AKD专用新型阳离子聚合物乳化剂的制备与应用

龚本华 严慧

(南昌市龙然实业有限公司，江西 南昌，330100)

AKD专用新型阳离子聚合物乳化剂的制备与应用

龚本华 严慧

(南昌市龙然实业有限公司，江西 南昌，330100)

以阳离子聚合物为分散剂，丙烯酰胺（AM）、二烯丙基二甲基氯化铵（DMDAAC）为单体，过硫酸铵为引发剂，制备了一种AKD专用新型阳离子聚合物乳化剂，并用此乳化剂乳化AKD蜡，制得阳离子AKD乳液。考察了单体配比，反应温度，反应时间对聚合物乳化性能的影响，结果表明：阳离子分散剂用量20%，AM用量9%，DMDAAC用量1%，反应温度80℃，反应时间2h，制得的聚合物对AKD具有较好的乳化性能。利用该乳化剂进行中试生产，产品粒径0.98μm，纸厂实际应用效果良好。

乳化剂 阳离子 聚合物 AKD 施胶剂

我国从20世纪80年代开始引进中/碱性施胶抄造技术，经过20多年的努力，中碱性施胶的研究取得了较大进步，特别是AKD施胶。AKD（烷基烯酮二聚体）是一种不饱和内酯，在常温下是蜡状固体，不溶于水，须制备成乳液才能作为施胶剂在造纸中应用。乳化剂的选择是影响其使用效果的关键因素，从传统的阳离子淀粉型到现在的阳离子聚合物型[1]，目前AKD用乳化剂不仅具有高阳电荷性，同时还具有了自留着和协同增效作用，有效提高了AKD乳液的稳定性，减小了使用量，缩短了施胶熟化时间[2]。本研究制备了一种新型阳离子聚合物AKD乳化剂，通过实验确定了其最佳合成工艺，并将此工艺应用于生产实际，制备出一种高阳离子度，自留着型AKD乳液。

1 实验部分

1.1 主要原料与仪器

C-1：工业级，广西某化工厂；丙烯酰胺（AM）：工业级，南昌东昌化工；二烯丙基二甲基氯化铵（DMDAAC，65 %水溶液）：工业级，淄博金茵化工有限公司；酸度调节剂：分析纯，江西洪都生物化学有限公司；过硫酸铵：工业级，上海精锦乐化工有限公司；蒸馏水：实验室自制。

JJ-1型增力电动搅拌器：上海浦东物理光学仪器厂；高速剪切乳化机：上海威宇；HH-2型恒温水浴锅：上海浦东物理光学仪器厂；电热套：永光明医疗仪器厂；离心机：上海手术器械厂；NDJ-79旋转黏度计：上海昌吉地质仪器有限公司；恒温干燥箱：上海光地仪器设备有限公司。

1.2 阳离子聚合物乳化剂的制备

将装有电动搅拌器、温度计、恒压滴液漏斗的250 ml三口烧瓶置于恒温水浴锅中，加入一定量的阳离子分散剂C-1、AM和DMDAAC混合液、酸度调节剂，升温至68 ℃，一次性加入部分过硫酸铵引发剂溶液，升温至某温度保温一定时间，保温结束后加入剩余的引发剂溶液，同时再升温至某温度保温一定时间，降温，制得阳离子聚合物乳化剂。

1.3 AKD乳液的制备

将AKD蜡加热熔化，加入预先预热至80 ℃的阳离子聚合物乳化剂中，搅拌均匀，3 000 r/min高速剪切乳化7 min，最后将乳化好的乳液分散至冰水中，制得固含量15 %的AKD乳液。

1.4 乳液稳定性

乳液的离心稳定性按GB11543-1989及文献[3]进行：称取8 g乳液置于10 ml离心管中，于4 000 r/min的离心机离心分离10 min，观察乳液分离稳定性。乳液稳定性分级：1级，乳液呈现良好的均匀性；2级，乳液初步可见稠度不匀；3级，乳液底层和上层透光不均匀；4级，体系初步可见相的分离；5级，体系明显可见相的分离。

1.5 乳液分散性

乳液的分散性参照文献[4]测定：将1 000 ml自来水注入量筒，静置数分钟，室温下将待测样品用滴管滴加 2～3 滴至量筒中，观察乳液分散情况。乳液分散性分级：1级，将乳液滴入水中 ,能迅速地分散成带蓝色荧光雾状分散液 ,稍加搅拌后成蓝色或苍白色透明溶液；2级，将乳液滴入水中,能迅速分散成蓝白色带荧光的分散液 ,稍加搅拌后成蓝色半透明溶液；3级，将乳液滴入水中 ,呈白色云雾状或条状分散液 ,搅动后得到乳白色稍带荧光的不透明乳液；4级，将乳液滴入水中，呈大颗粒浮在水面，搅动后仍能成为乳白色不透明的乳液。

1.6 初步抗水性能判定

取5 cm×5 cm正方形滤纸片，浸入乳液中0.5 min取出，105 ℃烘5 min，测试防水性能。防水性能分为优、良、差三个等级。优级：用滴管滴加水至烘干后的滤纸上，无渗透现象；良级：用滴管滴加水至烘干后的滤纸上，有轻微渗透现象；差级：用滴管滴加水至烘干后的滤纸上，有明显渗透现象。

1.7 纸厂实际应用

将实验确定的最佳小试工艺，进行中试研究，在湖南某纸厂对产品进行试用。乳液不经任何稀释直接由计量泵加入调浆箱，抄纸，检测纸张的施胶度等各项指标。

2 结果与讨论

2.1 单体用量对乳化剂及乳液性能的影响

2.1.1 AM的用量对乳化剂及乳液性能的影响

表1 AM的用量对乳化剂及乳液性能的影响

固定DMDAAC用量为1 %，阳离子分散剂20 %，控制反应温度80 ℃，反应时间2 h，改变AM的用量，制备不同的阳离子聚合物乳化剂，并用此乳化剂制备AKD乳液，测定乳液稳定性及防水性能。结果见表1。

由表1可知，随着AM用量的增加，所制备的阳离子聚合物乳化剂黏度随之增大，特别当AM占12份时，乳液黏度迅速增大。另外随着AM比例增大，乳液稳定性增加，分散性随着乳化剂黏度上升而降低，抗水性呈现先上升后下降的趋势。这可能是由于AM在聚合物链中提供亲水基，当AM用量增加时，聚合物亲水性增强，有利于其吸附并包裹AKD分子并在其表面形成更稳定的保护层，提高乳液的稳定性，同时聚合物分子间也能形成更多的氢键，使乳化剂黏度上升。但是，当AM用量继续增加时，导致阳离子聚合物亲水性过强，形成的过量氢键也使乳化剂黏度急剧上升，进而使乳液黏度上升、分散性降低和抗水性减弱。实验发现，当AM/ DMDAAC用量比列为9时，聚合物粘度适中且制得的乳液稳定性、分散性、抗水性均较好。

2.1.2 DMDAAC用量对乳化剂及乳液性能的影响

固定AM用量为9 %，阳离子分散剂20 %，，控制反应温度80 ℃，反应时间2 h，改变DMDAAC的用量制备不同的阳离子聚合物乳化剂，并用此乳化剂制备AKD乳液，测定乳液稳定性及防水性能。结果见表2。

表2 DMDAAC的用量对乳化剂及乳液性能的影响

DMDAAC不仅能如单体AM那样使乳胶粒子表面形成水化层，同时也能使乳胶粒子表面带正电荷，增加乳胶粒子表面的正电性，使颗粒间的静电斥力增加，提高乳液稳定性。由表2可知，少量DMDAAC就能影响聚合物和乳液的性能，随着DMDAAC用量的增加，聚合物表面活性剂亲水性增强，表面阳电荷增加，能更好地乳化AKD分子，增加乳胶颗粒间静电斥力，阻止颗粒的聚集，提高乳液的稳定性和抗水性。然而，当DMDAAC的用量增加至5 %时，乳液呈现出稳定性下降和抗水性变差的现象。可能是由于随着聚合物亲水性进一步增加，导致其倾向于向水相分散，不利于AKD分子的乳化。同时由于乳胶粒子的表面阳电荷进一步增加，使得纸张纤维所带负电荷被中和，造成AKD胶粒与纤维的吸附率下降，表现为抗水性减弱。实验发现，当DMDAAC用量占1 %时，聚合物制得的乳液综合性能较好。

2.2 反应温度对聚合物黏度的影响

固定AM用量为9 %，阳离子分散剂20 %，DMDAAC的用量1 %，反应时间2 h，分别考察了60 ℃，70 ℃，80 ℃，90 ℃四个温度下，聚合物黏度的变化情况。结果如图1所示。聚合物黏度的大小，间接反应了聚合物状态和分子量大小。图中随着温度的升高，聚合物黏度先增加后减小。因为随着温度的升高引发剂的引发效率增加，聚合物分子量随之增加，但是当聚合温度升高至90℃，由于双基终止作用，导致自由基引发效率降低，分子量下降，黏度降低。

图1 反应温度对聚合物黏度的影响

2.3 反应时间对聚合物黏度的影响

固定AM用量为9 %，阳离子分散剂20 %，DMDAAC的用量1 %，反应温度80 ℃，考察反应时间对聚合物黏度的影响，分别在反应0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h时间点取样检测，观察黏度变化。结果如图2所示，聚合物黏度随反应时间延长而增大，至反应2 h后，黏度趋于平缓，变化不大。随着反应时间的延长，单体浓度逐渐减小，直至消耗殆尽，所以体系黏度随反应时间的延长而增大，最后趋于平缓。

图2 反应时间对聚合物黏度的影响

2.4 聚合物最佳合成工艺与乳液性能

综合以上讨论，确定聚合物的最佳合成工艺，AM用量为9 %，阳离子分散剂20 %，DMDAAC的用量1 %，反应温度80 ℃，反应时间2 h。最终乳化剂黏度 780 ～ 800 mpa·s、固含量25 %。利用此工艺成功完成中试生产，制备出新型AKD乳液。乳液粒径分析表明，该新型阳离子聚合物制备的乳液平均粒径0.98μm，且粒径分布窄（图3），乳液分散较均匀。

图3 乳液粒径分布图

2.5 乳液纸厂使用效果

在湖南某厂中试了该产品，中试条件为：纸机宽幅为2 640 mm，设计车速650 m/min；浆料：漂白硫酸盐芦苇浆；施胶剂：普通AKD乳液和新型AKD乳液，还添加有淀粉、絮凝剂、增白剂等。

从表3的对比情况可以看出，新型AKD乳液的使用效果明显好于普通的AKD乳液。可能是因为新型AKD乳液有比较好的乳液分散性和助留性能，使得纸张物理性能得到很好的改善。新型AKD乳液是一种明显的改善产品，将成为中性施胶剂的发展趋势。

表3 用量对乳化剂及乳液性能的影响

3 结 论

（1）当AM用量为9 %，阳离子分散剂20 %，DMDAAC的用量1 %，反应温度80 ℃，反应时间2 h，制备的阳离子聚合物能够较好乳化AKD蜡，乳液分散性、稳定性、抗水性均较好。

（2）成功完成阳离子聚合物及其乳化AKD的中试研究，乳液平均粒径0.98μm。

（3）中试产品纸厂试用结果显示:新型AKD乳化剂及其乳液将代表中性施胶剂的发展趋势。

[1]陈夫山,王尚玲,王松林.聚乙烯亚胺乳化型AKD乳液的制备及施胶性能的研究[J].中国造纸,2010,29(2)：6-9.

[2]Joseph Marton.Pereparati on of AKD neutral sizing agent[J].TAPPI Journal,1990,73(11):139-143.

[3]金新华,陈夫山.阳离子树脂型AKD乳液乳化工艺和性能的研究[J].造纸化学品,2008,20(2):14-19.

[4]陈登龙.高档涂布白纸板用离型剂[J].造纸科学与技术,2001,20(2):36-38.

Preparation and Application of AKD Special New Cationic Polymer Emulsifier

Gong Benhua Yan Hui
(Nanchang Longran Industrial Co., Ltd., Nanchang, Jiangxi, 330100)

We've produced a kind of AKD special new cationic polymer emulsifier with cationic polymer as dispersing agent, AM and DMDAAC as monomer and ammonium persulfate as initiator, and emulsified AKD wax with this emulsifier to get cationic AKD emulsion. In this process, we observed the effect of monomer proportion, reaction temperature and time to the emulsifying property of polymer. The result shows that the polymer obtained has a good emulsifying property to AKD on the condition that the proportion is 20 % cationic dispersing agent, 9 % AM and 1 % DMDAAC which react under 80℃ for 2 hours. Also, this emulsifier performs well in the application when it's in pilot plant production and the particle size of products is 0.98μm.

emulsifier；cationic；polymer；AKD；sizing agent

龚本华，1982，男，硕士研究生，造纸化学品，0791-83671125