CN101545231B - 功能化纸浆及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功能化纸浆及其制备方法和应用，该功能化纸浆是以天然纤维素纤维为原料，通过与一种或多种乙烯基化合物进行自由基接枝共聚而得到。其中纤维素纤维与乙烯基化合物的质量比为1∶0.1-1∶10。这种功能化纸浆由于表面包覆有功能高分子，可直接作为助剂在纸料制备工段进行添加，功能化纸浆相对于绝干浆的添加量为0.1-100％。功能化纸浆作为纤维状助剂使用时，能提高纸张的强度，改善细小组分的留着，改善滤水。
Description
技术领域
本发明属纤维素纤维的化学改性领域，具体地说涉及一种功能化纸浆及其制备方法和应用。这种功能化纸浆可作为造纸湿部的纤维状助剂应用。
背景技术
造纸纤维表面带有大量的负电荷，主要是由于制浆和漂白过程中纤维表面产生了大量的羧基和羰基，有的还带有磺酸基。这些负电荷在造纸过程中会导致纤维和细小纤维之间的排斥，与添加的阴离子填料和助剂排斥，阻碍了絮聚，使滤水变差，细小组分的保留亦变差，加重了污染负荷。为了减轻负电荷带来的负面影响，目前普遍采用的方法是添加水溶性阳离子助剂，但是添加水溶性阳离子助剂也会带来诸多问题，例如：白水封闭循环造成盐含量的积累直接影响其使用效果，加入过量会造成体系由阴离子性变成阳离子性从而产生另一种新的排斥，可溶性阳离子聚合物会造成白水的粘度增加，使纸机操作困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功能化纸浆；提供一种可简单而安全地制备功能化纸浆的方法；以及提供一种可通过使用上述功能化纸浆，作为纤维状助剂以改善湿部系统中细小组分的保留，提高纸张的强度，改善滤水的应用方法。
本发明的目的是通过以下的技术方案来实现的：
一种功能化纸浆，其特征在于：该纸浆由纤维素纤维与乙烯基化合物混合而成，其中纤维素纤维与乙烯基化合物的质量比为1∶0.1-1∶10。
本发明中，所述纤维素纤维为由针叶材、阔叶材、棉、麻、禾草或农林废弃物为原料制得的纤维素纤维中的任一种或几种的混合物。纤维素纤维可以用化学法、机械法或化学机械法制得。
所述乙烯基化合物的必要组分为含季铵基团的乙烯基化合物，该含季铵基团的乙烯基化合物是二烯丙基二甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵或甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的任意一种或几种的混合物；所述乙烯基化合物的非必要组分为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、丙烯酸中的任一种或几种的混合物。特别优选的是丙烯酰胺和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的组合，或者丙烯酰胺和二烯丙基二甲基氯化铵的组合，或者丙烯酰胺和丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的组合。
一种功能化纸浆的制备方法，其特征在于：该制备方法由纤维素纤维与乙烯基化合物在自由基聚合催化剂的作用下进行接枝共聚得到功能化纸浆，具体制备步骤如下：
将纤维素纤维、乙烯基化合物与自由基聚合催化剂按照1∶0.1∶0.05-1∶10∶0.2的质量比在水介质中，进行接枝共聚反应，反应温度为35-95℃、反应时间为8分钟-12小时，反应结束后，滤出纤维，洗涤干净，得到功能化纸浆。
所述的自由基聚合催化剂为金属离子催化剂或氧化还原催化剂。所述的金属离子催化剂为高价铈盐、钒盐、三价锰硫酸盐配合物、高锰酸钾-硫酸、高锰酸钾-草酸或高锰酸钾-柠檬酸中的任一种。所述的氧化还原催化剂为二价铁盐与过氧化氢及二氧化硫脲、二价铁盐与过氧化氢及肼，过硫酸盐、过硫酸盐与二价铁盐或亚硫酸钠或亚硫酸氢钠或硫代硫酸钠或硫脲中的任一种。特别优选的是高价铈盐或过硫酸盐类体系。
本发明的功能化纸浆，其骨架是纤维素纤维，具体地说，是以木材类(以马尾松、云杉、桦木、桉木、杨木为特别优选)、禾草(以龙须草、竹子、稻麦草、芦苇、甘蔗渣为特别优选)、棉、麻和其它农林废弃物为原料，以化学法、机械法或化学机械法制得，根据需要也可兼用其中的任几种纤维组合后使用。其中化学法制得的纤维素纤维采用硫酸盐浆、漂白硫酸盐浆、亚硫酸盐浆、漂白亚硫酸盐浆、苏打浆中的一种；机械法制得的纤维素纤维采用木片磨木浆、磨石磨木浆、热磨机械浆中的一种；化学机械法制得的纤维素纤维采用化学热磨机械浆、碱性过氧化氢机械浆、盘磨化学预处理的碱性过氧化氢机械浆、漂白化学热磨机械浆中的一种。
本发明的功能化纸浆作为纤维状助剂在纸料制备工段中的应用。功能化纸浆直接作为助剂在纸料制备工段进行添加，功能化纸浆相对于绝干浆的添加量为0.1-100％。采用本发明的功能化纸浆，可以提高保留率，改善滤水性能和提高纸张强度。
本发明采用纤维改性的方法可使得纤维表面包覆一层高分子膜。选择带有阳电性的乙烯基化合物在自由基聚合催化剂的作用下，可接枝共聚到常规纸浆的表面，这样所得的功能化纸浆不仅可以克服添加水溶性阳离子助剂带来的上述问题，而且与水溶性阳离子助剂相比具有更高的填料留着率、更好的滤水性能和更强的抗阴离子干扰物的能力。
本发明的功能化纸浆具有以下优点：
1、可作为纤维状的助剂直接使用，以一定比例添加到系统中，自身100％的保留；可降低助留剂的用量或提高系统保留水平；改善系统滤水性能；提高纸张强度。
2、拓展了新的思路，将造纸中的大宗原料——纸浆，作为改性对象，并最终将功能化纸浆作为纤维状助剂在造纸中使用。
具体实施方式
以下列举实施例更加具体地说明本发明。
实施例1
将20g漂白硫酸盐桉木浆置于蒸馏水中均匀分散，加入8.0g丙烯酰胺，3.0g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵以及10ml 0.1mol/L的硝酸铈铵溶液并均匀分散，在45℃下处理2小时，然后滤出纤维，洗涤干净。
将所得的功能化纸浆作为纤维状助剂配入纸料，取代少量的阔叶浆。为了对比，同时进行一个空白样，即不加功能化纸浆。
添加功能化纸浆的纤维配比为：
功能化纸浆∶阔叶浆∶针叶浆∶BCTMP∶损纸＝2∶30∶30.4∶17.6∶20。
空白样的纤维配比为：
功能化纸浆∶阔叶浆∶针叶浆∶BCTMP∶损纸＝0∶32∶30.4∶17.6∶20。
其它化学助剂添加情况为：0.038％CPAM，0.38％膨润土，碳酸钙8.6％，阳离子淀粉0.96％，AKD 0.15％。结果列于表1中。
表1
| 实验组 | 空白 | 添加功能浆 |
| 功能化浆用量，％ | 0 | 2.0 |
| FPAR，％(灼烧法) | 65.3 | 69.4 |
| 30秒滤水，mL | 650 | 711 |
| 克重，g/m2 | 61.5 | 61.3 |
| 抗张指数，N·m/g | 47.8 | 52.8 |
| 撕裂指数，mN·m2/g | 8.0 | 8.4 |
| 耐破指数，kPa·m2/g | 2.77 | 3.20 |
| 内聚力，J/m2 | 328.4 | 351.3 |
实施例2
将10g漂白硫酸盐马尾松浆置于蒸馏水中均匀分散，加入3.3g丙烯酰胺，5.1g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵以及0.4g的过硫酸铵和少量亚硫酸钠，并均匀分散，在60℃下处理1小时，然后滤出纤维，洗涤干净。
将所得的功能化纸浆作为纤维状助剂配入纸料，取代少量的针叶浆。为了对比，同时进行一个空白样，即不加功能化纸浆。
添加功能化纸浆的纤维配比为：
功能化纸浆∶阔叶浆∶针叶浆∶APMP∶损纸＝2∶32∶28.4∶17.6∶20。
空白样的纤维配比为：
功能化纸浆∶阔叶浆∶针叶浆∶APMP∶损纸＝0∶32∶30.4∶17.6∶20。
其它化学助剂添加情况为：0.025％CPAM，0.25％Silica，碳酸钙15％和18％(分别对于空白样和添加功能化浆的情况)，阳离子淀粉1.0％，AKD 0.20％。结果列于表2中。
表2
| 实验组 | 空白 | 添加功能浆 |
| 功能化浆用量，％ | 0 | 2 |
| FPAR，％(灼烧法) | 56.3 | 56.6 |
| 30秒滤水，mL | 612 | 628 |
| 克重，g/m2 | 65.4 | 65.8 |
| 抗张指数，N·m/g | 38.2 | 37.9 |
| 内聚力，J/m2 | 322.2 | 321.9 |
实施例3
将20g漂白苇浆置于蒸馏水中均匀分散，加入8.3g丙烯酰胺，5.4g二烯丙基二甲基氯化铵以及0.32g的高锰酸钾和少量草酸，并均匀分散，在50℃下处理1小时，然后滤出纤维，洗涤干净。
将所得的功能化纸浆作为纤维状助剂配入纸料，取代少量的阔叶浆。为了对比，同时进行一个空白样，即不加功能化纸浆。
添加功能化纸浆的纤维配比为：
功能化纸浆∶阔叶浆∶针叶浆∶BCTMP＝2∶63∶15∶20。
空白样的纤维配比为：
功能化纸浆∶阔叶浆∶针叶浆∶BCTMP＝0∶65∶15∶20。
其它化学助剂添加情况为：0.03％CPAM，0.3％膨润土，碳酸钙15％，阳离子淀粉1.0％，AKD 0.2％。结果列于表3中。
表3
| 实验组 | 空白 | 添加功能浆 |
| 功能化浆用量，％ | 0 | 2 |
| FPAR，％(灼烧法) | 57.8 | 62.7 |
| 30秒滤水，mL | 626 | 645 |
| 克重，g/m2 | 64.7 | 65.2 |
| 抗张指数，N·m/g | 42.3 | 45.1 |
| 内聚力，J/m2 | 325.5 | 347.5 |
实施例4
将20g由意大利杨木生产的碱性过氧化氢机械浆置于蒸馏水中均匀分散，加入8.2g丙烯酰胺，4.8g二烯丙基二甲基氯化铵以及0.28g的高锰酸钾和少量柠檬酸，并均匀分散，在50℃下处理1小时，然后滤出纤维，洗涤干净。
将所得的功能化纸浆作为纤维状助剂配入纸料，取代少量的阔叶浆。为了对比，同时进行一个空白样，即不加功能化纸浆。
添加功能化纸浆的纤维配比为：
功能化纸浆∶阔叶浆∶针叶浆∶BCTMP∶损纸＝2∶30∶30.4∶17.6∶20。
空白样的纤维配比为：
功能化纸浆∶阔叶浆∶针叶浆∶BCTMP∶损纸＝0∶32∶30.4∶17.6∶20。
其它化学助剂添加情况为：0.025％CPAM，0.25％膨润土，碳酸钙15％，阳离子淀粉1.0％，AKD 0.15％。结果列于表4中。
表4
| 实验组 | 空白 | 添加功能浆 |
| 功能化浆用量，％ | 0 | 2 |
| FPAR，％(灼烧法) | 56.8 | 61.1 |
| 30秒滤水，mL | 608 | 625 |
| 克重，g/m2 | 65.3 | 65.8 |
| 抗张指数，N·m/g | 34.5 | 38.6 |
| 内聚力，J/m2 | 312.5 | 322.4 |
实施例5
将20g漂白化学热磨机械浆置于蒸馏水中均匀分散，加入5.0g丙烯酰胺，12.0g二烯丙基二甲基氯化铵以及0.33g的过硫酸钾和少量亚硫酸氢钠，并均匀分散，在40℃下处理3小时，然后滤出纤维，洗涤干净。
将所得的功能化纸浆作为纤维状助剂配入纸料，取代少量的阔叶浆。为了对比，同时进行一个空白样，即不加功能化纸浆。
添加功能化纸浆的纤维配比为：
功能化纸浆∶阔叶浆∶针叶浆∶BCTMP∶损纸＝2∶30∶30.4∶17.6∶20。
空白样的纤维配比为：
功能化纸浆∶阔叶浆∶针叶浆∶BCTMP∶损纸＝0∶32∶30.4∶17.6∶20。
其它化学助剂添加情况为：0.3％膨润土，碳酸钙10％，阳离子淀粉1.0％，AKD 0.15％，CPAM分别添加0.03％和0.015％(分别对于空白样和添加功能化浆的情况)。结果列于表5中。
表5
| 实验组 | 空白 | 添加功能浆 |
| 功能化浆用量，％ | 0 | 2 |
| FPAR，％(灼烧法) | 56.6 | 56.4 |
| 30秒滤水，mL | 617 | 622 |
| 克重，g/m2 | 64.8 | 65.2 |
| 抗张指数，N·m/g | 34.4 | 35.1 |
| 内聚力，J/m2 | 307.5 | 312.2 |
通过以上实施例可以表明：用本发明的功能化纸浆，可以提高保留率，改善滤水性能和提高纸张强度。
Claims (8)
1.一种功能化纸浆，其特征在于：该纸浆由纤维素纤维与乙烯基化合物在自由基聚合催化剂的作用下进行接枝共聚得到，具体制备方法为：将纤维素纤维、乙烯基化合物与自由基聚合催化剂按照1∶0.1∶0.05-1∶10∶0.2的质量比在水介质中，进行接枝共聚反应，反应温度为35-95℃、反应时间为8分钟-12小时，反应结束后，滤出纤维，洗涤干净，得到功能化纸浆；其中所述的自由基聚合催化剂为金属离子催化剂或氧化还原催化剂。
2.根据权利要求1所述的功能化纸浆，其特征在于：所述纤维素纤维为由针叶材、阔叶材、棉、麻、禾草或农林废弃物为原料制得的纤维素纤维中的任一种或几种的混合物。
3.根据权利要求1所述的功能化纸浆，其特征在于：所述乙烯基化合物的必要组分为含季铵基团的乙烯基化合物，该含季铵基团的乙烯基化合物是二烯丙基二甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵或甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的任意一种或几种的混合物；所述乙烯基化合物的非必要组分为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、丙烯酸中的任一种或几种的混合物。
4.一种权利要求1所述功能化纸浆的制备方法，其特征在于：该制备方法由纤维素纤维与乙烯基化合物在自由基聚合催化剂的作用下进行接枝共聚得到功能化纸浆，具体制备步骤如下：
将纤维素纤维、乙烯基化合物与自由基聚合催化剂按照1∶0.1∶0.05-1∶10∶0.2的质量比在水介质中，进行接枝共聚反应，反应温度为35-95℃、反应时间为8分钟-12小时，反应结束后，滤出纤维，洗涤干净，得到功能化纸浆，所述的自由基聚合催化剂为金属离子催化剂或氧化还原催化剂。
5.根据权利要求4所述的功能化纸浆的制备方法，其特征在于：所述的金属离子催化剂为高价铈盐、钒盐、三价锰硫酸盐配合物、高锰酸钾-硫酸、高锰酸钾-草酸或高锰酸钾-柠檬酸中的任一种。
6.根据权利要求4所述的功能化纸浆的制备方法，其特征在于：所述的氧化还原催化剂为二价铁盐与过氧化氢及二氧化硫脲、二价铁盐与过氧化氢及肼，过硫酸盐与二价铁盐或亚硫酸钠或亚硫酸氢钠或硫代硫酸钠或硫脲中的任一种。
7.一种权利要求1所述的功能化纸浆作为纤维状助剂在纸料制备工段中的应用。
8.根据权利要求7所述的功能化纸浆在纸料制备工段中的应用，其特征在于：功能化纸浆直接作为助剂在纸料制备工段进行添加，功能化纸浆相对于绝干浆的添加量为0.1-100％。
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