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聚丙烯醯胺在造紙幹強劑方面的應用

幹強劑是造紙工業中增加紙張強度的一類重要化學品，真正意義上使用和開發增幹強劑是從20世紀50年代初開始的，以聚丙烯醯胺成功工業化為標誌。聚丙烯醯胺是一類效能優良且環境友好型的高分子聚合物，已被稱為“標準造紙助劑”，在各國造紙工業中所佔的比例越來月中。

聚丙烯醯胺是由它的單體聚合得到的水溶性聚合物，可以合成分子量幾千至幾千萬的聚合物。分子量低的部分進入纖維細孔，沒有紙張增強劑的效果；分子量過大，凝集作用大，導致紙張的組織不勻，紙張的增強效果也不好。作為紙張幹強劑的適當分子量為20萬-50萬。根據離子基團的不同可分為陰離子聚丙烯醯胺（APAM）、陽離子聚丙烯醯胺（CPAM）和兩性聚丙烯醯胺（AmPAM）。

1。

紙張幹強劑的作用機理

幹強劑的種類繁多，關於其增強機理眾說紛紜，目前主要集中在以下幾個方面：

（1）纖維間氫鍵結合和靜電吸附時幹強度產生的主要原因，特別時氫鍵集合點多，結合力強（鍵能82kj/mol），加入幹強劑後能加強氫鍵結合。一些分子中含有各種活性基，可以和纖維上的羥基產生強的分子間相互作用及氫鍵結合。

（2）幹強劑也是纖維的高效分散劑，能使紙漿中的纖維分佈更均勻，可以改善紙頁成形，提供更加均勻的纖維間的結合，使纖維間及纖維與高分子之間結合點增加，從而提高幹強度。

（3）幹強劑能夠提高細小纖維留著和紙頁濾水，從而改善溼紙頁的固結。

由於聚丙烯醯胺屮醯胺基1：的氫易與纖維中的羥基結合，加強了氧鍵的結合作用，使紙張的強度增加。

2。

陰離子聚丙烯醯胺

在各型別聚丙烯醯胺中，陰離子聚丙烯醯胺的發展歷史最長、技術最為成熟，其具有成本低、優異的表面活性、應用廣泛的優點。其方法是透過丙烯醯胺和丙烯酸共聚、在聚合物鏈上引入離子化的羧基，另外還可以透過聚丙烯醯胺的部分酸氨基在鹼性條件下水解而得到。

透過新型引發體系，控制陰離子聚丙烯醯醯的分子量，結果發現，分子量偏低時，有利於增加抗張強度；分子量偏高時，有利於增加耐破和耐折度。就陰離子聚丙烯醯胺的合成進行了研究，改變反應條件獲得了不同分子量的聚內烯醯胺。結果發現合成的分子量為25。5萬的陰離子聚丙烯醯胺使紙張的裂斷長提高27%，耐破指數提高69。4%。分子量在16萬的陰離子聚丙烯醯胺對撕裂度和耐折度的影響比較大，分別提高了92%和13。8%。

3。

陽離子聚丙烯醯胺

早在20世紀60年代就有陽離子聚丙烯醯胺的合成報道，至今其研究和應用已非常普遍。最初的陽離子聚內烯醯胺是由自由基聚合製備非離子聚丙烯醯胺，然後與甲醛及二甲胺透過Marmich反應得到胺甲基聚丙烯醯胺，它含有一種陽離子側基。聚丙烯醯胺的胺甲基化反應按1：1。2（物質的量）之比使甲醛與二甲胺混合後生成二甲胺基甲醇，然後與PAM反應生成陽離子聚丙烯醯胺，其優點是遊離甲醛少（0。5%），產品穩定期長。在對聚丙烯醯胺進行Marmich改性過程中，透過單因素最佳化法確定了一步法投料方式等最佳反應條件，結果發現一步法反應效果比兩步法具有更大的優越性。

目前採用甲基丙烯醯氧乙基三甲基氯化銨 （DMC）、丙烯醯氧乙基三甲基氯化銨（DAC）、甲基丙烯酸-2-{N，N-二甲氨基）乙酯（DM）、丙烯酸-2-（N，N-二甲氨基）乙酯（DA）、二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC）等廉價的陽離子單體與丙烯醯胺共聚能獲得良好增強效果的聚合物。這類產品相對於陽離子改性法制備的聚丙烯醯胺穩定性好，價格低廉，是今後值得大力發展的一類產品。有美國專利將二甲基二烯丙基氯化銨（DADMAC）和甲基丙烯醯氧乙基三甲基氯化按（DMC）共作陽離子單體與丙烯醯胺反應制得的陽離子聚丙烯醯胺可明顯提高紙張的幹強度。採用乳液聚合的方法合成了一系列使用方便、穩定性好、適用於酸、中、鹼性抄造系統的陽離子PAM乳液型幹強劑。因此，當新增量為1。0 %（對絕幹漿）時，成紙抗張指數、撕裂指數和耐破指數分別較空白樣增加了28。4%、41。5%和24。2%。採用苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯醯胺和陽離子單體在引發劑過硫酸銨的引發下進行乳液共聚製備出了四元陽離子幹強劑，用11。0%（對絕幹漿）時可使紙張環壓指數提高10%以上，挺度提高8%以上而且具有良好的溶解性。以丙烯醯胺、醋酸乙烯酯、丙烯酸丁酯為原料，在過硫酸鉀引發下，透過乳液共聚反應制得一種造紙用增幹強劑，該乳液對紙張的增強效果顯著。

以甲基丙烯醯氧乙基三甲基氯化銨（DMC）和丙烯醯胺（AM）為單體，又進行了低分子量陽離子聚丙烯醯胺的水溶液共聚合成，對影響聚合的因素，如引發劑、聚合單休濃度、陽離子單體的含量作了探討，並結合其對瓦楞原紙的環壓強度的增強效果進行了各因素的最佳化，結果發現陽離子聚丙烯醯胺的分子量為40萬左右是最適合於作瓦愣原紙的環壓強度增強劑；低分子量陽離子聚丙烯醯胺用作環壓強度增強劑時，合適的用量是0。4%-0。6%。

4。

兩性聚丙烯醯胺

兩性聚丙烯醯胺由於其鏈上同時含有正負兩中電荷基團，與僅含有一種電荷的陽離子或陰離子聚丙烯醯胺相比，具有更明顯的“反聚電介質效應”和PH使用範圍廣等特點，在造紙工業中作為幹強劑成為國內外研究的熱點。研究了核殼乳液聚合法合成兩性聚丙烯醯胺乳液造紙增強劑，同時研究了反應單體配體、引發劑用量、反應時間和反應溫度等對AmPAM乳液效能及對成紙增強效果的影響，發現合成的AmPAM乳液具有良好的增強作用，當新增量為0。3%時，成紙環壓指數、裂斷長和耐破指數分別提高20。3%、24。6%和30。3%。同時該AmPAM乳液型增強劑固含量高，減少了包裝和運輸費用。在DMC/AM/AA的基礎上又加了丙烯腈（AN）。從抗張指數和環壓指數兩方面考慮，幹強劑分子中AN的含量越多，聚合物極性越大，分子剛性越大，同時可以與紙纖維形成較強的分子間力，增強效果明顯；但用量過大時，幹強劑分子中陽離子基團和陰離子基團的含量相對下降，會降低其與纖維的結合程度。從而引起抗張指數和環壓指數的下降。從耐折度考慮，由於增加AN的用量時，幹強劑分子上的極性基團越多，分剛性越大，耐折度就越小。以丙烯醯胺、丙烯腈、丙烯酸和促進劑MPA為原料合成兩性聚丙烯醯胺紙用幹強劑，具有優良的增強效果，成紙挺度可提高18%-20%，斷鏈長可提高20%-25%，耐折度可提高60%-90%，成紙各項指標均高於其它廠家。

以丙烯醯胺（AM）和甲基丙烯醯氧基乙基三甲基氯化按（DMC）為單體，以過硫酸鉀一亞硫酸氫鈉為引發劑，採用水溶液聚合的方法合成了穩定的助劑陽離子聚丙烯醯胺（CPAM），以闊葉木漿為漿枓，助劑用量為 0。2%-0。4%，漿料的pH值為7，打漿度為35°SR，抄造定量為60g/m2的紙張，可使紙張的抗張指數增加30%以上，耐破指數增加20%以上，耐折度增加70%以上，撕裂指數提高不大。

5。

新型交聯或接枝型聚丙烯醯胺

隨著目前原料、抄紙環境的顯著變化，陽離子聚丙烯醯胺也有了種種改進。國內外開發出的新型支化或交聯型聚丙烯醯胺使用效果優於傳統的合成聚合物幹強劑。如丙烯醯胺和亞甲基雙丙烯醯胺經引發劑引發聚合得到交聯型共聚物，再經Mannich反應得到陽離子聚合物可作為紙張幹強劑使用。以芭蕉芋澱粉為原料合成了芭蕉芋澱粉磷酸酷，然後將澱粉磷酸酷與丙烯醯胺進行接枝共聚，將合成產物陽離子化後作為幹強劑使用，取得了理想的效果。以玉米澱粉、丙烯醯胺為原料合成了澱粉接枝聚丙烯醯胺（St-PAM），研究了反應條件對接枝效率、接枝率和單體轉化率的影響規律，用正交實驗優化了反應條件，結果發現在定量、抗拉強度和裂斷長方面，澱粉接枝聚丙烯醯胺的效果優於聚丙烯醯胺的；但在撕裂度和耐折度方面，聚丙烯醯胺的效果優於澱粉接枝聚丙烯醯胺的。透過對聚丙烯醯胺的最佳化，將窄分子量陰離子聚丙烯醯胺的相對分子質量控制在30-50萬之間，然後與陽離子澱粉進行接枝，由於窄分子量聚丙烯醯胺相對分子質量分佈範圍較窄，因此接枝後助劑相對分子質量分佈較均勻，增強效果應優於陽離子澱粉及窄分子量聚丙烯醯胺單獨使用，而且接枝後所得的助劑可直接使用，不需再加入硫酸鋁，減少了生產程式，降低了生產成本。將澱粉溶解後，加入丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯醯胺及二甲基二烯丙基氯化銨進行接枝共聚，即可得到乳液型改性澱粉增幹強劑，用0。6%-1。0% （對絕幹漿）時可使紙的幹強度增加20%以上，由於接枝的分子鏈主要是柔性鏈，使耐撕裂度提高3%以上。