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纸张涂布分散剂—低分子量聚丙烯酸钠

作者:本站  日期:2018-11-22 人气:2866 

随着高浓度涂布机的引进和铜版纸的发展,对分散剂的需求量越来越大,分散剂是涂料组分中很微妙的部分,涂料制备的第一步是将颜料颗粒悬浮于水中,但颗粒由于范德华引力而集聚,所以必须使之分散,但无机分散剂使用中有很多缺点,如分散液固含量相对较低,易水解引起颜料絮聚,分散时效稳定性差等,因而更加体现出了有机分散剂的优越性。低分子量聚丙烯酸钠作为造纸工业的有机分散剂,与 大多数颜料可得低粘度和高固含量的涂料,能提高颜料的细度,分散体系的稳定性,提高纸张的柔软性、强度、白度、保水性等,且具有可溶于水,不易水解,不易燃,无毒、无腐蚀等特点,是造纸工业很有发展前途的一种分散剂。该分散剂可单独或与无机磷酸盐分散剂复配使用。实验证明,组合使用较单独使用效果更好。另 外,它对高岭土、硫酸钡、碳酸钙及其混合体有良好的分散效果。

2、分散剂的分散机理

分散剂作用于颜料粒子的过程是一化学过程。首先,分散剂溶解于水中产生电离,且电离程度大,形成一个大的阴离子和等量异种电荷的小阳离子。该正负离子 牢牢地吸附在颜料粒子表面,使离子带有相同的电荷。带相反电荷的离子自由扩散到周围液体介质中,形成一个带电离子的扩散层,即双电层。自颜料表面至扩散层最远处(即带相反电荷为零的地方)的两层离子间电位差为zeta电位,由于带相同电荷的离子互相排斥,形成静电斥力,可防止颜料在水性介质中絮凝,从而达 到分散的目的。

在有电斥力的情况下,分散剂必须具有高的电离性质。电离程度越大,颜料粒子表面吸附离子的亲和力越大,则分散作用越有效。聚电解质是具有这类离子活性 的理想物质。聚电解质的特征是具有一个大离子的骨架(一个单个的大离子,具有许多相似的带电基团,通过化学键连接)和一个当量数小且独立的电荷相反的平衡离子。具有代表性的聚电解质是聚丙烯酸钠。

如果分散剂用量恰好能把颜料粒子用同种电荷间的斥力隔离开来,就达最佳分散状态。当分散剂用量少时,没被分散剂包裹的颗粒由于电性吸引而附聚,并产生 沉淀。当分散剂用量过大时,过量的分散剂会破坏巳形成的双电层,引起电荷不平衡分布而产生沉淀。由此可见,必须选用最佳的分散剂用量。

3、有机分散剂性能

3.1有机分散剂与无机分散剂的不同

有机分散剂不同于聚磷酸钠无机分散剂(这是一种常用的无机分散剂),其分子结构差别很大

从分子结构上看,聚丙烯酸钠是线型高分子电解质,其主链碳一碳键是稳定的结构,而聚磷酸盐的磷一氧键是一种易水解的不稳定结构,尤其在碱性介质或者高热(40℃)条件下将发生水解而引起分散剂失效,导致分散液粘度上升。这点在碳酸钙颜料分散体中尤为明显。

实验证明,无机分散剂和有机分散剂的分散效果接近,即在最佳分散剂用量时颜料粘度相近,但是,无机分散剂用量明显高于有机分散剂,有人认为这与两种物 质的离子性强弱有关。聚磷酸钠属无机化合物,阴离子水化作用比较强,在颜料颗粒的吸附和解吸平衡上[解吸]/[吸附]=k的系数要大于聚丙烯酸根离子,换 言之,溶液中有较多的解吸的六偏磷酸根离子,所以要占据相同面积或者说达到相同的粘度需加入总分散剂用量就要提高。

3.2有机分散剂对颜料的作用

以瓷土为例,瓷土是一种六边扁状结构,其每个颗粒表面和边缘带有不同的电荷,表面呈负电性,边缘为正电性,两种不同的电荷相互作用,导致絮凝。有机分 散剂的加入,不仅中和这部分正电荷,而且由于有机分散剂对瓷土的吸附作用,转变了边缘处电荷极性,但是仍有一些酸基呈游离状态,这样边缘上的电荷变成普通的负电荷。负电荷的增加增强了颗粒间的排斥作用,从而使其保持一定的距离,不会附着、絮聚和沉淀,而是形成稳定的分散体系。

3.3最佳用量的确定

确定有机分散剂的最佳用量不仅是经济上的问题,更重要的是颜料分散体的性能。分散剂不足时,颜料分散液粘度高,分散体不稳定;分散剂过量,改变了分散 液的离子环境,引起粘度增高。一般来说,瓷土分散剂用量为O25%左右,碳酸钙颜料则根据制造方法不同用量有所不同,如研磨碳酸钙颜料(2μm以下>45%)在O 1%-O15%,如改用聚磷酸盐则用量O55%;如颜料用沉淀碳酸钙则至少多用50%的分散剂。

4、聚丙烯酸钠的合成研究进展

聚丙烯酸钠用途广泛,但它的用途与其分子量大小有很大关系。其中分子量在500~5000的低分子量PAANa主要起分散作用,特别是分子量在2000~:3000的PAANa在造纸工业中能降低高浓涂料的粘度,使之有良好的流变性。

PAANa的合成方法主要有以下几种:(1)聚合法:先用丙烯酸和烧碱反应生成丙烯酸单体,再在引发剂引发下聚合成聚丙烯酸钠。(2)中和法:先将丙 烯酸在引发剂作用下聚合成聚丙烯酸,然后将聚丙烯酸与烧碱中和成聚丙烯酸钠。(3)皂化法:先由丙烯酸与甲醇反应生成丙烯酸甲酯,在引发剂作用下聚合为聚 丙烯酸甲酯,聚丙烯酸甲酯悬浮液和乳胶在苛性钠水溶液中加热制得聚丙烯酸钠。低分子量聚丙烯酸钠制备多采用聚合法。

国外有机分散剂产品的分散性能最好的为美国大洋公司的产品sN一5040[6]。近年来,国内有机分散剂的开发应用比较活跃,其中北京的Dc分散剂, 上海的YH分散剂为开发的较成功的产品。YH分散剂采用的工艺是:自由基水溶液聚合,异丙醇作链转移剂,过硫酸铵作引发剂,引发游离基型的聚合反应,固含 量为30%~38%,分散性能良好,但固含量太低,生产成本高。Dc分散剂采用的工艺是:聚合、蒸馏(除去链转移剂和水的混合物)、中和,其固含量虽达要 求,但生产周期长,成本高。

上述传统的生产工艺需用单体量2~4倍的异丙醇作链转移剂,设备的利用率低,能耗较高,生产周期长,生产成本高。因此,有人通过研究[6,7]影响聚 丙烯酸钠分子量的各种因素,使用脂肪酸盐等助剂,采用分步聚合的新工艺合成了分子量500~700,1000~1500和:Z000~3000的低分子量PAANa。此法取消了原有工艺使用的异丙醇,简化了生产工艺,降低了生产成本。合成的PAANa不仅分子量较低,而且分子量分布较窄,分散性良好,应用实验表明其分散效果优于分散剂Dc,与进口产品sN一5040相当。鉴于特低分子量(500~700)的产品在涂布中的应用几乎未见报道,故该方法的提出意义重大。

低分子量聚丙烯酸钠作为涂布用分散剂有很好的效果,而且用新工艺合成的产品质量好,成本低,具有较强的市场竞争力,故低分子量聚丙烯酸钠在造纸中将会有更好的推广应用前景。

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