CN103806332A - 一种新型表面施胶剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型表面施胶剂，以苯乙烯和丙烯酸烷酯为主要反应单体，分散于乳化剂中，在引发剂的作用下，于水溶液中聚合而成，其特征在于，所用原料的质量比为：苯乙烯单体8-25%，丙烯酸烷酯单体6-20%，0-3%的共聚单体，乳化剂0.2-0.5%，引发剂0.5-1.5%，水60-75%，且乳化剂中含有10-100%的木质素磺酸钠。本发明制备表面施胶剂时，以木质素磺酸钠部分或全部替代传统乳化剂，产品性能更加稳定，应用于纸张上可大大提高纸张环压强度和挺度，使纸张综合性能更加优异；此外，木质素磺酸钠可以由造纸黑液回收的木质素经磺化而成，经济价廉且有利于环保。

Description

一种新型表面施胶剂及其制备方法
技术领域
本发明属于表面施胶剂技术领域，具体涉及一种新型表面施胶剂及其制备方法。
背景技术
表面施胶剂是通过静电吸附或共价键结合，吸附在纸纤维表面并形成胶膜结构，赋予纸张良好的抗水性、环压强度等物理性能，并降低施胶成本。
现有的表面施胶剂大多采用传统乳化剂对反应单体进行乳化，例如发明专利“表面施胶剂”（申请号00816596.3，公开日2003年3月12日）和“阳离子核壳共聚苯丙表面施胶剂及其制备方法”（申请号201010168738.0，公开日2010年9月8号）提供的表面施胶剂及制备方法。然而采用传统乳化剂易造成产品凝胶量增多、电解质稳定性差等问题以及对纸张抗水性、环压强度等物理性能等产生负面影响。最近兴起的反应型乳化剂代替传统乳化剂虽然能减少这些影响，但存在成本过高的问题。
造纸黑液是造纸工业的碱法（烧碱法和硫酸盐法）制浆工艺产生的废水，含有大量的木质素，呈黑褐色。造纸黑液中含有大量的悬浮性固体、有机污染物和有毒物质，直接排放到水体中会造成严重的污染。直接排放的主要危害有：含大量纤维、色素和无机盐的造纸废水会使水体变黑，并有特殊的恶臭味；含高浓度有机污染物的造纸黑液的生化耗氧量(BOD)可高达5000-40000g/L，会大量消耗水中的溶解氧，影响水质；黑液中大量存在的碱性物质会使水体的pH值急剧升高，破坏水体环境的平衡。而事实上，造纸黑液中的木质素含有一定数量的醇羟基、酚羟基、羧基和羰基等官能团，官能团上氧原子的未共用电子对能与金属离子形成配位键，与金属离子生成螯合物，阻止金属离子的沉淀，若能对造纸黑液中的木质素进行回收利用，将产生很大的环境价值和经济价值。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的一个目的是提供一种稳定性好、造价低且有利于环保的新型表面施胶剂。
本发明的另一个目的是提供上述新型表面施胶剂的制备方法。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种新型表面施胶剂，以苯乙烯和丙烯酸烷酯为主要反应单体，分散于乳化剂中，在引发剂的作用下，于水溶液中聚合而成，所用原料的质量比为：苯乙烯单体8-25%，丙烯酸烷酯单体6-20%，0-3%的共聚单体，乳化剂0.2-0.5%，引发剂0.5-1.5%，水60-75%，且乳化剂中含有10-100%的木质素磺酸钠。
进一步，乳化剂中含有50-100%的木质素磺酸钠。
进一步，所述木质素磺酸钠由造纸黑液中回收的木质素经磺化制得。
再进一步，乳化剂中还含有C12脂肪醇聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚、阴离子型双子乳化剂、双季胺盐阳离子双子乳化剂、聚乙二醇200单月桂酸酯、聚乙二醇400单硬脂酸酯、聚乙二醇400双硬脂酸酯、聚乙二醇6000双硬脂酸酯或单硬脂酸甘油酯中的一种或多种。
进一步，丙烯酸烷酯单体为丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸异丁酯或甲基丙烯酸甲酯。
再进一步，共聚单体选自甲基丙烯酸、马来酸酐、丙烯腈、N-羟甲基丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯酰胺和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的一种或多种。
进一步，引发剂为由氧化剂、还原剂组成的氧化还原体系，氧化剂与还原剂的重量比为0.5-8:1。
再进一步，氧化还原体系为过硫酸钠-亚硫酸氢钠体系、过硫酸钾-亚硫酸氢钠、过硫酸铵-亚硫酸氢钠或过氧化氢-硫酸亚铁体系。
本发明提供的上述新型表面施胶剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）将80-100%的乳化剂放入反应器中，加入100-130倍量水混合，升温至70-90℃，搅拌溶解；
（2）将反应单体、剩余的乳化剂、引发剂中的还原剂与0.2-0.4倍量水混合，搅拌使乳化，配成滴加液A；
（3）将引发剂的氧化剂和20-30倍量水混合，配成滴加液B；
（4）在70-90℃下，采取滴加的方式将滴加液A、B同时加入到步骤（1）的反应器中，并在2.5-4小时内滴加完毕，再反应0.5-2小时后，停止反应，降温至40℃以下，过滤放料即可。
进一步，步骤（4）中，在85-90℃下将滴加液A、B加入到步骤（1）的反应器中，并在3-4小时内滴加完毕，再反应时间为0.5-1小时。
本发明旨在利用木质素磺酸钠良好的分散性能且可与单体生成化学键结合，以木质素磺酸钠部分或全部替代传统乳化剂应用于表面施胶剂的制备中，使表面施胶剂具有优异的稳定性，产品施用于纸张表面时，其分子链上的各类基团能够与纸张纤维生成氢键、共价键结合，同时使纸张表面拥有大量疏水基团，并形成一定厚度的涂布层，从而赋予优异的纸张抗水性及环压强度等物理性能，使纸张的综合性能得以提高；此外，本发明采用的木质素磺酸钠由造纸黑液回收的木质素经磺化而成，经济价廉且有利于环保。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述。
本发明提供的新型表面施胶剂的制备方法中，步骤（2）中可以用少量的乳化剂与反应单体混合以便起到预乳化的作用，当然也可以不进行乳化而将全部乳化剂放入步骤（1）的反应器中。
另外，步骤（4）中所得产品的固含量通常约为25-30%，实际应用时可根据需要调节固含量。
本文中，%表示质量百分比。
实施例1
向反应釜中加入230kg水、1.0kg木质素磺酸钠和1.0kg乳化剂OP-10，升温到70℃，搅拌溶解；将50kg水、2kg亚硫酸氢钠、100kg苯乙烯、110kg丙烯酸丁酯、0.3kg木质素磺酸钠和0.2kg OP-10混合，在120-150r/min的高速搅拌制成乳液，作为滴加液A；将2.5kg过硫酸钠和60kg水混合配成滴加液B；将反应釜温度升高到90℃，同时开始滴加滴加液A、B，3.5h滴加完成，再反应1h，降温至40℃以下，放料得25-30%固含量的白色乳体。
实施例2
向反应釜中加入210kg水、1.5kg木质素磺酸钠和0.3kg羧酸型阴离子双子乳化剂，升温到75℃，搅拌溶解；将65kg水、2kg亚硫酸氢钠、140kg苯乙烯、90kg丙烯酸丁酯、15kg甲基丙烯酸甲酯、0.25kg木质素磺酸钠和0.2kg乳化剂OP-10混合，在120-150r/min的高速搅拌制成乳液，作为滴加液A；将2.25kg过硫酸钾和45kg水混合配成滴加液B；将反应釜温度升高到85℃，同时开始滴加滴加液A、B，4h滴加完成，再反应2h，降温至40℃以下，放料得25-30%固含量的白色乳液。
实施例3
向反应釜中加入250kg水、2kg木质素磺酸钠、0.5kg壬基酚聚氧乙烯醚（NP-10），升温到75℃，搅拌溶解；将60kg水、2kg亚硫酸氢钠、120kg苯乙烯、90kg丙烯酸丁酯、5kg马来酸酐、5kg甲基丙烯酸异辛酯、3kg丙烯腈、2kg甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、0.5kg木质素磺酸钠和0.1壬基酚聚氧乙烯醚混合，在130-150r/min的高速搅拌制成乳液，作为滴加液A；将3kg过硫酸铵和75kg水混合配成滴加液B；将反应釜温度升高到85℃，同时开始滴加A、B，4h滴加完成，再反应1h，降温至40℃以下，放料得25-30%固含量的白色乳液。
实施例4
向反应釜中加入220kg水和2.1kg木质素磺酸钠，升温到80℃，搅拌溶解；将60kg水、1kg硫酸亚铁、150kg苯乙烯、40kg丙烯酸丁酯和0.4kg木质素磺酸钠混合，在130-150r/min的高速搅拌制成乳液，作为滴加液A；将26kg过氧化氢溶液（质量浓度30%）和160kg水混合配成滴加液B；将反应釜温度升高到85℃，同时开始滴加A、B，3.5h滴加完成，再反应1h，降温至40℃以下，放料得25-30%固含量的微褐色乳体。
实施例5
向反应釜中加入220kg水、0.1kg木质素磺酸钠和1kg聚乙二醇400单硬脂酸酯，升温到90℃搅拌溶解。将60kg水、1.2kg硫酸亚铁、55kg苯乙烯、125kg丙烯酸丁酯、0.1kg木质素磺酸钠和0.2kg聚乙二醇400单硬脂酸酯混合，在130-150r/min的高速搅拌制成乳液，作为滴加液A；将28kg过氧化氢溶液（质量浓度30%）和180kg水混合配成滴加液B；将反应釜温度升高到90℃，同时开始滴加A、B，3.5h滴加完成，再反应1h，降温至40℃以下，放料得25-30%固含量的微褐色乳体。
以下结合应用例1-5和对比应用例具体说明本发明实施例1-5制得的表面施胶剂应用于纸张上的优异效果。
应用例1
将40kg氧化淀粉加入反应器中，加260kg水，加热至90℃糊化，降温至60℃，加入本发明实施例1的表面施胶剂2kg，搅拌均匀配制为施胶液。
将原纸（未施胶的瓦楞原纸，纸张定量130g/m2，施胶度2s，环压强度指数6.57N·m/g，抗水性能（Cobb值）100g/m2，挺度27g·cm）平铺在水平涂布机上，一端固定，用涂布棒将所制得的施胶液均匀涂在原纸表面（施胶量5g/m2），在压光烘干机上烘干，干燥后进行纸张性能测试。
性能测试结果：纸张环压指数：9.02N·m/g；抗水性能（Cobb值）：60g/m2；挺度：40g·cm。
应用例2
将40kg氧化淀粉加入反应器中，加260kg水，加热至90℃糊化，降温至60℃，加入本发明实施例2的表面施胶剂2kg，搅拌均匀配制为施胶液。
将原纸（未施胶的瓦楞原纸，纸张定量130g/m2，施胶度2s，环压强度指数6.57N·m/g，抗水性能（Cobb值）100g/m2，挺度27g·cm）平铺在水平涂布机上，一端固定，用涂布棒将制得的施胶液均匀涂在原纸表面（施胶量5g/m2），在压光烘干机上烘干，干燥后进行纸张性能测试。
性能测试结果：纸张环压指数：9.32N·m/g；抗水性能（Cobb值）：56g/m2；挺度：41g·cm。
应用例3
将40kg氧化淀粉加入反应器中，加260kg水，加热至90℃糊化，降温至60℃，加入本发明实施例3的表面施胶剂2kg，搅拌均匀配制为施胶液。
将原纸（未施胶的瓦楞原纸，纸张定量130g/m2，施胶度2s，环压强度指数6.57N·m/g，抗水性能（Cobb值）100g/m2，挺度27g·cm）平铺在水平涂布机上，一端固定，用涂布棒将所制得的施胶液均匀涂在原纸表面（施胶量5g/m2），在压光烘干机上烘干，干燥后进行纸张性能测试。
性能测试结果：纸张环压指数：8.98N·m/g；抗水性能（Cobb值）：55g/m2；挺度：39g·cm。
应用例4
将40kg氧化淀粉加入反应器中，加260kg水，加热至90℃糊化，降温至60℃，加入本发明实施例4的表面施胶剂2kg，搅拌均匀配制为施胶液。
将原纸（未施胶的瓦楞原纸，纸张定量130g/m2，施胶度2s，环压强度指数6.57N·m/g，抗水性能（Cobb值）100g/m2，挺度27g·cm）平铺在水平涂布机上，一端固定，用涂布棒将所制得的施胶液均匀涂在原纸表面（施胶量5g/m2），在压光烘干机上烘干，干燥后进行纸张性能测试。
性能测试结果：纸张环压指数：9.22N·m/g；抗水性能（Cobb值）：61g/m2；挺度：37g·cm。
应用例5
将40kg氧化淀粉加入反应器中，加260kg水，加热至90℃糊化，降温至60℃，加入本发明实施例5的表面施胶剂2kg，搅拌均匀配制为施胶液。
将原纸（未施胶的瓦楞原纸，纸张定量130g/m2，施胶度2s，环压强度指数6.57N·m/g，抗水性能（Cobb值）100g/m2，挺度27g·cm）平铺在水平涂布机上，一端固定，用涂布棒将所制得的施胶液均匀涂在原纸表面（施胶量5g/m2），在压光烘干机上烘干，干燥后进行纸张性能测试。
性能测试结果：纸张环压指数：8.89N·m/g；抗水性能（Cobb值）：58g/m2；挺度：44g·cm。
对比应用例
用市售表面施胶剂（德国BK）在同样的条件下进行涂布：
将40kg氧化淀粉加入反应器中，加260kg水，加热至90℃糊化，降温至60℃，加入市售的表面施胶剂2kg，搅拌均匀配制为施胶液。
将原纸（未施胶的瓦楞原纸，纸张定量130g/m2，施胶度2s，环压强度指数6.57N·m/g，抗水性能（Cobb值）100g/m2，挺度27g·cm）平铺在水平涂布机上，一端固定，用涂布棒将所制得的施胶液均匀涂在纸表面（施胶量5g/m2），在压光烘干机上烘干，干燥后进行纸张性能测试。
性能测试结果：纸张环压指数：8.81N·m/g；抗水性能（Cobb值）：62g/m2；挺度：34g·cm。
应用例1-5和对比应用例中，原纸施用表面施胶剂前、后的性能对比数据见表1。
表1
Figure BDA00002363156600081
从表1中可以看出，在同样的涂布条件下，与涂布有市售表面施胶剂的纸张相比，涂布有本发明表面施胶剂后的纸张，其纸张环压指数和挺度都得到了很大的提高，纸张的综合性能更加优异。
上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种新型表面施胶剂，以苯乙烯和丙烯酸烷酯为主要反应单体，分散于乳化剂中，在引发剂的作用下，于水溶液中聚合而成，其特征在于，所用原料的质量比为：苯乙烯单体8-25%，丙烯酸烷酯单体6-20%，0-3％的共聚单体，乳化剂0.2-0.5%，引发剂0.5-1.5%，水60-75%，且乳化剂中含有10-100%的木质素磺酸钠。
2.根据权利要求1所述的一种新型表面施胶剂，其特征在于，乳化剂中含有50-100%的木质素磺酸钠。
3.根据权利要求1或2所述的一种新型表面施胶剂，其特征在于，所述木质素磺酸钠由造纸黑液中回收的木质素经磺化制得。
4.根据权利要求3所述的一种新型表面施胶剂，其特征在于，乳化剂中还含有C12脂肪醇聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚、阴离子型双子乳化剂、双季胺盐阳离子双子乳化剂、聚乙二醇200单月桂酸酯、聚乙二醇400单硬脂酸酯、聚乙二醇400双硬脂酸酯、聚乙二醇6000双硬脂酸酯或单硬脂酸甘油酯中的一种或多种。
5.根据权利要求1或2所述的一种新型表面施胶剂，其特征在于，主反应单体中的丙烯酸烷酯单体为丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸异丁酯或甲基丙烯酸甲酯。
6.根据权利要求5所述的一种新型表面施胶剂，其特征在于，共聚单体选自甲基丙烯酸、马来酸酐、丙烯腈、N-羟甲基丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯酰胺和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的一种或多种。
7.根据权利要求1或2所述的一种新型表面施胶剂，其特征在于，引发剂为由氧化剂、还原剂组成的氧化还原体系，氧化剂与还原剂的重量比为0.5-8:1。
8.根据权利要求7所述的一种新型表面施胶剂，其特征在于，氧化还原体系为过硫酸钠-亚硫酸氢钠体系、过硫酸钾-亚硫酸氢钠、过硫酸铵-亚硫酸氢钠或过氧化氢-硫酸亚铁体系。
9.根据权利要求7或8所述的一种新型表面施胶剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）将80-100%的乳化剂放入反应器中，加入100-130倍量水混合，升温至70-90℃，搅拌溶解；
（2）将反应单体、剩余的乳化剂、引发剂中的还原剂与0.2-0.4倍量水混合，搅拌使乳化，配成滴加液A；
（3）将引发剂的氧化剂和20-30倍量水混合，配成滴加液B；
（4）在70-90℃下，采取滴加的方式将滴加液A、B同时加入到步骤（1）的反应器中，并在2.5-4小时内滴加完毕，再反应0.5-2小时后，停止反应，降温至40℃以下，过滤放料即可。
10.根据权利要求9所述的一种新型表面施胶剂的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，在85-90℃下将滴加液A、B加入到步骤（1）的反应器中，并在3-4小时内滴加完毕，再反应时间为0.5-1小时。
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