反相微乳液制备两性聚丙烯酰胺造纸助留助滤剂的研究

摘要

两性聚丙烯酰胺由于其链节上同时含有正、负两种电荷基团，具有明显的“反聚电解质效应”和pH值适用范围广等优良特点，使其在造纸工业、石油开采、环境保护等方面有望得到广泛应用。但其常用制备方法都具有相应的缺点，如水溶液聚合制备的产品易交联，而反相乳液聚合制备的产品分子量分布宽等缺点。为了改善其使用性能，本研究采用反相微乳液聚合法制备了新型两性聚丙烯酰胺助留助滤剂。 通过电导和目视相结合的方法研究了二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)/丙烯酰胺(AM)/丙烯酸(AA)反相微乳液聚合体系的制备，得出环己烷为最佳油相、Span80-Tween60为最佳乳化体系、最佳单体浓度为55％、最佳单体配比为1.5：7：1.5、最小乳化剂用量为17.65％、油相和乳化剂的比值范围为3：7～7：3、单体溶液用量不大于33.33％(基于水相)。研究了单体浓度、单体配比、HLB值和电解质对反相微乳液体系稳定性的影响，结果表明，当单体浓度在40％～65％、HLB值在5.36～8.54变化时，反相微乳液体系比较稳定；单体配比中丙烯酰胺所占比例越大，体系越稳定；电解质NaAc的加入增强了DADMAC/AM/AA反相微乳液体系的稳定性。 采用单因素实验探讨了EDTA加入量、充氮时间、搅拌速度、乳化剂用量、引发剂用量、单体浓度、反应温度和反应时间对两性聚丙烯酰胺(PDAA)分子量、转化率、乳液稳定性及其对纸料的助留助滤性能的影响。然后通过正交实验探讨了由单因素实验得到4个对反相微乳液影响较大的因素(反应温度、引发剂用量、反应时间和单体浓度)对PDAA的分子量、转化率和乳液稳定性及其对纸料的助留助滤性能的影响；由单因素实验和正交实验得到了制备PDAA的最优条件为：EDTA加入量0.5％、充氮时间为20min、搅拌速度为300r/min、乳化剂用量为18％(基于乳液质量)、引发剂用量为0.4％(基于单体)、单体浓度为54％(基于水相)、反应温度为24℃和反应时间为3h。通过研究pH值对PDAA产品的分子量、转化率、乳液的稳定性和对纸料的助留助滤性能的影响，得到pH值为7.12时，PDAA具有最理想的助留助滤性能。采用红外光谱和紫外光谱对PDAA结构进行了表征。 采用电导法和目视法绘制了复配乳化剂、单体溶液、环己烷的三元相图，从稳定的反相微乳液区域选择动力学研究范围；通过动力学研究，得到聚合反应的表观活化能为9.84kJ/mol；探讨了反应温度、单体浓度、乳化剂用量和引发剂用量对聚合反应速率和PDAA分子量的影响，得到了聚合速率和分子量的动力学关系式分别为Rp∝[M]<'1.05>[E]<'0.21>[I]<'0.35>和M<,v>∝[M]<'1.18>[E]<'-1.16>[I]<'-0.24>。通过扫描电镜观察了PDAA反相微乳液粒子形貌与PDDA水溶液粒子的形貌。 研究了分子量、阳离子单体含量、纸料pH值和纸浆种类对PDAA助留助滤性能的影响；结果显示，当PDAA分子量为300万、阳离子单体含量为25％、纸浆pH值为8、纸浆种类为稻草浆时，PDAA具有最理想的助留助滤性能。另外，还探讨了PDAA与CPAM、CS、CHPG、PAE、PEO的协同作用。结果表明，PDAA和CPAM、CS、CHPG具有十分显著的协同助留助滤作用，与PAE具有一定的协同作用；而与PEO的协同助留助滤作用不明显。本研究采用反相微乳液聚合法制备的PDAA两性聚合物具有粒径小、分子量较大、分子量分布窄等优异性能，是一种理想的造纸助留助滤剂，对减少细小纤维流失、降低纸张生产成本和提高造纸企业的竞争力具有重要意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1我国造纸化学品概况

1.2纸料的留着与滤水机理

1.2.1纸料组分的留着方式

1.2.2纸料的基本絮聚机理

1.3常用的造纸助留剂

1.3.1无机物类助留剂

1.3.2天然有机高分子助留剂

1.3.3合成有机高分子助留剂

1.4新型结构聚合物类助留剂

1.4.1树枝形聚合物

1.4.2基于无皂乳液制备的高分子助留剂

1.4.3聚电解质球形刷

1.4.4基于反相微乳液制备的高分子助留剂

1.5多元复合助留体系

1.5.1海德罗科尔微粒助留体系

1.5.2阴离子胶体二氧化硅/阳离子淀粉助留体系

1.5.3氢氧化铝/阳离子淀粉助留体系

1.5.4阳离子改性胶体SiO2/阴离子聚合物体系

1.5.5 PEO/CF助留体系

1.5.6阳离子氢氧化镁铝胶体/阴离子聚丙烯酰胺体系

1.6造纸助滤剂的助滤机理

1.7两性造纸助剂的制备方法及其优缺点

1.8反相微乳液聚合机理

1.9本课题的研究目的、内容及意义

1.9.1研究目的

1.9.2研究内容

1.9.3意义

1.9.4创新点

2 DADMAC/AM/AA反相微乳液聚合体系的制备及其稳定性

2.1实验原料及仪器

2.1.1实验原料

2.1.2实验仪器

2.2实验方法

2.2.1反相微乳液聚合体系的制备

2.2.2反相微乳液聚合体系稳定性的测定

2.2.3反相微乳液聚合体系渗滤实验

2.3反相微乳液聚合体系的制备

2.3.1最佳油相的选择

2.3.2最佳乳化体系的选择

2.3.3最小乳化剂用量和最佳HLB值的选择

2.3.4 DADMAC/AM/AA反相微乳液拟三元相图

2.3.5反相微乳液渗滤实验

2.3.6反相微乳液体系状态

2.4 DADMAC/AM/AA反相微乳液聚合体系稳定性

2.4.1单体浓度对反相微乳液稳定性的影响

2.4.2单体配比对反相微乳液稳定性的影响

2.4.3 HLB值对反相微乳液稳定性的影响

2.4.4电解质对反相微乳液稳定性的影响

2.5本章结论

3 PDADMAC/AM/AA的合成工艺及其表征

3.1实验原料及仪器

3.1.1实验原料

3.1.2实验仪器

3.2实验方法

3.2.1反相微乳液聚合

3.2.2分子量的测定

3.2.3转化率的测定

3.2.4透光率和电导率的测定

3.2.5纸张性能的检测

3.2.6产品的纯化

3.3单因素优化PDAA的合成工艺

3.3.1 EDTA的加入量对PDAA性能的影响

3.3.2充氮时间对PDAA性能的影响

3.3.3搅拌速度对PDAA性能的影响

3.3.4乳化剂用量对PDAA性能的影响

3.3.5反应时间对PDAA性能的影响

3.3.6引发剂用量对PDAA性能的影响

3.3.7单体浓度对PDAA性能的影响

3.3.8反应温度对PDAA性能的影响

3.3.9单因素优化条件下制备的PDAA性能

3.4正交实验法优化PDAA的合成工艺

3.4.1正交实验因素

3.4.2正交实验分析

3.4.3正交实验优化后制备PDAA性能

3.5 pH值对PDAA性能的影响

3.5.1 pH值对PDAA性质的影响

3.5.2 pH值对PDAA助留助滤性能的影响

3.6 PDAA的结构表征

3.6.1红外分析

3.6.2紫外光谱

3.7本章小结

4 DADMAC/AM/AA反相微乳液共聚合动力学研究

4.1实验

4.1.1实验原料

4.1.2实验仪器

4.2实验方法

4.2.1动力学研究范围

4.2.2聚合反应速率的测定

4.2.3分子量的测定

4.2.4 PDAA粒径分析

4.3 PDADMAC/AM/AA反相微乳液动力学

4.3.1动力学研究范围

4.3.2反应温度对反应速率和分子量的影响

4.3.3单体浓度对反应速率和分子量的影响

4.3.4乳化剂用量对反应速率和分子量的影响

4.3.5引发剂用量对反应速率和分子量的影响

4.4 PDAA粒子形态分析

4.5本章小结

5 PDADMAC/AM/AA的助留助滤性能的研究

5.1实验

5.1.1实验原料

5.1.2实验仪器

5.2实验方法

5.2.1 PDADMAC/AM/AA的制备

5.2.2稻草浆的制备

5.2.3杨木高得率浆的制备

5.2.4抄片工艺

5.2.5助留性能

5.2.6助滤性能

5.2.7电镜分析

5.3分子量对PDAA助留助滤性能的影响

5.3.1分子量对PDAA助留性能的影响

5.3.2分子量对PDAA助滤性能的影响

5.4阳离子单体含量对PDAA助留助滤性能的影响

5.4.1阳离子单体含量对PDAA助留性能的影响

5.4.2阳离子单体含量对PDAA助滤性能的影响

5.5纸浆pH值对PDAA助留助滤性能的影响

5.5.1纸浆pH值对PDAA助留性能的影响

5.5.2纸浆pH值对PDAA助滤性能的影响

5.6纸浆种类对PDAA助留助滤性能的影响

5.6.1纸浆种类对PDAA助留性能的影响

5.6.2纸浆种类对PDAA助滤性能的影响

5.7纸张电镜分析

5.8本章小节

6 PDADMAC/AM/AA和其它几种助剂的协同作用

6.1实验原料及仪器

6.1.1实验原料

6.1.2实验仪器

6.2实验方法

6.2.1阳离子淀粉溶液的配制

6.2.2阳离子瓜儿胶溶液的配制

6.2.3抄片工艺

6.2.4助留性能

6.2.5助滤性能

6.3 PDAA和CPAM的协同助留助滤作用

6.3.1 PDAA和CPAM的协同助留作用

6.3.2 PDAA和CPAM的协同助滤作用

6.4 PDAA和CS的协同助留助滤作用

6.4.1 PDAA和CS的协同助留作用

6.4.2 PDAA和CS的协同助滤作用

6.5 PDAA和CHPG的协同助留助滤作用

6.5.1 PDAA和CHPG的协同助留作用

6.5.2 PDAA和CHPG的协同助滤作用

6.6 PDAA和PAE的协同助留助滤作用

6.6.1 PDAA和PAE的协同助留作用

6.6.2 PDAA和PAE的协同助滤作用

6.7 PDAA和PEO的协同助留助滤作用

6.7.1 PDAA和PEO的协同助留作用

6.7.2 PDAA和PEO的协同助滤作用

6.8本章结论

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢