纤维素基阳离子聚合物的制备及其对填料的改性作用

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加填可有效降低生产成本,节约原料,改善纸张性能。然而,填料粒子与纸浆纤维间天然的理化性质差异导致二者结合力弱,会对成纸的物理强度和施胶性能产生不利影响。对填料进行改性是一种可有效提高填料留着率、改善纸张性能、满足产品质量要求的方法。而基于纤维素衍生物与纤维间较好的相容性和亲和力,利用具有特定功能的纤维素衍生物对填料进行改性,以改善填料粒子与纤维间的结合力有着重要的实用价值。利用3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTAC)和2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(EMPTAC)为醚化剂,在氢氧化钠/尿素体系中与纤维素发生均相反应,制备了水溶性的纤维素基阳离子聚合物Cellulose-CHPTAC和Cellulose-EMPTAC。采用红外光谱(FT IR)、X-射线衍射(XRD)、核磁共振(1H NMR、13C NMR、2D-HSQC)以及热稳定性分析(TGA)等对其进行了表征。结果表明,在氢氧化钠/尿素体系中,CHPTAC与纤维素葡萄糖单元的羟基发生均相反应的进程受反应时间、反应温度、CHPTAC/AGU摩尔比以及反应物浓度等因素的影响。制备纤维素基阳离子聚合物Cellulose-CHPTAC的最佳反应条件为:反应温度70°C,反应时间10 h,CHPTAC与AGU的摩尔比9:1,纤维素浓度3wt%,此条件下所得的Cellulose-CHPTAC的取代度为0.52。以环氧氯丙烷(ECH)为交联剂,使纤维素基阳离子聚合物Cellulose-CHPTAC分子间产生交联并包覆于填料碳酸钙表面,对填料粒子进行了表面包覆改性,并研究了Cellulose-CHPTAC和交联剂用量、反应时间等对填料改性效果的影响。结果表明,当Cellulose-CHPTAC阳电荷密度为1.69 mmol/g,Cellulose-CHPTAC用量为15%,ECH与Cellulose-CHPTAC的摩尔比为6:1,反应时间为4 h时,填料碳酸钙的改性效果最好。改性后,填料粒子表面带有季胺阳电荷基团和一定量的羟基,填料表面较为粗糙,粒子尺寸有所增加。将改性填料加填于杨木APMP中,研究了加填改性填料对成纸物理强度及填料留着率的影响,并分析了应用条件对改性填料加填效果的影响。结果表明,经由Cellulose-CHPTAC改性的碳酸钙填料通过改善纤维间的结合,可有效补偿由于加填无机填料导致的纸页物理强度的降低,而Cellulose-CHPTAC赋予其表面的季胺阳电荷基团可大大提高填料在纸页中的留着效率。浆料体系的温度会对改性碳酸钙填料的加填效果产生一定影响,而浆料体系的剪切力以及填料与浆料的作用时间对其加填效果影响不大,采用Cellulose-CHPTAC改性的碳酸钙填料可以适应高速纸机的抄造体系。
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