两性型聚丙烯酰胺助留助滤剂的合成及其性能研究

聚丙烯酰胺是在造纸过程中最常用的一种造纸湿部助留助滤剂，它可提高纸张细小纤维和填料的留着率，降低原料成本，改善滤水性能，有利于干燥，提高纸机车速，降低造纸白水浓度，减轻废水处理负担，在一定程度上还可提高纸张强度。然而，近年来，由于一些原因，如废纸张的大量使用，短纤维原料的增加，造纸白水的高度循环利用，造纸系统向中性/碱性体系的发展等等，使造纸湿部产生了一个新的障碍，即阴离子杂质的聚集和积累，致使纸页的成形条件恶化，大大削弱了阴离子型聚丙烯酰胺助留助滤体系的效果，甚至完全失效。为了解决阴离子杂质的聚集和积累问题，夏新兴等人在碱性和酸性条件下研究了CPAM/膨润土助留助滤体系的性能，结果获得了预期的效果。由于聚丙烯酰胺及其共聚物的阴、阳、非离子型在使用时必须与纸厂的具体环境(如酸、碱性)相配合，因而开发适应pH值范围宽、助留助滤效果好的两性型聚丙烯酰胺很有必要。 1 实 验 1.1 实验原料及试剂丙烯酰胺：工业级，日本东亚合成株式会社产品；甲基丙烯酸二甲氨基乙酯氯甲烷盐：工业级，日本东亚合成株式会社产品；丙烯酸：工业级，北京东方化工厂产品；添加剂、链转移剂、氧化剂、还原剂均为分析纯；废纸浆由大连创大纸业提供；德国进口K350：取自山东某造纸厂；阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)助留助滤剂：自制。 1.2 实验方法 1.2.1 助留助滤剂的合成在反应瓶内加入一定量的蒸馏水、AM、DMC、AA、添加剂、链转移剂以及还原剂，在设定温度下通氮驱氧5min后加入氧化剂，继续通氮25min后放入保温瓶内进行绝热聚合得到胶状聚合物，再经过造粒、干燥、粉碎得到粉状聚合物AmPAM。 1.2.2 AmPAM的应用性能测试 (1)打浆度。称取2g绝干浆加水至1000mL，搅拌均匀后加入不同量的AmPAM，于疏解机中疏解1min，用JX-D型打浆度仪测其打浆度和留着量。 (2)抄片。称取一定量的绝干浆配成所需浓度，于疏解机中疏解1min，并加入AmPAM，按标准法在HG纸页抄片器(德国产，型号：D-45476)上抄定量为60±2g/m2纸片。 (3)成纸灰分的测定。按照GB/T463-1989法测定。 2 结果与讨论 2.1 AmPAM的合成条件 2.1.1 单体质量分数对聚合物的影响在单体组成比为m(AM)∶m(DMC)∶m(AA)=48∶40∶12，聚合引发温度为30℃，氧化剂质量分数为0.06%，还原剂质量分数为0.1%，链转移剂质量分数为0.4%，添加剂质量分数为5%的条件下，改变单体质量分数，AmPAM共聚物的相对分子质量与单体质量分数的关系列于表1。从表1可以看出，共聚物的相对分子质量随单体质量分数的增加而增大，但单体质量分数>34%时产生微交联，36%时出现爆聚，所以32%可以作为最佳的单体质量分数。 2.1.2 引发剂质量分数对聚合的影响从表2中可以看到，单体质量分数为32%，改变氧化剂质量分数而其它条件不变的情况下，共聚物的相对分子质量随氧化剂质量分数的增加而降低。这是因为，引发剂质量分数的增加，反应活性中心增多，聚合速率加快，同时链终止速度也加快而分子质量降低，完全符合自由基聚合机理。2.1.3 链转移剂质量分数对聚合的影响众所周知，聚丙烯酰胺助留助滤剂的适宜相对分子质量为100万～500万，若想制备这一范围的相对分子质量，在聚合过程中必须加入分子质量调节剂。我们选择了一种链转移剂，在如上所述的聚合条件下，研究了链转移剂的质量分数对聚合的影响，结果列于表3。由表3可见，链转移剂质量分数<0.2%时所得共聚物产生交联而不溶于水，质量分数在0.8%～1.0%范围内变化不大，说明0.4%～0.8%可以作为最适宜的链转移剂质量分数。 2.1.4 添加剂用量的影响为了降低原料成本，在上述聚合条件不变的情况下选择廉价的添加剂作为共聚合过程中的添加剂。由表4可以看到，虽然添加剂用量在w<10%时对聚合影响不大，但是，对降低原料成本有好处。 3 AmPAM助留助滤性能 3.1.1 相对分子质量对助滤性能的影响为了考查AmPAM助滤性能，在助剂用量为w=0.15%的情况下研究了不同相对分子质量助剂的滤水性能，结果列于表5。由表5可见，在纸浆中加入AmPAM后其助滤效果特别明显，而且随着助剂相对分子质量的增大而提高，但是，相对分子质量在150万～300万范围内影响不大。 3.1.2 与不同类型的助留助滤剂性能对比在助剂用量为w=0.15%的情况下，与CPAM助剂做了对比，结果列于表6。由表6清楚地看到，AmPAM的助留效果比CPAM稍好些。另外，在用量相同的情况下，AmPAM和德国产K350助剂加到废纸浆中进行抄片，结果发现，纸片匀度相当好，可以与K350相媲美。 4 结 论 (1)两性型聚丙烯酰胺助留助滤剂的合成条件：单体质量分数32%，氧化剂质量分数0.06%，链转移剂质量分数为0.4%～0.8%，添加剂质量分数为<10%较好。 (2)AmPAM的适宜相对分子质量为150万～300万之间较好。 (3)AmPAM的助留助滤性能可与德国K350相媲美。