CN109293828B - 珠状阳离子聚丙烯酰胺类助留剂的制备方法及其对纸浆浆料的助留应用 - Google Patents

珠状阳离子聚丙烯酰胺类助留剂的制备方法及其对纸浆浆料的助留应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种珠状阳离子聚丙烯酰胺类助留剂的制备方法及其对纸浆浆料的助留应用,本发明利用反向乳液聚合法,通过精确调控丙烯酰胺聚合过程中的反应微环境腔,从而有效调控丙烯酰胺的分子量与聚合方式,达到控制PAM产品的物理形态,得到易于分散的直径在0.8~1.5mm的微珠状的PAM产品。该类微珠状PAM杜绝了遇水团聚的现象,可大大的增加其在水中的溶解速度,同时解决了粉料PAM造成的粉尘污染,从而简化了添加工艺,降低了对设备的要求,减少了生产成本,有益于大规模商业化的应用。

Description

珠状阳离子聚丙烯酰胺类助留剂的制备方法及其对纸浆浆料 的助留应用
技术领域
本发明涉及一种珠状阳离子聚丙烯酰胺类助留剂的制备方法及其对纸浆浆料的助留应用,本申请属于水溶性高分子化合物的制备领域。
背景技术
在造纸领域,助留剂通过改变造纸浆料的絮凝状态来提高细小纤维及填料等的留着率,从而达到减少纤维和填料的流失以及降低污染负荷的结果。随着造纸技术的高速化以及对产品质量更高的要求,必须使用与之相对应的新的高效助留系统和助留技术,以保证造纸工业的迅速发展。其中不同离子类型的聚丙烯酰胺(PAM)及其接枝共聚产物是目前具有代表性的造纸助留剂之一。
PAM是水溶性的有机高分子化合物,主链含有活泼的酰胺基和双键。采用不同的聚合工艺,引入不同的官能团,可得到不同分子量和不同电荷密度的PAM系列产品。PAM具有分子量大、分子链上具有足够多的反应活性点等特点,可与纤维、填料等结合,其结合机理主要有中和相反电荷;部分链段以镶嵌状吸附在粒子表面交联或者架桥;聚合物链形成缠结网络,将粒子捕获,形成各种交联网络,达到助留效果。同时PAM能改善网部纸料的滤水性能和细小纤维及填料的留着率。纸料中的细小粒子(包括细小纤维和填料)附着到较长纤维的表面上并形成体积较大的絮凝体,使纸料易于脱水,减少了细小粒子通过网的流失量。
目前用于造纸助留剂的各类PAM产品多为粉末状,在存储过程中容易发生潮解结块现象,同时粉末状的PAM在使用过程中易产生粉尘污染,不利于环保;在造纸工艺中,粉末状的PAM 在添加过程中极易发生遇水团聚现象,溶解时间长,普遍大于1小时,大大限制了PAM在水中的使用效率,不利于造纸工艺的效率提升。因此,开发速溶型的PAM的制备方法成为必要。
为了解决PAM溶解效率低下和粉尘污染的问题,其中一个办法是通过调控高分子聚合物的合成工艺,控制高分子聚合微环境,得到形态可控的高分子微珠,达到减少分子在溶剂中的团聚现象。中国专利CN102327761A报道了利用微流体反应器控制高分子聚合环境,得到了一种复合高分子聚合物微珠的方法。该类聚合物微珠具有很好的分散性,可广泛的应用于药物载体释放等领域。
本发明利用反向乳液聚合法,通过精确调控丙烯酰胺聚合过程中的反应微环境腔,从而有效调控丙烯酰胺的分子量与聚合方式,达到控制PAM产品的物理形态,得到易于分散的直径在0.8~1.5mm的微珠状的PAM产品。该类微珠状PAM杜绝了遇水团聚的现象,可大大的增加其在水中的溶解速度,同时解决了粉料PAM造成的粉尘污染,从而简化了添加工艺,降低了对设备的要求,减少了生产成本,有益于大规模商业化的应用。
发明内容
本发明针对目前PAM的不足,提出一类利用反相乳液聚合法;利用多种引发剂进行不同温度下的多步引发聚合,得到直径大小可控,颗粒直径尺寸为0.8~1.5mm,平均尺寸大约是 1-2mm,颗粒外表光滑,在水中具有非常高的溶解性和溶解速度的珠状阳离子型聚丙酰胺。与同类PAM助留剂在同等加药量的情况下相比,珠状阳离子型PAM的纸浆滤水性能和造纸化学品的助留效果优异;且其具有制备方法安全、简单、成本低廉以及环境友好等优点。
本发明的技术方案如下:
一种珠状阳离子聚丙烯酰胺类助留剂的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
水相制备:将丙烯酰胺固体用水溶解,加入阳离子型乙烯类聚合单体,在40-45℃下形成透明单体水溶液;
选取过硫酸铵(引发剂A)、V50(V50的化学名称为2,2’-偶氮二异丁基醚二盐酸盐,引发剂B)、VA044(VA044的化学名称为偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐,引发剂C),将这三种水溶性复合引发剂中的一种、两种组合或三种组合配成水相引发剂(下称引发剂D),一次性全部加入到上述单体水溶液混合均匀,制备出水相;
油相制备:在装有搅拌器、冷凝管和氮气导管的反应容器中,加入表面活性剂Span-60 和Span-80(Span-60为山梨糖醇酐单硬脂酸酯;Span-80为失水山梨糖醇脂肪酸酯)和引发剂V-60(V-60的化学名称为偶氮二异丁腈),以及体积是上述水相体积的1-3倍的正己烷,制备出透明油相;
聚合反应:将两种体系(水相和油相)分别进行氮气除氧,并在氮气保护下,将油相温度升到40~45℃,接着利用注射泵将水相以每分钟(1~10ml)的速度滴入到油相中。水相加完之后再在40~45℃保温0.5~1h,然后快速升温到60~70℃,并在此温度下保温2~4h,最后升温至75~80℃继续反应0.5~1h,反应结束;
后处理:反应结束后,采用布氏漏斗将产品滤干,在60~65℃热风烘箱中干燥,得到珠状阳离子聚丙烯酰胺类助留剂。
珠状阳离子PAM产品合成路线,以Poly(AM-DMC)为例进行说明:
Figure BSA0000171375110000031
在一种优选实施方案中,本申请所述的丙烯酰胺AM与阳离子型乙烯类聚合单体两者在透明单体水溶液中的总溶度优选为1~5g/ml。
在一种优选实施方案中,本申请所述的阳离子型乙烯类聚合单体选自二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)。
在一种优选实施方案中,丙烯酰胺单体与阳离子型乙烯类聚合单体的重量比优选为25%∶ 75%~75%∶25%。
在本发明的另一种优选实施方案中,丙烯酰胺单体与阳离子型乙烯类聚合单体的重量比更优选为35%∶65%~65%∶35%。
在一种优选实施方案中,有机溶剂为水性分散剂体积的1~3倍。
在本申请的上述制备方法中,所述聚合反应的搅拌转速为100~600r/min。
在本发明的另一种优选实施方案中,Span-60/Span-80的重量比为1∶4~4∶1。
在本发明的另一种优选实施方案中,在水相制备过程中,所述引发剂D的用量为单体(丙烯酰胺和阳离子型乙烯类聚合单体)总重量的0.5~2重量%。
在本发明的另一种优选实施方案中,所述表面活性剂Span-60和Span-80的量为油相的 5~100重量%。
在本发明的另一种优选实施方案中,所述引发剂V-60的重量与引发剂D的重量比为50%~ 200%。
在本发明的另一种优选实施方案中,将得到珠状阳离子聚丙烯酰胺后剩余的溶液通过分液得到水相和油相,其中水相和油相可以循环使用。
聚丙烯酰胺的颗粒大小和形状通过偏光显微镜观测和测定,聚丙烯酰胺的固含量利用 GBT12005.2-1989测定方法测定得到。
本申请采用油包水的反相悬浮聚合,采用多步升温控制聚合速度,重要的控制步骤包括将不同类型引发剂放置在不同的反应相中,确保引发剂的最大程度的分散;将体系的初始温度置于40-45℃,并控制引发剂的用量和温度,同时控制好油包水反相悬浮聚合的聚合体积,极大的提高了复合引发剂的协调效应。本申请所得到珠状聚丙烯酰胺在水中具有非常好的溶解效率,与同类PAM助留剂相比,珠状PAM具有更好的纸浆滤水性能和造纸化学品的助留性能。
本申请和以往的技术发明有明显的区别,主要包括:
采用了反相悬浮聚合,同时控制好引发剂的用量和体系,利用注射泵将水相加入到油相中,确保不会局部过饱和,使得聚合在一定温度下可控平稳的进行,同时利用油包水的特点,利用搅拌速度和分散剂得到体积可控的微聚合单元,到珠状阳离子型PAM。选择了性能良好的DAC和AM共聚,得到了性能良好的助留剂。
具体实施方式
下述实施例中所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
实施例1、珠状阳离子聚丙烯酰胺助留剂的制备
水相制备:称取14.5g丙烯酰胺(AM)、4.5g阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC) 在40-45℃下,溶于50ml去离子水中,形成透明单体水溶液,接着加入0.015g引发剂V-50 和过硫酸铵(重量比为1∶1),混合均匀,制备出水相;
油相制备:称取0.80g乳化剂Span-60、0.80g乳化剂span-80、0.20g引发剂V60偶氮二异丁腈放入装有机械搅拌器、冷凝管和氮气导管的500mL的四口圆底烧瓶中,加入200mL正己烷,通冷凝水,开动搅拌,升温至45℃,直到乳化剂和引发剂完全溶解,形成透明油相;
聚合反应:将两种体系(水相和油相)分别进行氮气除氧,在四口圆底烧瓶在45℃恒温水浴中匀速搅拌(搅拌转速150r/min)并通氮气除氧30min后,缓慢利用注射泵将水相以 2ml/min的速度注入油相中,通冷凝水,反应开始保持温度在45℃,搅拌0.5-1h后,快速升温到65℃,并在该温度下反应3h后,升温至75℃继续反应0.5h到反应结束,整个反应过程中维持搅拌速度恒定,搅拌速度为150r/min;
后处理:反应结束后,停止搅拌,颗粒状的聚合物沉降到烧瓶底部,产品用布氏漏斗滤干,在60℃热风烘箱中干燥,得到直径为1.2±0.2mm的珠状助留剂Poly(AM-DAC),固含量为95%。
实施例2、珠状聚丙烯酰胺助留剂的制备
除了水相制备步骤的引发剂的用量改为V-50和过硫酸铵计0.03g(重量比为1∶1),其他条件和实施例1相同,得到直径1.0±0.2mm珠状助留剂Poly(AM-DAC),固含量为90%。
实施例3、珠状聚丙烯酰胺助留剂的制备
除了水相制备步骤的引发剂改为VA044和过硫酸铵计0.03g(重量比为1∶1),其他条件和实施例1相同,得到直径1.1±0.2mm珠状助留剂Poly(AM-DAC),固含量为91%。
实施例4、珠状聚丙烯酰胺助留剂的制备
除了水相制备步骤的引发剂改为VA044和V50计0.03g(重量比为1∶1),其他条件和实施例1相同,得到了直径1.3±0.2mm珠状助留剂Poly(AM-DAC),固含量为88%。
实施例4、珠状聚丙烯酰胺助留剂的制备
除了水相制备步骤的阳离子单体由实施例1的4.5g阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)变为4.8g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC),其他条件和实施例1相同,得到直径1.1±0.2mm珠状助留剂Poly(AM-DMC),固含量为88%。
实施例5、珠状聚丙烯酰胺助留剂的制备
除了水相制备步骤的引发剂改为V-50和过硫酸铵计0.03g(重量比为1∶1),其他条件和实施例4相同,得到直径1.1±0.2mm珠状助留剂Poly(AM-DMC),固含量为85%。
实施例6、珠状聚丙烯酰胺助留剂的制备
除了水相制备步骤的引发剂改为VA044和过硫酸铵计0.03g(重量比为1∶1),其他条件和实施例4相同,得到直径1.1±0.2mm珠状助留剂Poly(AM-DMC),固含量83%。
实施例7、珠状聚丙烯酰胺助留剂的制备
除了水相制备步骤的引发剂的用量改为VA044和V50计0.03g(重量比为1∶1),其他条件和实施例4相同,得到直径1.3±0.2mm珠状助留剂Poly(AM-DMC),固含量为82%。
实施例8、珠状聚丙烯酰胺助留剂的制备
除了水相制备步骤的阳离子单体由实施例1的4.5g阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)变为4.9g二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC),其他条件和实施例1相同,得到直径1.2 ±0.2mm珠状助留剂Poly(AM-DMDAAC),固含量为86%。
实施例9、珠状聚丙烯酰胺助留剂的制备
除了水相制备步骤的引发剂改为VA044和过硫酸铵计0.03g(重量比为1∶1),其他条件和实施例8相同,得到直径1.2±0.2mm珠状助留剂Poly(AM-DMDAAC),固含量83%。
实施例10、珠状聚丙烯酰胺助留剂的制备
除了水相制备步骤的引发剂改为VA044和V50计0.03g(重量比为1∶1),其他条件和实施例8相同,得到直径1.1±0.2mm珠状助留剂Poly(AM-DMDAAC),固含量为80%。
实施例11、珠状聚丙烯酰胺助留剂的性能测试
一、样品准备
1、实验浆料:未加化学品的纸浆浆料。
2、实验药品:①本发明所述珠状聚丙烯酰胺助留剂,②同行业其它产品。
3、实验药品溶解浓度:0.1%。
4、实验仪器:BTG DFR-05动态滤水仪
二、样品试验
选取同等加药量的情况下,助留剂用量:200g/t,通过DFR-05动态滤水仪在实验室模拟造纸机生产条件,测试纸浆的滤水性能和评价造纸化学品的助留效果。测试时可自动显示留着率。
三、测试结果
试验1 试验2 试验3 比较试验1 比较试验2
保留率% 62.1 61.9 62.2 61.3 61.6
滤水g 589 591 582 546 548
注:试验1-3分别采用本申请实施例1-3所述的珠状聚丙烯酰胺助留剂,试验1采用法国爱森4910、试验2采用德国巴斯夫Percol47商品化的聚丙烯酰胺。
上表数据表明,采用本申请所述珠状聚丙烯酰胺助留剂,浆料的保留率和滤水效果均有不同程度的增加,其中滤水效果增加显著。

Claims (6)

1.一种珠状阳离子聚丙烯酰胺类助留剂的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
水相制备:将丙烯酰胺固体用水溶解,加入阳离子型乙烯类聚合单体,在40-45℃下形成透明单体水溶液;选取过硫酸铵、2,2’-偶氮二异丁基醚二盐酸盐、偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐中的一种、两种组合或三种组合配成水相引发剂D,一次性全部加入到上述单体水溶液混合均匀,制备出水相;所述的阳离子型乙烯类聚合单体选自二甲基二烯丙基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵或丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵;
油相制备:在装有搅拌器、冷凝管和氮气导管的反应容器中,加入表面活性剂Span-60和Span-80和引发剂V-60,以及体积是上述水相体积的1-3倍的正己烷,制备出透明油相;
聚合反应:将两种体系水相和油相分别进行氮气除氧,并在氮气保护下,将油相温度升到40~45℃,接着利用注射泵将水相以每分钟1~10ml的速度滴入到油相中;水相加完之后再在40~45℃保温0.5~1h,然后快速升温到60~70℃,并在此温度下保温2~4h,最后升温至75~80℃继续反应0.5~1h,反应结束;
后处理:反应结束后,采用布氏漏斗将产品滤干,在60~65℃热风烘箱中干燥,得到颗粒直径尺寸为0.8~1.5mm的珠状阳离子聚丙烯酰胺类助留剂。
2.根据权利要求1的制备方法,其特征在于:所述丙烯酰胺单体与阳离子型乙烯类聚合单体的重量比为(35%∶65%)~(65%∶35%)。
3.根据权利要求1的制备方法,其特征在于:所述的Span-60/Span-80的重量比为(1∶4)~(4∶1)。
4.根据权利要求1的制备方法,其特征在于:在水相制备过程中,所述引发剂D的用量为丙烯酰胺和阳离子型乙烯类聚合单体总重量的0.5~2重量%。
5.根据权利要求1的制备方法,其特征在于:所述表面活性剂Span-60和Span-80的量为油相的5重量%以上。
6.根据权利要求1的制备方法,其特征在于:将得到珠状阳离子聚丙烯酰胺后剩余的溶液通过分液得到水相和油相,其中水相和油相循环使用。
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GR01 Patent grant
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