造紙用水溶性高分子材料性能分析

水溶性高分子材料是一種親水性的高分子材料，在水中能溶解或溶脹而形成溶液或分散液。它具有性能優(yōu)異、使用方便、有利環(huán)境保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。

　　1 天然水溶性高分子

　　天然水溶性高分子以植物或動(dòng)物為原料，通過物理的或物理化學(xué)的方法提取而得。許多天然水溶性高分子一直是造紙助劑的重要組分，例如常見的有表面施膠劑天然淀粉、植物膠、動(dòng)物膠 （干酪素）、甲殼質(zhì)以及海藻酸的水溶性衍生物等。

　　2 半合成水溶性高分子

　　這類高分子材料是由上述天然物質(zhì)經(jīng)化學(xué)改性而得。用于造紙工業(yè)中主要有兩類：改性纖維素 （如羧甲基纖維素） 和改性淀粉（如陽(yáng)離子淀粉）。

　　3 合成水溶性高分子

　　此類高分子的應(yīng)用最為廣泛，特別是其分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分靈活的優(yōu)勢(shì)可以較好地滿足造紙生產(chǎn)環(huán)境多變及造紙工業(yè)發(fā)展的要求。

　　3.1聚丙烯酰胺（PAM）

　　在工商業(yè)中凡含有50% 以上丙烯酰胺單體的聚合物都泛稱聚丙烯酰胺，是一種線型水溶 性高分子，是造紙工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的品種。

　　PAM用于造紙領(lǐng)域一般是相對(duì)分子質(zhì)量為 )100～500 萬(wàn)的產(chǎn)品，其主要應(yīng)用有兩個(gè)方面：即紙張的增強(qiáng)劑和造紙用助留劑和助濾劑。低于上述相對(duì)分子質(zhì)量的 PAM( 可作為分散劑，改善紙頁(yè)抄造勻度，高于者可作為造紙廢水處理用絮凝劑。

　　聚丙烯酰胺本身是中性材料，幾乎不能被紙漿吸附，也不可能發(fā)揮作用，因此需要在其結(jié)構(gòu)中導(dǎo)入一個(gè)電性基團(tuán)。視電性基團(tuán)的類型不同，聚丙烯酰胺產(chǎn)品有陰離子、陽(yáng)離子、兩性離子等。

　　3.1.1 陰離子聚丙烯酰胺（APAM）

　　當(dāng)導(dǎo)入羧基時(shí)可獲得陰離子聚丙烯酰胺。由于與紙漿纖維上負(fù)電性相斥，因此在應(yīng)用時(shí)必須加入造紙礬土作為陽(yáng)離子促進(jìn)劑。這種應(yīng)用不但麻煩，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)中性抄紙技術(shù)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)外造紙工業(yè) 90 年代 APAM( 的應(yīng)用比例已由 60% 下降到30% ，而陽(yáng)離子聚丙烯酰胺卻由 20% 急速上升到50%以上。

　　3.1.2 陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（CPAM）

　　在CPAM的工業(yè)制備方法中，以丙烯酰胺為主要單體與其他陽(yáng)離子單體共聚的方法，因其分子結(jié)構(gòu)、電荷分布、相對(duì)分子質(zhì)量易于控制而被越來(lái)越多地加以采用。

　　陽(yáng)離子聚丙烯酰胺可以直接吸附在紙漿上，在廣泛的 12范圍內(nèi)都有效。

　　3.1.3 兩性聚丙烯酰胺 （C－PAM）

　　CPAM( 在日益復(fù)雜的造紙生產(chǎn)環(huán)境里也暴露出“先天不足” 。主要表現(xiàn)在：隨著造紙白水封閉化程度的提高，白水中溶鹽濃度持續(xù)積累性上升，在一定程度上抵消了 0PAM( 的使用效果；由上述原因而導(dǎo)致增加陽(yáng)離子高分子助劑的添加量，造成抄造條件下的過陽(yáng)離子體系，操作困難，效果反而下降；現(xiàn)代造紙條件下，經(jīng)常使用高配比的二次纖維，由此而帶來(lái)的“陰離子垃圾”也會(huì)惡化助劑的使用效果。于是人們又研發(fā)出兩性聚丙烯酰胺，在其分子中既有陽(yáng)離子基團(tuán)，又有陰離子基團(tuán)，其增強(qiáng)和助留助濾作用好于單獨(dú)使用陽(yáng)離子型高分子，更好于陰離子型高分子。

　　考慮到上述離子型聚丙烯酰胺仍為線型高分子，在與纖維結(jié)合程度上以及抵抗白水溶鹽影響方面仍有不如人意之處，科技人員正試圖根據(jù)抄紙環(huán)境的變化特點(diǎn)，設(shè)計(jì)、制備出支鏈型乃至立體型聚丙烯酰胺水溶性高分子。

　　3.2 聚酰胺環(huán)氧氯丙烷（PAE）

　　PAE的制備分兩步，第一步是合成聚酰胺，第二步是在此基礎(chǔ)上引入環(huán)氧基。第一步合成的聚酰胺分子中含有陽(yáng)離子基團(tuán)，能與纖維素形成靜電結(jié)合，而第二步引入的環(huán)氧基具有進(jìn)一步的反應(yīng)性能，因此 PAE 是一種反應(yīng)性的水溶高分子材料，并且具備了紙張濕強(qiáng)劑必須具有的四個(gè)特性，即（1）必須是高分子；（2）必須是水溶性的；（3）必須是陽(yáng)離子型的；（4） 必須能形成化學(xué)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，反應(yīng)為熱固型。

　　目前，PAE 是一種重要的濕強(qiáng)劑，但屬于含有氯的高分子材料，對(duì)環(huán)境保護(hù)而言是不利的。

　　3.3 聚乙烯亞胺（PEI）

　　作為水溶性高分子，PEI直接加入漿料中，由于它的水溶液呈陽(yáng)離子性，因此可作為陽(yáng)離子型增濕強(qiáng)劑，與 PEI 相比，它的分子中無(wú)熱固性反應(yīng)基團(tuán)，也不能固化而得濕強(qiáng)度，而是通過與紙漿上羥基產(chǎn)生強(qiáng)的靜電吸引形成次價(jià)力交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，這與PEI 產(chǎn)生濕強(qiáng)度的機(jī)理是不同的。相比之下，PAE 提供的紙張濕強(qiáng)度要比 PEI 提供的低一
些。

　　3.4 聚氧化乙烯（PEO)

　　PEO是環(huán)氧乙烷經(jīng)多相催化通過陰離子開環(huán)聚合而成的水溶性高分子，與聚乙二醇（PEG)在形式上具有相同的結(jié)構(gòu)式，一般以相對(duì)分子質(zhì)量不同來(lái)區(qū)分，兩萬(wàn)以下的稱為聚乙二醇，兩萬(wàn)以上的稱為聚氧化乙烯。

　　PEO 在造紙工業(yè)中最主要的用途是用作紙漿長(zhǎng)纖維分散劑，還可用作助留助濾劑、水溶性功能紙粘合劑以及某些合成纖維、玻璃纖維及聚烯烴專用紙制備的組方之一。

　　與上述水溶性高分子不同的是，PEO是一種非離子型高分子，當(dāng)用作助留助濾劑時(shí)，對(duì)木素含量較少的化學(xué)漿而言，其留著率顯得不穩(wěn)定，應(yīng)考慮同時(shí)加入 PEO活性助劑，如酚醛樹脂硫酸鹽漿木素等，以提高助留助濾的效果。PEO用作紙張?jiān)鰪?qiáng)劑
的應(yīng)用正在積極地研發(fā)之中。

　　一般用作長(zhǎng)纖維分散劑的PEO相對(duì)分子質(zhì)量范圍為250～300萬(wàn)，其伸展的高分子結(jié)構(gòu)阻止了纖維表面的相互接近，同時(shí)能提高紙料懸浮體的粘度，這些都限制了纖維絮凝的產(chǎn)生。在抄造衛(wèi)生紙、餐巾紙、手帕紙、茶葉袋濾紙時(shí)使用效果明
顯，起到了濕部成形助劑的作用。

　　3.5 聚乙烯醇（PVA)

　　聚乙烯醇不能由乙烯醇直接聚合，因后者極不穩(wěn)定，可由聚醋酸乙烯經(jīng)干法工藝路線發(fā)生堿性醇解而得。聚乙烯醇具有優(yōu)越的成膜性能和粘接強(qiáng)度，因此決定了它在造紙工業(yè)中主要有兩方面的應(yīng)用。一是用作紙張施膠劑，另一個(gè)則是用作涂布紙顏料的粘合劑。除此之外還可用于與造紙工業(yè)緊密相關(guān)的紙與紙板加工用粘合劑等。

　　用于紙張表面施膠劑 的PVA，一般選用聚合度為1700左右，醇解度為567 2 557，基本達(dá)到完全醇解的牌號(hào)。用于顏料粘合劑時(shí)，PVA 聚合度越高，則涂布紙表面強(qiáng)度越高，但涂料流動(dòng)性變差；醇解度越高，紙張涂布層的抗油、抗溶性越好，但涂料流動(dòng)性也會(huì)下降。為此可將PVA 與合成膠乳復(fù)配使用或?qū)VA 專門進(jìn)行改性以適應(yīng)高速涂布機(jī)的生產(chǎn)要求。

　　3.6聚丙烯酸及其共聚物（PAA)

　　作為高吸水性樹脂，已廣泛用于婦女衛(wèi)生巾、兒童紙尿布、成人失禁生理材料等，極大地拓展了造紙產(chǎn)品的花色品種。此外，聚丙烯酸鈉在造紙涂布用顏料分散劑以及表面施膠劑方面的開發(fā)和利用，正成為新的課題。

　　3.7 聚乙烯吡咯烷酮（PVA)

　　PVP分子中既有親水基團(tuán)也有親油基團(tuán)，比一般水溶性高分子材料性能更加優(yōu)越。目前，PVP 在造紙工業(yè)中還僅僅在高檔產(chǎn)品中使用以獲得高附加值。例如，PVP材料用于彩色噴墨打印紙的涂層，固化后的 PVP紙張涂層可使彩色噴打墨水快速干燥，涂層透明。

　　以上僅為造紙工業(yè)與水溶性高分子材料完美結(jié)合數(shù)例中冰山之一角。近年來(lái)，造紙工業(yè)抄造條件千差萬(wàn)別，紙制品多品種化程度日益提高，環(huán)境保護(hù)的加強(qiáng)等諸多因素，為性能優(yōu)異、分子制備靈活多樣的水溶性高分子材料創(chuàng)造了廣闊的應(yīng)用前景。