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羧甲基植物胶粉接枝共聚物的增强性能

发布日期:2015-06-02 11:53:01
刨花楠(Machilus pauhoi kaneh)是一种生长在中国南方的羧甲基植物胶粉常绿乔木。将刨花楠劈砍碎后研磨成细粉, 称白胶粉、香胶粉,也叫F691粉,其相对分子质量为60 万~130万,主要化学成分是:纤维素46%~51%,水溶 性多聚糖12。%~15。%,木质素18。%~22%,单宁5。%~7%, 灰分2%~3%[1]。近几十年来,植物胶粉F691作为制备絮 凝剂和多功能水处理剂的原料,通过化学改性被赋予 优异的应用性能,已经得到人们的关注。肖锦[2~4]等在 植物胶粉的改性和应用方面做了比较深入的研究,主要 引入不同阴离子和阳离子基团合成天然高分子絮凝剂, 在水处理方面具有较好的絮凝、缓蚀、阻垢、杀菌等性 能。其中羧甲基化F691衍生物在处理油田废水中,具有 良好的絮凝净水和抑制管道设备点蚀的效果。
纤维素及其衍生物可以与丙烯酰胺、丙烯酸、二甲 基二烯丙基氯化铵共聚物等单体进行接枝共聚反应,采 用不同的接枝工艺,可以制取各种独特性能的产品,它 们具有合成高分子的机械与生物稳定性和线性链展开 能力,在高分子吸水材料造纸助剂、油田化工材料和 水处理等多方面的实验应用中具有优异的性能[5~7]。
以来源丰富、价格低廉的刨花楠粉合成羧甲基化植 物胶粉CC-Na (含有一些不溶于水的固相组分),在反 相乳液体系来进行C C-Na植物胶粉和丙烯酰胺的接枝 共聚反应,可以制备高分子量共聚物CC-Na-g-PAM。
1实验部分
1.1实验原料及仪器
CC—Na—g—PAM:实验室自制,CPAM助留剂(晨 鸣纸业提供),阳离子淀粉(国民淀粉提供);阳离子 瓜尔胶(广州禾丰有限公司提供,氮含量为0.8%),废 报纸脱墨浆(广州造纸集团有限公司提供,打浆度44 °R)。
1.2CC-Na的制备
将刨花楠胶粉分散于异丙醇中,加入NaOH碱化一 段时间,然后加入一定量的氯乙酸和NaOH,在一定微 波反应条件(福射功率500W,福射时间50min,温度 60"C)下进行醚化反应。原料药剂配比为m(刨花楠粉): m(NaOH) :m(ClCH2COOH)=3.0 :1.4 :1.0,产物的阴 离子浓度达到3.817mmol/g。
1.3CC-Na-g-PAM 的制备
在液体石蜡中加入乳化剂撹拌均匀配成油相。在去 离子水中按照各种条件相应加入C C-Na原料和单体, 撹拌形成水相。水相在高速分散机(上海现代环境工程 技术有限公司,型号:GFJ-0.4) 4000r/min撹拌下慢 慢滴加到油相中,形成反相乳液。20min后乳液转移到 四口烧瓶中,通入氮气10min,加入引发剂,在一定温度
同时,伴随着副反应的发生:
nH2C=CH—CONH2 ► |H2^ = CH|n
H2NOC
产品洗涤:反应后,以体积分数为95%的乙醇破乳, 抽滤,所得产物分别用乙醇洗涤两次和丙酮洗涤一次, 60C下真空干燥得粗产物。
接枝率计算如下:
G=(m-mc)/mc
其中,m—洗涤后共聚物质量;me—胶粉总质量。 1.4红外分析
选用傅里叶红外光谱仪(Thermo, Nexus670)对 CC-Na胶粉和CC-Na-g-PAM接枝共聚产物进行检 测,以表征产物分子成功接枝丙烯酰胺单体。
1.5接枝共聚物的分子量测定
本实验以凝胶色谱仪测定(Wyatt, DAWN HE- LEOS)不同接枝率接枝产物的分子量。采用水作为 溶剂,测定产物0.1%~0.2%浓度的平均分子量,通过 0.45pm的针头过滤器。流动相为0.1M的NaCl,流速 为0.5ml/min。
1.6纸页抄造及强度性能测定
将一定量的纸浆置于标准纤维疏解器中,再加自来 水稀释到浆浓1.3% (相对于绝干浆)后疏解30000r。 疏解完毕后,将浆浓稀释到0.5%待用。加入0.5ml助留 剂,撹拌1min,再加入一■定用量的CC-Na-g-PAM, 撹拌一定的时间。最后在TA PPI标准纸页成形器上抄 纸,其实验方法参照T205 om-88。
纸页经恒温恒湿处理后,按国家标准方法测量纸页 物理性能[8]。
2结果与讨论
2.1红外光谱仪对接枝产物的表征
为确定接枝聚合物CC-Na-g-PAM的结构,对 CC—Na和共聚物CC—Na—g—PAM进行了红外光谱分 析,如图1所示。
CC-Na胶粉红外谱图在3400cm-1出现了宽强的 -OH伸缩振动吸收峰;在2920cm-1附近为C-H的伸 缩振动,为胶粉的饱和烃的吸收峰;在1605cm-1出现了 -C=O的特征吸收峰。而共聚物谱图在3150cm-1出现了 -NH2的伸缩振动特征吸收峰,而在1650cm-1处出现了 -NH2的变形吸收峰;同样在1605cm-1出现了-C=O的特 征吸收峰。这些都说明CC-Na胶粉接枝上了AM单体。 2.2接枝聚合物的分子量表征(表1)
当接枝率为452.0°%时,分子量达到最大值。接枝率 小于452.0°%时,分子量随着接枝率的减少而减少;而 当接枝率大于452.0%时,由于凝胶作用,大分子不溶于 水,故测出的分子量较小。而Mw/Mn在1.5~2.0之间, 分子量分布较窄。
2.3考察不同接枝率的CC-Na-g-PAM对纸张强度性 能的影响
不同接枝聚合反应的产物CC-Na-g-PAM具有不 同的分子量,由表2可知,分子量越高,纸页抗张强度、 撕裂强度、耐破强度越大。在接枝率为452.0%时,纸 页的抗张指数比空白提高了30.30%,撕裂指数提高了 16.69%,耐破指数提高了28.12%。因此,选择接枝率为
452.0。%的CC-Na-g-PAM作为实验增强助剂。
2.4考察CC-Na-g-PAM用量对纸张强度性能的影响 接枝产物CC-Na-g-PAM的用量(相对于绝干 浆)对纸张物理强度性能影响如表3所示,随着用量的
增加,抗张指数、撕裂指数和耐破指数均有所提高。在 用量为1.0%时,纸页的抗张指数比空白提高了30.43%, 撕裂指数提高了14.06%,耐破指数提高了28.66%。之 后再增加CC-Na-g-PAM的用量各项指标上升幅度已 经趋于平缓或有所下降。这主要是因为随着助剂用量
表1不同接枝率聚合物的分子量
接枝率G
%Mn(x105)Mw(x105)Mw/Mn
341.5
378.43.882
4.4297.089
7.5981.826
1.715
452.0
492.65.802
2.3299.334
3.7091.609
1.592
568.7
604.63.370
4.4715.455
7.7361.619
1.730
表2 CC-Na-g-PAM接枝率对纸页物理性能的影响
接枝率G抗张指数撕裂指数耐破指数
%N.m/gmN.m2/gkPa.m2/g
空白26.407.041.53
341.530.797.841.65
365.532.598.061.82
452.034.398.221.96
492.632.408.181.76
568.730.197.181.86
604.630.997.651.70
注:纸片定量60g/m2,CC—Na—g—PAM用量1.0g,废报纸浆,反应时间 2min。
表3 CC-Na-g-PAM用量对纸页物理性能的影响
用量%抗张指数
N.m/g撕裂指数
mN.m2/g耐破指数
kPa.m2/g
028.757.181.57
0.433.837.381.83
0.634.507.991.86
0.834.837.871.92
1.037.508.192.02
1.237.458.262.03
注:纸片定量60g/m2,CC—Na—g—PAM接枝率492.6%,废报纸脱墨浆。
表4不同增强剂对ONP浆的增强效果
增强剂抗张指数 N.m/g撕裂指数
mN.m2/g耐破指数
kPa.m2/g
空白26.506.881.55
阳离子淀粉1.0%33.907.481.86
阳离子瓜尔胶1.0%29.507.971.79
CC-Na- 0.6%30.037.591.75
g-PAM 1.0%33.558.101.95
注:纸片定量60g/m2,CC—Na—g—PAM接枝率492.6%,废报纸浆。
的增加,有更多的CC-Na-g-PAM大分子与纤维之间 形成氢键或架桥作用,使得纸页强度不断提高,同时又 使部分浆料产生絮聚,纸页匀度降低,影响了纸页强度 的增加。同时,助剂用量过大还会造成纸张生产成本提 高。因此选择1.0°%的用量即可满足需要
2.5不同增强剂对0NP浆的增强效果
与阳离子淀粉和阳离子瓜尔胶相比,产品CC-Na- G-PAM能显著地提高纸张的强度性能,在撕裂强度和 耐破度方面表现出色,但在抗张强度上效果不太明显。 当CC—Na—G—PAM用量为1.0%时,其增强效果明显优 于工厂现用的阳离子淀粉在用量为1.0%时的效果,具 有用量低、增强性能好的特点
3结论
3.1选定CC—Na—g—PAM (接枝率452.0%)作为实验 用助剂,1.0°%的用量即可满足需要,此时纸页的抗张指 数比空白提高30.43%,撕裂指数提高16.69%,耐破指 数提高了28.66%。
3.2 CC-Na-g-PAM增强效果明显优于相同用量的 阳离子淀粉和阳离子瓜尔胶,具有用量低、增强性能好
的特点。