水性聚氨酯的合成及其作为纸页增强剂的应用

论文摘要

由于传统湿强剂存在的局限性,许多新型环保湿强剂被开发出来作为造纸助剂,水性聚氨酯（WPU）作为水性环保型树脂之一,以水为溶剂,具有无污染、无毒、安全可靠、机械性能优良、相容性好、易于改性等优点,被引用到造纸行业成为近期研究的热点。本文根据异氰酸酯（-NCO）基团与纤维上的羟基（-OH）反应的机理,合成了封闭性的WPU;在应用过程中,由于温度对WPU有很大影响,着重研究了WPU的解封闭温度;并针对漂白针叶木浆,将WPU加入到浆料中,系统地研究了WPU,WPU与阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）共用对纸页抗张强度的影响。合成了水性聚氨酯并对其乳液性能进行了研究。研究结果表明,随着封闭剂用量增加,封闭反应时间相对延长。根据封闭剂用量和溶液的稳定性,确定了亲水扩链剂的用量为甲苯-2,4-二异氰酸酯（2,4-TDI）和聚乙二醇1000（PEG1000）两种单体质量之和的2%。当中和度为0.9-1.1时,WPU乳液的贮存稳定性明显增加。通过搅拌强度、溶剂、温度、加水方式对乳化效果进行了探讨,实验结果显示,在室温下加入适量溶剂,通过强搅拌剪切力先缓慢后快速加入去离子水的方式,有利于乳化成功。对水性聚氨酯进行了红外表征并对解封温度进行了研究。研究结果表明,封闭后的聚氨酯在2250-2280cm-1附近的-NCO吸收峰明显减弱,说明封闭反应是成功的。扩链之后,3300cm-1附近出现了明显的N-H吸收峰,说明已经引入了亲水基团。对解封温度的研究表明,在100℃、110℃和120℃下,封闭产物都能在2250cm-1附近出现吸收峰,说明在高温下能解封,而且延长加热时间有利于-NCO基团的解封趋于完善。热重分析（TG）曲线进一步证实了红外测试的结果。研究了水性聚氨酯在纸张中的应用。研究结果表明,将含有不同封闭剂用量的WPU乳液添加到浆料后,发现封闭剂用量为0.1mol的乳液应用性能最佳。通过对WPU乳液应用条件的探讨,确定纸页干燥温度为100℃,高温熟化条件为110℃固化40min,紫外熟化时间为2.5min;通过紫外、紫外+高温和高温三种熟化方式对纸页抗张强度影响的对比,发现适宜的熟化方式为高温熟化。探讨了不同pH值下WPU用量对浆料Zeta电位和纸页抗张强度的影响,表明所制备的WPU是带正电性的,可直接与浆料发生吸附作用;发现自制WPU乳液较适于中性和酸性条件下应用,当WPU乳液用量为3.0%时,在中性条件下湿强保留率达到19.45%;当WPU乳液用量为2.5%时,在酸性条件下湿强保留率达到20.70%。通过对CPAM与WPU共用的探讨,发现CPAM与WPU配合使用能提高纸页的湿强度,添加到浆料中的顺序为先添加WPU后添加CPAM。当添加顺序为2.0% WPU + 0.2% CPAM时,纸页的湿强度比添加单一的WPU提高了16.01%,比空白纸样提高了12.7倍;湿强保留率达到了18.99%,比添加单一的WPU提高了22.52%,比空白纸样提高了9.9倍。当添加顺序为3.0%WPU+0.2%CPAM时,纸页的湿强度比添加单一的WPU提高了12.62%,比空白纸样提高了15倍;湿强保留率达到了21.29%,比空白纸样提高了11倍。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 造纸湿强剂的研究现状
• 1.1.1 酸性熟化树脂
• 1.1.1.1 脲醛树脂
• 1.1.1.2 三聚氰胺甲醛树脂
• 1.1.2 中碱性熟化树脂
• 1.1.2.1 聚酰胺环氧氯丙烷树脂
• 1.1.2.2 聚乙烯亚胺树脂
• 1.1.3 新型环保湿强剂
• 1.2 水性聚氨酯
• 1.2.1 水性聚氨酯的合成及改性方法
• 1.2.2 水性聚氨酯的研究现状
• 1.3 本课题的研究目的和意义
• 1.4 本课题主要研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料及实验仪器设备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验仪器设备
• 2.2 水性聚氨酯的制备方法
• 2.2.1 合成实验装置
• 2.2.2 原料的处理
• 2.2.3 水性聚氨酯预聚体的制备
• 2.2.4 中和
• 2.2.5 乳化
• 2.2.6 蒸除溶剂
• 2.3 合成产物的分析与测试
• 2.3.1 异氰酸根（-NCO）含量的测定
• 2.3.2 固含量的测定
• 2.3.3 合成产物贮存稳定性的测定
• 2.3.4 乳化产物稳定性的测定
• 2.3.5 pH 值的测定
• 2.3.6 合成产物的红外光谱测试
• 2.3.7 合成产物的热重（TG）测试
• 2.4 合成物在纸页中的应用实验
• 2.4.1 打浆
• 2.4.2 打浆度的测定
• 2.4.3 浆料水分含量的测定
• 2.4.4 pH 值的测定
• 2.4.5 Zeta 电位的测定
• 2.4.6 抄片
• 2.4.7 纸页的熟化处理
• 2.5 纸张物理性能的测试
• 2.5.1 纸张性能测试前的准备
• 2.5.2 纸张定量的测定
• 2.5.3 纸张抗张强度的测定
• 2.5.4 挺度的测定
• 2.5.5 白度的测定
• 第三章 水性聚氨酯的合成
• 3.1 水性聚氨酯的合成
• 3.1.1 水性聚氨酯预聚体的合成步骤
• 3.1.2 水性聚氨酯预聚体的乳化
• 3.2 反应条件的确定及对产物性能的影响
• 3.2.1 封闭反应时间的确定
• 3.2.2 封闭剂的用量对预聚体的影响
• 3.2.3 不同封闭剂用量对水性聚氨酯乳液稳定性的影响
• 3.2.4 亲水扩链剂用量的确定
• 3.2.5 亲水扩链剂用量对水晶聚氨酯乳液性能的影响
• 3.2.6 中和度的选择
• 3.2.7 乳化条件对水性聚氨酯乳化效果的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 水性聚氨酯的表征和解封闭温度的研究
• 4.1 水性聚氨酯的表征
• 4.1.1 水性聚氨酯的合成机理
• 4.1.2 水性聚氨酯的红外表征
• 4.2 解封闭温度的研究
• 4.2.1 封闭-解封闭反应的机理
• 4.2.2 解封温度研究的表征
• 4.2.2.1 解封温度研究的红外表征
• 4.2.2.2 解封温度研究的热重（TG）分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 水性聚氨酯在纸张中的应用
• 5.1 水性聚氨酯在纸张中的应用流程
• 5.2 水性聚氨酯的湿强机理
• 5.3 不同封闭剂用量的水性聚氨酯对纸页抗张强度的影响
• 5.4 水性聚氨酯应用条件的确定
• 5.4.1 干燥温度对纸页抗张强度的影响
• 5.4.2 高温熟化条件的确定
• 5.4.2.1 高温熟化时间对纸页抗张强度的影响
• 5.4.2.2 熟化温度对纸页抗张强度的影响
• 5.4.3 紫外熟化时间对纸页抗张强度的影响
• 5.4.4 熟化方式对纸页抗张强度的影响
• 5.4.4.1 熟化方式对纸页干抗张指数的影响
• 5.4.4.2 熟化方式对纸页湿抗张指数的影响
• 5.4.4.3 熟化方式对湿强保留率的影响
• 5.5 不同pH 值下水性聚氨酯用量对浆料Zeta 电位的影响
• 5.6 不同pH 值下水性聚氨酯用量对纸页抗张强度的影响
• 5.7 阳离子聚丙烯酰胺与水性聚氨酯共用对纸页抗张强度的影响
• 5.7.1 阳离子聚丙烯酰胺用量对纸页抗张强度的影响
• 5.7.2 阳离子聚丙烯酰胺用量对浆料Zeta 电位的影响
• 5.7.3 阳离子聚丙烯酰胺与水性聚氨酯共用的抗张强度测试
• 5.8 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间论文发表情况