纤维素的ATRP法接枝改性及其在造纸中的应用

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随着造纸纤维原料的短缺,二次纤维的利用受到了广泛关注。在废纸制浆过程中会产生大量溶解与胶体物质(DCS),影响抄纸过程,降低成纸质量。同时,对高品质、高强度纸张的追求迫切需要在控制DCS的同时改善纸张的强度性能。使用造纸助剂是目前解决这些问题的主要手段之一。随着化石资源的日趋枯竭,充分利用可再生的生物质资源,开发高效多功能的生物质基造纸助剂是当前的研究热点。论文以纤维素为原料,通过原子转移自由基聚合合成了一种水溶性阳离子纤维素接枝聚合物Cell-g-DMC,并系统研究了其对阴离子垃圾的控制作用和对纸浆的增强作用。首先,将纤维素溶解于离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐(BMIMCl)中,采用2-溴异丁酰溴(BiBBr)与纤维素反应制备纤维素大分子引发剂Cell-BiB,通过XRD、FT-IR和NMR对产物进行表征,证明了大分子引发剂的成功合成。以Cell-BiB为引发剂,甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)为阳离子单体,溴化亚铜(CuBr)为催化剂,N,N,N’,N’,N’’-五甲基二乙烯基三胺(PMDETA)为配体,在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中进行原子转移自由基聚合制备了水溶性阳离子纤维素接枝聚合物Cell-g-DMC。通过FT-IR、13C NMR鉴定了产物结构,结果显示Cell-g-DMC的结构与预期结构一致。通过研究摩尔比、反应浓度、反应温度和反应时间对Cell-g-DMC接枝效率、特性黏度、阳离子电荷密度及Zeta电位的影响,得出Cell-g-DMC合成的最佳工艺条件为:DMC、PMDETA、CuBr、Cell-BiB的摩尔比为200:1:2:1;反应体系浓度为50%;反应温度为60℃;反应时间为24h。通过研究Cell-g-DMC的阳电荷密度及加入量对废新闻纸脱墨浆滤液浊度、Zeta电位及粒径的影响发现,Cell-g-DMC具有较高的阳电荷密度,能够通过静电吸附将阴离子垃圾固着到纤维素上,是高效的阴离子垃圾捕捉剂。在添加量为0.5%时,Cell-g-DMC具有最佳效果,而且Cell-g-DMC的阳电荷密度越高,控制阴离子垃圾的效果越好。另外,研究了Cell-g-DMC的特性黏度、加入量、作用时间、剪切力和pH对杨木BCTMP增强效果的影响。结果表明,Cell-g-DMC能够明显改善纸张强度。通过扫描电镜观察发现,加入Cell-g-DMC后,纤维间的结合点增多。采用特性黏度为143.94ml/g的Cell-g-DMC,在0.5%用量、作用5min、浆料体系pH=7、转速为250rpm时,对纸张的增强效果最好,纸张的抗张指数、撕裂指数、耐破指数和内结合强度与空白样相比分别增加了21.22%、17.26%、51.11%和56.33%。Cell-g-DMC作为增强剂,其结构中的羟基、胺正离子等能够与纤维发生作用,显著增加纤维间的结合强度,提高纸张的强度性能。
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