米SiO2雜化材料是以聚合物為有機相與以納米SiO2或者前驅(qū)體為無機相復(fù)合組裝而得到的體系。由于聚合物的可加工性、可塑性和多功能性，

2、使之成為納米材料復(fù)合的首選載體之一。聚合物/納米SiO2雜化材料由于具有傳統(tǒng)材料所不具有的力學(xué)性能、光學(xué)性能等特性，已經(jīng)在許多領(lǐng)域引起廣發(fā)重視。
　　 首先，本論文通過在聚乙烯醇(PVA)的水溶液中引入正硅酸乙酯(TEOS)和γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)原位水解制備納米SiO2。同時使有機無機之間以化學(xué)鍵結(jié)合，制備了具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)且性能穩(wěn)定的新型紙張表面增強劑，通過SiO2增加紙張表面的力學(xué)性能。研究結(jié)果表明：雜

3、化材料中SiO2粒徑隨著TEOS加入量的增大而增大，并隨硅烷偶聯(lián)劑加入量的增加而減??；在TEOS用量為20％，GPTMS用量為5％，pH為5時所得雜化材料均勻透明，無分層。PVA/SiO2雜化材料力學(xué)性能的研究表明：TEOS用量為20％，GPTMS用量5％為時，材料的拉伸強度達43.11MPa，斷裂伸長率為73.53％。紅外光譜和29Si固體核磁表明PVA和納米SiO2之間產(chǎn)生了化學(xué)鍵合，TEOS和硅烷偶聯(lián)劑達到了共水解共縮合，SiO2

4、表面接枝了硅烷偶聯(lián)劑。雜化液的透射電鏡圖片表明SiO2在雜化材料中分布均勻，無團聚。掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡結(jié)果表明雜化材料中有硅元素存在，且膜表面均勻。PVA/納米SiO2雜化材料用作紙張表面增強劑的應(yīng)用結(jié)果表明，使用雜化材料增強劑的紙張的環(huán)壓強度提高27.1％，抗張指數(shù)高33.3％，撕裂指數(shù)提高27.8％，拉毛強度提高21.7％。纖維之間結(jié)合緊密。與淀粉施膠劑復(fù)配有聯(lián)合增效作用。
　　 其次，以PVA為膠體保護劑，以苯乙

5、烯，丙烯酸酯類單體和含雙鍵的納米二氧化硅粉體通過原位無皂乳液聚合合成了表面施膠增強劑(IS-SAE/SiO2)。研究結(jié)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％，反應(yīng)進行4.0h，超聲時間10min，反應(yīng)溫度70℃所得乳液穩(wěn)定，粒徑小，粒徑分布窄。w(PVA)=8％,n(BA):n(St)=1.2:1,w(RNS-D)=5％,w(DMC)=

6、3％，材料力學(xué)性能和耐水性均好，其中拉伸強度最高可達5.5N/mm2，斷裂伸長率可達到102％；耐水性最低為12.5％。
　　 ATR-FT-IR分析表明RNS-D作為反應(yīng)單體參與聚合反應(yīng)，實現(xiàn)了聚合物-無機之間的化學(xué)鍵合，兩者復(fù)合達到分子水平。熱重分析表明無機組分的加入提高了材料的熱分解溫度，其中T50由純SAE的393.6℃提高到410℃。乳液形貌及粒徑分布分析結(jié)果表明納米SiO2的加入導(dǎo)致乳液粒徑變大，粒徑分布變寬，形成了

7、無機核有機殼的結(jié)構(gòu)。動態(tài)力學(xué)分析表明IS-SAE/SiO2的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為58℃，比純SAE提高了9℃。AFM和SEM分析結(jié)果表明納米SiO2的加入增加了雜化膜表面粗糙度，有機無機相實現(xiàn)了相互貫穿；應(yīng)用結(jié)果表明，雜化材料用作紙張表面施膠增強劑不僅提高了紙張強度，還使紙張的施膠度得到了提高，在雜化材料用量為1％時，環(huán)壓強度可提高32％，抗張強度提高16.1％，撕裂度提高6.3％，拉毛強度提高30.4％，施膠度可達65s。施膠后的紙張纖維

8、之間編織更加緊密，施膠后紙張對水接觸角增大，有一定防水效果。雜化材料與淀粉施膠劑復(fù)配有聯(lián)合增效作用。
　　 最后，進一步優(yōu)化合成工藝，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)原位共水解縮合制備改性納米SiO2溶膠，然后與丙烯酸酯類單體進行原位無皂乳液聚合，制備出一種具有良好疏水性能、強度性能、黏結(jié)性能及成膜性能的苯乙烯-丙烯酸樹酯(SAE)/納米SiO2雜化乳液紙張表面施膠增強劑(SG-SAE

9、/SiO2)。
　　 結(jié)果表明當TEOS用量15％，MPTMS用量為1％時材料力學(xué)性能和耐水性均好，拉伸強度為13MPa，斷裂伸長率為95％，吸水率最低為10.5％。動態(tài)力學(xué)分析表明SG-SAE/SiO2的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為61℃，而純SAE的僅為49℃。ATR-FT-IR和29Si固體核磁分析表明，正硅酸乙酯已經(jīng)水解，形成了Si-O-Si無機交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。在雜化材料中出現(xiàn)了T3結(jié)構(gòu)，表明SiO2表面接枝了硅烷偶聯(lián)劑。而結(jié)合紅外光譜硅

10、烷偶聯(lián)劑的C=C雙鍵消失，說明有機無機兩相之間產(chǎn)生了化學(xué)鍵合。熱重分析表明無機組分的加入提高了材料的熱分解溫度，T50由純SAE的393.6℃提高到406.5℃。乳液形貌及粒徑分布分析結(jié)果表明納米二氧化硅的加入沒有導(dǎo)致乳液粒徑明顯增大。AFM和SEM分析結(jié)果表明納米二氧化硅的加入增加了雜化膜表面粗糙度，有機無機組分實現(xiàn)了相互貫穿。應(yīng)用結(jié)果表明：當雜化材料用量為1％時，環(huán)壓強度提高41.7％，抗張強度提高26.4％，撕裂指數(shù)提高24.6％