一种阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂的制备方法

摘要

一种阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂的制备方法，先将木薯淀粉在真菌α-淀粉酶的作用下进行降解，降解木薯淀粉在氢氧化钠作用下用3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵进行阳离子化，然后用醋酸中和得到阳离子木薯淀粉溶液，在过硫酸铵作用下，阳离子木薯淀粉溶液和甲基丙烯酸辛酯、甲基丙烯酸十八酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酰胺和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵进行接枝共聚反应，得到的共聚物分子中含有半交联结构，将其作为乳化剂应用于AKD和棕榈蜡的乳化，得到阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂，制备的中/碱性施胶剂乳液颗粒带有正电荷，具有较强的乳化和分散能力，在中/碱性条件下进行施胶时，施胶度明显提高，具有良好的留着性和施胶效果。

说明书

技术领域

本发明属于高分子化学施胶剂技术领域，特别涉及一种阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂的制备方法。

背景技术

现代施胶技术的重大进步是中/碱性施胶技术的推广，酸性造纸转化为中/碱性造纸是世界造纸史上的一大变革。中/碱性施胶是在造纸工艺过程中，将pH值调节到7以上，原则上不用硫酸铝的一种施胶方法。常用的中/碱性施胶剂烷基烯酮二聚体（简称AKD）是20世纪40年代末期研究开发的产品，AKD是一种可与纤维素反应的反应型中/碱性施胶剂，它既能作为浆内施胶剂，又能作为表面施胶剂。其结构特点是由活性基团和疏水基团构成，AKD的熔点较低，在纸机干燥部的高温条件下分子中的活性基团四元内酯环能和纤维素上的羟基反应形成β-酮基酯键并定位在纤维上，疏水性基团长链烷基在纤维表面产生抗水作用。通过AKD中/碱性施胶，纸张白度、手感、抗水性、物理强度、印刷适性、耐老化性和填料的单程留着率等都有明显提高。而且可以采用廉价的重质碳酸钙为填料，减少了白水中有害物质的含量，提高了白水的循环利用率，同时AKD比酸性施胶剂的成本低。采用AKD进行中/碱性施胶能够提高纸品质量和售价、降低能耗、改善环境污染和纸机运行性能等，可取得明显的经济效益和社会效益，因此越来越多的造纸企业认识到使用AKD中/碱性施胶剂的优越性和必要性。我国造纸原料以草浆为主，木材资源短缺，二次纤维用量增多，运用中/碱性施胶技术具有现实意义。伴随AKD中/碱性施胶技术在我国应用领域逐步扩大，工艺技术日益成熟，中/碱性造纸的效益逐步得到体现，加快了造纸工业由酸性造纸向中/碱性造纸转变的趋势，近年来AKD已成为国内纸厂使用最多、最成熟、最有效的中/碱性施胶剂。

AKD中/碱性施胶赋予纸张一些优异性能，同时也有其不足之处。根据反应时的投料比可知，只有极少部分AKD发生了酯化反应，大部分AKD作为共混组分保留在第一反应器中，没有起到施胶剂的作用。近年来提高和完善AKD乳液性能的研究日趋活跃，提高AKD乳液的反应性和施胶效果，开发和生产具有良好乳化和分散能力，能够将未参加反应的AKD进行有效乳化和分散的AKD乳液是我国造纸科研工作者一直努力研究的课题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂的制备方法，所得的中/碱性施胶剂具有良好的乳化分散能力，能够将未参加反应的AKD进行充分乳化和有效分散，从而提高了胶料的反应效率和施胶效果。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

 一种阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂的制备方法，包括以下具体步骤：

第一步，将水、木薯淀粉和真菌α-淀粉酶加入第一反应器中在50-55℃时反应1.0-2.0小时，得到降解木薯淀粉，水、木薯淀粉和真菌α-淀粉酶的质量比为200∶100∶0.6，然后加入氢氧化钠，升温到60-70℃加入3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，再升温至90-95℃反应1.0-2.0小时，降温至50-55℃加入醋酸，再降至20-30℃，木薯淀粉、氢氧化钠、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵和醋酸的质量比为100∶10∶70∶7，向第一反应器中加水调节固含量至25%，即得阳离子木薯淀粉溶液，

 第二步，将甲基丙烯酸辛酯、甲基丙烯酸十八酯和甲基丙烯酸羟乙酯按16∶12∶1的质量比混合制成第一混合单体，

 第三步，将丙烯酰胺、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和水按7∶4∶20的质量比混合制成第二混合单体，

第四步，将过硫酸铵和水以质量比1∶20制成过硫酸铵水溶液，

第五步，向第二反应器中加入阳离子木薯淀粉溶液和水，阳离子木薯淀粉溶液和水的质量比为80∶79，升温至65-70℃，同时加入过硫酸铵水溶液、第一混合单体和第二混合单体，阳离子木薯淀粉溶液、过硫酸铵水溶液、第一混合单体和第二混合单体的质量比为80∶21∶29∶31，整个加料时间为1.0-2.0小时，

第六步，加料完毕后于85-90℃保温反应3.0-3.5小时，然后降至室温，用120目网过滤，出料，得到AKD乳化剂，

第七步，向第三反应器中加入AKD乳化剂、棕榈蜡和AKD，其中AKD乳化剂、棕榈蜡和AKD的质量比为150∶110∶140，升温至85-90℃，待棕榈蜡和AKD熔融后，搅拌40-50分钟，在搅拌下加入85-90℃的热水调节固含量至12.5%，制得阳离子木薯淀粉AKD亚稳定乳液，将亚稳定乳液经25-30MPa均质后，冷却至室温，得到固含量为12.5%稳定的阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂。

将此阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂用于47g/m²新闻纸的浆内施胶中，pH值为7.5-8.5，阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂用量5.0-7.5Kg/t纸，施胶后新闻纸的Cobb值为32-37g/m²，抗张指数60-65 N·m/g，撕裂指数为7.5-8.0 mN·m²/g，并且节省胶料23-28%。

本发明先将木薯淀粉降解然后进行阳离子化，再和丙烯酸酯进行接枝共聚反应，得到的共聚物分子中含有半交联结构，本身就是性能优异的施胶剂，将其作为乳化剂应用于AKD和棕榈蜡的乳化，制备的中/碱性施胶剂乳液颗粒带有正电荷，具有较强的乳化和分散能力，能够将未参加反应的AKD进行有效乳化和分散，得到稳定的、流动性良好的施胶剂乳液。在中/碱性条件下进行施胶时，加入的施胶剂分散在纤维之间，并与纤维反应，使纤维的排列更加紧密、分布变得十分均匀，纤维分子末端引入AKD可以显著降低其表面能，施胶度明显提高，具有良好的留着性和施胶效果。

具体实施方式

下面将以具体实施例对本发明作进一步详细的描述。

实施例一

一种阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂的制备方法，具体包括以下步骤：

第一步，将200克水、100克木薯淀粉和0.6克真菌α-淀粉酶加入第一反应器中在50℃时反应1.0小时，得到降解木薯淀粉，水、木薯淀粉和真菌α-淀粉酶的质量比为200∶100∶0.6，然后加入10克氢氧化钠，升温到60℃加入70克3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，再升温至90℃反应2.0小时，降温至50℃加入7克醋酸，再降至20℃，木薯淀粉、氢氧化钠、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵和醋酸的质量比为100∶10∶70∶7，向第一反应器中加水调节固含量至25%，即得阳离子木薯淀粉溶液，

 第二步，将16克甲基丙烯酸辛酯、12克甲基丙烯酸十八酯和1克甲基丙烯酸羟乙酯按16∶12∶1的质量比混合制成第一混合单体，

 第三步，将7克丙烯酰胺、4克甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和20克水按7∶4∶20的质量比混合制成第二混合单体，

第四步，将1克过硫酸铵和20克水以质量比1∶20制成过硫酸铵水溶液，

第五步，向第二反应器中加入80克阳离子木薯淀粉溶液和79克水，阳离子木薯淀粉溶液和水的质量比为80∶79，升温至65℃，同时加入21克过硫酸铵水溶液、29克第一混合单体和31克第二混合单体，阳离子木薯淀粉溶液、过硫酸铵水溶液、第一混合单体和第二混合单体的质量比为80∶21∶29∶31，整个加料时间为1.0小时，

第六步，加料完毕后于85℃保温反应3.5小时，然后降至室温，用120目网过滤，出料，得到AKD乳化剂，

第七步，向第三反应器中加入150克AKD乳化剂、110克棕榈蜡和140克AKD，其中AKD乳化剂、棕榈蜡和AKD的质量比为150∶110∶140，升温至85℃，待棕榈蜡和AKD熔融后，搅拌50分钟，在搅拌下加入85℃的热水调节固含量至12.5%，制得阳离子木薯淀粉AKD亚稳定乳液，将亚稳定乳液经25MPa均质后，冷却至室温，得到固含量为12.5%稳定的阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂。

将此阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂用于47g/m²新闻纸的浆内施胶中，pH值为7.5，阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂用量5.0Kg/t纸，施胶后新闻纸的Cobb值为37 g/m²，抗张指数60 N·m/g，撕裂指数为7.5 mN·m²/g，并且节省胶料28%。

实施例二

一种阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂的制备方法，具体包括以下步骤：

第一步，将200克水、100克木薯淀粉和0.6克真菌α-淀粉酶加入第一反应器中在51℃时反应1.2小时，得到降解木薯淀粉，水、木薯淀粉和真菌α-淀粉酶的质量比为200∶100∶0.6，然后加入10克氢氧化钠，升温到62℃加入70克3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，再升温至91℃反应1.8小时，降温至51℃加入7克醋酸，再降至22℃，木薯淀粉、氢氧化钠、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵和醋酸的质量比为100∶10∶70∶7，向第一反应器中加水调节固含量至25%，即得阳离子木薯淀粉溶液，

第二步，将16克甲基丙烯酸辛酯、12克甲基丙烯酸十八酯和1克甲基丙烯酸羟乙酯按16∶12∶1的质量比混合制成第一混合单体，

 第三步，将7克丙烯酰胺、4克甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和20克水按7∶4∶20的质量比混合制成第二混合单体，

第四步，将1克过硫酸铵和20克水以质量比1∶20制成过硫酸铵水溶液，

第五步，向第二反应器中加入80克阳离子木薯淀粉溶液和79克水，阳离子木薯淀粉溶液和水的质量比为80∶79，升温至66℃，同时加入21克过硫酸铵水溶液、29克第一混合单体和31克第二混合单体，阳离子木薯淀粉溶液、过硫酸铵水溶液、第一混合单体和第二混合单体的质量比为80∶21∶29∶31，整个加料时间为1.2小时，

第六步，加料完毕后于86℃保温反应3.4小时，然后降至室温，用120目网过滤，出料，得到AKD乳化剂，

第七步，向第三反应器中加入150克AKD乳化剂、110克棕榈蜡和140克AKD，其中AKD乳化剂、棕榈蜡和AKD的质量比为150∶110∶140，升温至86℃，待棕榈蜡和AKD熔融后，搅拌48分钟，在搅拌下加入86℃的热水调节固含量至12.5%，制得阳离子木薯淀粉AKD亚稳定乳液，将亚稳定乳液经26MPa均质后，冷却至室温，得到固含量为12.5%稳定的阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂。

将此阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂用于47g/m²新闻纸的浆内施胶中，pH值为7.7，阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂用量5.5Kg/t纸，施胶后新闻纸的Cobb值为36 g/m²，抗张指数61 N·m/g，撕裂指数为7.6 mN·m²/g，并且节省胶料27%。

实施例三

一种阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂的制备方法，具体包括以下步骤：

第一步，将200克水、100克木薯淀粉和0.6克真菌α-淀粉酶加入第一反应器中在52℃时反应1.4小时，得到降解木薯淀粉，水、木薯淀粉和真菌α-淀粉酶的质量比为200∶100∶0.6，然后加入10克氢氧化钠，升温到64℃加入70克3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，再升温至92℃反应1.6小时，降温至52℃加入7克醋酸，再降至24℃，木薯淀粉、氢氧化钠、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵和醋酸的质量比为100∶10∶70∶7，向第一反应器中加水调节固含量至25%，即得阳离子木薯淀粉溶液，

第二步，将16克甲基丙烯酸辛酯、12克甲基丙烯酸十八酯和1克甲基丙烯酸羟乙酯按16∶12∶1的质量比混合制成第一混合单体，

 第三步，将7克丙烯酰胺、4克甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和20克水按7∶4∶20的质量比混合制成第二混合单体，

第四步，将1克过硫酸铵和20克水以质量比1∶20制成过硫酸铵水溶液，

第五步，向第二反应器中加入80克阳离子木薯淀粉溶液和79克水，阳离子木薯淀粉溶液和水的质量比为80∶79，升温至67℃，同时加入21克过硫酸铵水溶液、29克第一混合单体和31克第二混合单体，阳离子木薯淀粉溶液、过硫酸铵水溶液、第一混合单体和第二混合单体的质量比为80∶21∶29∶31，整个加料时间为1.4小时，

第六步，加料完毕后于87℃保温反应3.3小时，然后降至室温，用120目网过滤，出料，得到AKD乳化剂，

第七步，向第三反应器中加入150克AKD乳化剂、110克棕榈蜡和140克AKD，其中AKD乳化剂、棕榈蜡和AKD的质量比为150∶110∶140，升温至87℃，待棕榈蜡和AKD熔融后，搅拌46分钟，在搅拌下加入87℃的热水调节固含量至12.5%，制得阳离子木薯淀粉AKD亚稳定乳液，将亚稳定乳液经27MPa均质后，冷却至室温，得到固含量为12.5%稳定的阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂。

将此阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂用于47g/m²新闻纸的浆内施胶中，pH值为7.9，阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂用量6.0Kg/t纸，施胶后新闻纸的Cobb值为35 g/m²，抗张指数62 N·m/g，撕裂指数为7.7 mN·m²/g，并且节省胶料26%。

实施例四

一种阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂的制备方法，具体包括以下步骤：

第一步，将200克水、100克木薯淀粉和0.6克真菌α-淀粉酶加入第一反应器中在53℃时反应1.6小时，得到降解木薯淀粉，水、木薯淀粉和真菌α-淀粉酶的质量比为200∶100∶0.6，然后加入10克氢氧化钠，升温到66℃加入70克3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，再升温至93℃反应1.4小时，降温至53℃加入7克醋酸，再降至26℃，木薯淀粉、氢氧化钠、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵和醋酸的质量比为100∶10∶70∶7，向第一反应器中加水调节固含量至25%，即得阳离子木薯淀粉溶液，

第二步，将16克甲基丙烯酸辛酯、12克甲基丙烯酸十八酯和1克甲基丙烯酸羟乙酯按16∶12∶1的质量比混合制成第一混合单体，

 第三步，将7克丙烯酰胺、4克甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和20克水按7∶4∶20的质量比混合制成第二混合单体，

第四步，将1克过硫酸铵和20克水以质量比1∶20制成过硫酸铵水溶液，

第五步，向第二反应器中加入80克阳离子木薯淀粉溶液和79克水，阳离子木薯淀粉溶液和水的质量比为80∶79，升温至68℃，同时加入21克过硫酸铵水溶液、29克第一混合单体和31克第二混合单体，阳离子木薯淀粉溶液、过硫酸铵水溶液、第一混合单体和第二混合单体的质量比为80∶21∶29∶31，整个加料时间为1.6小时，

第六步，加料完毕后于88℃保温反应3.2小时，然后降至室温，用120目网过滤，出料，得到AKD乳化剂，

第七步，向第三反应器中加入150克AKD乳化剂、110克棕榈蜡和140克AKD，其中AKD乳化剂、棕榈蜡和AKD的质量比为150∶110∶140，升温至88℃，待棕榈蜡和AKD熔融后，搅拌44分钟，在搅拌下加入88℃的热水调节固含量至12.5%，制得阳离子木薯淀粉AKD亚稳定乳液，将亚稳定乳液经28MPa均质后，冷却至室温，得到固含量为12.5%稳定的阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂。

将此阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂用于47g/m²新闻纸的浆内施胶中，pH值为8.1，阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂用量6.5Kg/t纸，施胶后新闻纸的Cobb值为34 g/m²，抗张指数63 N·m/g，撕裂指数为7.8 mN·m²/g，并且节省胶料25%。

实施例五

一种阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂的制备方法，具体包括以下步骤：

第一步，将200克水、100克木薯淀粉和0.6克真菌α-淀粉酶加入第一反应器中在54℃时反应1.8小时，得到降解木薯淀粉，水、木薯淀粉和真菌α-淀粉酶的质量比为200∶100∶0.6，然后加入10克氢氧化钠，升温到68℃加入70克3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，再升温至94℃反应1.2小时，降温至54℃加入7克醋酸，再降至28℃，木薯淀粉、氢氧化钠、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵和醋酸的质量比为100∶10∶70∶7，向第一反应器中加水调节固含量至25%，即得阳离子木薯淀粉溶液，

第二步，将16克甲基丙烯酸辛酯、12克甲基丙烯酸十八酯和1克甲基丙烯酸羟乙酯按16∶12∶1的质量比混合制成第一混合单体，

 第三步，将7克丙烯酰胺、4克甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和20克水按7∶4∶20的质量比混合制成第二混合单体，

第四步，将1克过硫酸铵和20克水以质量比1∶20制成过硫酸铵水溶液，

第五步，向第二反应器中加入80克阳离子木薯淀粉溶液和79克水，阳离子木薯淀粉溶液和水的质量比为80∶79，升温至69℃，同时加入21克过硫酸铵水溶液、29克第一混合单体和31克第二混合单体，阳离子木薯淀粉溶液、过硫酸铵水溶液、第一混合单体和第二混合单体的质量比为80∶21∶29∶31，整个加料时间为1.8小时，

第六步，加料完毕后于89℃保温反应3.1小时，然后降至室温，用120目网过滤，出料，得到AKD乳化剂，

第七步，向第三反应器中加入150克AKD乳化剂、110克棕榈蜡和140克AKD，其中AKD乳化剂、棕榈蜡和AKD的质量比为150∶110∶140，升温至89℃，待棕榈蜡和AKD熔融后，搅拌42分钟，在搅拌下加入89℃的热水调节固含量至12.5%，制得阳离子木薯淀粉AKD亚稳定乳液，将亚稳定乳液经29MPa均质后，冷却至室温，得到固含量为12.5%稳定的阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂。

将此阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂用于47g/m²新闻纸的浆内施胶中，pH值为8.3，阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂用量7.0Kg/t纸，施胶后新闻纸的Cobb值为33 g/m²，抗张指数64 N·m/g，撕裂指数为7.9 mN·m²/g，并且节省胶料24%。

实施例六

一种阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂的制备方法，具体包括以下步骤：

第一步，将200克水、100克木薯淀粉和0.6克真菌α-淀粉酶加入第一反应器中在55℃时反应2.0小时，得到降解木薯淀粉，水、木薯淀粉和真菌α-淀粉酶的质量比为200∶100∶0.6，然后加入10克氢氧化钠，升温到70℃加入70克3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，再升温至95℃反应1.0小时，降温至55℃加入7克醋酸，再降至30℃，木薯淀粉、氢氧化钠、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵和醋酸的质量比为100∶10∶70∶7，向第一反应器中加水调节固含量至25%，即得阳离子木薯淀粉溶液，

第二步，将16克甲基丙烯酸辛酯、12克甲基丙烯酸十八酯和1克甲基丙烯酸羟乙酯按16∶12∶1的质量比混合制成第一混合单体，

 第三步，将7克丙烯酰胺、4克甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和20克水按7∶4∶20的质量比混合制成第二混合单体，

第四步，将1克过硫酸铵和20克水以质量比1∶20制成过硫酸铵水溶液，

第五步，向第二反应器中加入80克阳离子木薯淀粉溶液和79克水，阳离子木薯淀粉溶液和水的质量比为80∶79，升温至70℃，同时加入21克过硫酸铵水溶液、29克第一混合单体和31克第二混合单体，阳离子木薯淀粉溶液、过硫酸铵水溶液、第一混合单体和第二混合单体的质量比为80∶21∶29∶31，整个加料时间为2.0小时，

第六步，加料完毕后于90℃保温反应3.0小时，然后降至室温，用120目网过滤，出料，得到AKD乳化剂，

第七步，向第三反应器中加入150克AKD乳化剂、110克棕榈蜡和140克AKD，其中AKD乳化剂、棕榈蜡和AKD的质量比为150∶110∶140，升温至90℃，待棕榈蜡和AKD熔融后，搅拌40分钟，在搅拌下加入90℃的热水调节固含量至12.5%，制得阳离子木薯淀粉AKD亚稳定乳液，将亚稳定乳液经30MPa均质后，冷却至室温，得到固含量为12.5%稳定的阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂。

将此阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂用于47g/m²新闻纸的浆内施胶中，pH值为8.5，阳离子高分散半交联AKD中/碱性施胶剂用量7.5Kg/t纸，施胶后新闻纸的Cobb值为32 g/m²，抗张指数65 N·m/g，撕裂指数为8.0 mN·m²/g，并且节省胶料23%。

综上所述，本发明采用木薯淀粉降解后进行阳离子化，再和丙烯酸酯进行接枝共聚反应，得到的共聚物分子中含有半交联结构，本身就是性能优异的施胶剂，将其作为乳化剂应用于AKD和棕榈蜡的乳化，制备的中/碱性施胶剂乳液颗粒带有正电荷，具有较强的乳化和分散能力，能够将未参加反应的AKD进行有效乳化和分散，得到稳定的、流动性良好的施胶剂乳液。在中/碱性条件下进行施胶时，加入的施胶剂分散在纤维之间，并与纤维反应，使纤维排列更加紧密、分布变得十分均匀，纤维分子末端引入AKD可以显著降低其表面能，施胶度明显提高，具有良好的留着性和施胶效果。