聚丙烯酰胺在造纸干强剂助留剂中的应用
聚丙烯酰胺在造纸干强剂中的应用
干强剂是造纸工业中增加纸张强度的一种重要化学品。真正意义上，干强剂的使用和开发始于20世纪50年代初，以聚丙烯酰胺的成功工业化为标志。聚丙烯酰胺是一种性能优良、环保的聚合物聚合物，被称为“标准造纸添加剂”，在各国造纸工业中的比例越来越高。
聚丙烯酰胺是由其单体聚合物获得的水溶性聚合物，可合成数千万至数千万的分子聚合物。分子量低的部分进入纤维孔，无纸张增强剂效果；分子量过大，凝结效果大，导致纸张组织不均匀，纸张增强效果差。纸张干强剂的适当分子量为20万-50万。阴离子聚丙烯酰胺可根据离子基团的不同分为阴离子聚丙烯酰胺（APAM）、阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）两性聚丙烯酰胺（AmPAM）。
1.纸张干强剂的作用机制
有许多种类的干强剂，对其增强机制有不同的看法，目前主要集中在以下几个方面：
(1)纤维间氢键结合和静电吸附时干强度的主要原因，特别是氢键集合点多，结合力强(键能82kj/mol），加入干强剂后，可以加强氢键的组合。有些分子含有各种活性基，可以与纤维上的羟基产生强分子和氢键的相互作用。
（2）干强剂也是纤维的有效分散剂，可以使纸浆中的纤维分布更加均匀，改善页面形成，提供更均匀的纤维组合，增加纤维与聚合物之间的组合点，从而提高干强度。
(3)干强剂能改善细纤维和纸页滤水，从而改善湿纸页的固结。
聚丙烯酰胺基1:氢容易与纤维中的羟基结合，增强了氧键的结合，增加了纸张的强度。
2.阴离子聚丙烯酰胺
阴离子聚丙烯酰胺在各种聚丙烯酰胺中发展历史最长，技术最成熟，具有成本低、表面活性好、应用广泛的优点。其方法是通过丙烯酰胺与丙烯酸共聚，在聚合物链上引入离子羧基，并在碱性条件下水解聚丙烯酰胺的部分酸胺基。
通过新的触发系统，控制阴离子聚丙烯酰胺的分子量，发现当分子量较低时，有利于增加抗张强度；当分子量较高时，有利于增加抗破裂性和抗折叠性。研究阴离子聚丙烯酰胺的合成，改变反应条件，获得不同分子量的聚内烯酰胺。结果表明，合成分子量为25.5万的阴离子聚丙烯酰胺使纸张的断裂长度增加27%，抗破指数增加69.4%。阴离子聚丙烯酰胺分子量16万，对撕裂度和抗折度影响较大，分别增加92%和13.8%。
3.阳离子聚丙烯酰胺
阳离子聚丙烯酰胺早在20世纪60年代就有合成报道，其研究和应用非常普遍。最初的阳离子聚内烯酰胺是由自由基聚合制备的非离子聚丙烯酰胺，然后通过Marmich与甲醛和二甲胺反应得到胺甲基聚丙烯酰胺，其中含有阳离子侧基。聚丙烯酰胺的胺甲基化反应为1:1.2(物质量)的比例使甲醛与二甲胺混合产生二甲胺基甲醇，然后与PAM反应产生阳离子聚丙烯酰胺，游离甲醛少(0.5%)，产品稳定性长。在Marmich改性聚丙烯酰胺的过程中，通过单因素优化法确定了一步法进料等最佳反应条件，发现一步法的反应效果比两步法具有更大的优势。
甲基丙烯酰氧乙基三甲氯化铵目前使用(DMC)、丙烯酰氧乙基三甲氯化铵(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铵(DMDAAC)聚合物，如廉价的阳离子单体和丙烯酰胺共聚物，可以获得良好的增强效果。与阳离子改性法制备的聚丙烯酰胺相比，这类产品稳定性好，价格低廉，是未来值得大力发展的产品。美国专利将二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化(DMC)由阳离子单体与丙烯酰胺反应制成的阳离子聚丙烯酰胺能显著提高纸张的干强度。采用乳液聚合法合成了一系列阳离子PAM乳液干强剂，适用于酸、中、碱抄袭系统。因此，当添加量为1.0%(对干浆)时，成纸抗张指数、撕裂指数和抗破指数分别比空白样增加28.4%、41.5%和24.2%。四元阳离子干强剂由苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺和阳离子单体在引发剂过硫酸铵的引起下共聚制备而成。用11.0%(绝干浆)时，纸张环压指数可提高10%以上，挺度可提高8%以上，溶解性好。以丙烯酰胺、醋酸乙烯酯和丙烯酸丁酯为原料，在过硫酸钾的引起下，通过乳液共聚反应制成纸张干燥剂，对纸张有显著的增强作用。
甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)和丙烯酰胺(AM)对于单体，低分子量阳离子聚丙烯酰胺水溶液共聚合成，讨论了引发剂、聚合单休息浓度、阳离子单体含量等影响聚合的因素，并结合其对瓦楞原纸环压强度的增强效果进行了优化，结果发现，当阳离子聚丙烯酰胺的分子量约为40万时，最适合制作瓦愣原纸的环压强度增强剂；当低分子量阳离子聚丙烯酰胺被用作环压强度增强剂时，适当的剂量为0.4%-0.6%。
四、两性聚丙烯酰胺
与只含一种电荷的阳离子或阴离子聚丙烯酰胺相比，两性聚丙烯酰胺具有更明显的“反聚电介质效应”和广泛的PH实用范围，在造纸行业已成为国内外研究的热点。研究了核壳乳液聚合法合成聚丙烯酰胺乳液造纸增强剂，研究了反应单体配体、引发剂用量、反应时间和反应温度对AMPAM乳液性能和成纸增强效果的影响。发现合成AMPAM乳液增强效果好。当添加量为0.3%时，成纸环压指数、裂纹长度和抗破性指数分别增加20.3%、24.6%和30.3%。同时，AMPAM乳液增强剂固含量高，降低了包装和运输成本。在DMC/AM在/AA的基础上添加丙烯腈（AN）。考虑到抗张指数和环压指数，干强剂分子中AN含量越多，聚合物极性越大，分子刚度越大，与纸纤维形成强分子间力，增强效果明显；但当用量过大时，干强剂分子中阳离子基团和阴离子基团的含量相对降低，会降低与纤维的结合程度。从而导致抗张指数和环压指数下降。考虑到抗折度，干强剂分子上的极性基团越多，分刚度越大，抗折度越小。两性聚丙烯酰胺纸用干强剂由丙烯酰胺、丙烯腈、丙烯酸和促进剂MPA合成，具有优异的增强效果。成纸挺度可提高18%-20%，断链长度可提高20%-25%，抗折性可提高60%-90%，成纸指标高于其他厂家。
以丙烯酰胺(AM)甲基丙烯酰氧基乙基三甲基氯化(DMC)以过硫酸钾一亚硫酸氢钠为引发剂，采用水溶液聚合法合成稳定的添加剂阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)，以阔叶木浆为浆料，添加剂用量为0.2%-0.4%，浆料pH值为7，灌浆度为35SR，复制定量为60g/m2的纸张，可使纸张抗张指数增加30%以上，抗破指数增加20%以上，抗折度增加70%以上，撕裂指数增加不大。
5.新型交联或接枝型聚丙烯酰胺
阳离子聚丙烯酰胺随着原料和抄纸环境的显著变化也得到了改善。国内外开发的新型支化或交联聚丙烯酰胺使用效果优于传统的合成聚合物干强剂。例如，丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺可以通过引发剂聚合获得交联共聚物，然后通过Manich反应获得阳离子聚合物作为纸张干燥剂。香蕉芋淀粉磷酸酷是以香蕉芋淀粉为原料合成的，然后将淀粉磷酸酷与丙烯酰胺接枝共聚，将合成产品阳离子化后作为干强剂，取得理想效果。淀粉接枝聚丙烯酰胺以玉米淀粉和丙烯酰胺为原料合成(St-PAM),结果表明，淀粉接枝聚丙烯酰胺在定量、抗拉强度和裂纹长度方面优于聚丙烯酰胺，但在撕裂和抗折性方面优于淀粉接枝聚丙烯酰胺。通过聚丙烯酰胺的优化，窄分子量阴离子聚丙烯酰胺的相对分子质量控制在30000-500000之间，然后与阳离子淀粉连接。由于窄分子量聚丙烯酰胺的相对分子质量分布范围较窄，接枝后添加剂的相对分子质量分布均匀，增强效果应优于阳离子淀粉和窄分子量聚丙烯酰胺，接枝后获得的添加剂可直接使用，无需添加硫酸铝，降低了生产程序和生产成本。淀粉溶解后，加入丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵进行接枝共聚，即可获得乳液型改性淀粉增干强剂，用0.6%-1.0%(绝干浆)时，纸张的干燥强度可增加20%以上，因为接枝分子链主要是柔性链，使耐撕裂性提高3%以上。
6.结束语
聚丙烯酰胺是一种非常有效的造纸干强剂，具有用量低、操作方便、效果明显等优点。它不仅可以提高纸张的强度，还具有良好的助留助滤效果，可以降低T纸浆的消耗和成本。由于我国造纸原料中草药所占比例较大，迫切需要开发性能较好的浆内干强剂。因此，有必要充分利用各种干强剂的优点，开发适合我国造纸生产的高效、廉价、性能稳定的干强剂，特别是草废纸原料。对聚丙烯酰胺等增强剂的共同研究是近年来国内外发展的重要趋势，这方面仍需进一步研究。
