首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 轻工业论文 > 造纸工业论文 > 聚氨酯对改善纸张性能的作用及发展研究

聚氨酯对改善纸张性能的作用及发展研究

2020-06-30 684 上传者：管理员

摘要：聚氨酯因具有较好的成膜性、耐磨、耐水耐油等性能，作为新型造纸化学助剂日益受到重视，逐渐被应用于纸张涂布、表面施胶、纤维改性等方面。本文主要介绍近几年聚氨酯类造纸助剂的应用发展概况，并针对传统聚氨酯难生物降解的问题，重点展望木素基聚氨酯在造纸工业上的应用前景。

关键词：
木素
生物降解
聚氨酯
造纸助剂
造纸化学助剂
造纸工业
加入收藏

1、前言

纸（材料）在使用过程中普遍存在机械强度低、对水分及油脂易渗透等问题，这严重制约了其作为一种重要绿色环保材料的广泛使用。目前最为有效的改善纸（材料）性能的方法是添加化学助剂，包括：合成高分子助剂，例如苯乙烯-丁二烯类和丙烯酸类；天然高分子助剂，例如淀粉、甲壳素、蛋白质类等。这些化学助剂普遍存在易渗透、机械性能差或难生物降解等缺点。聚氨酯因较好的成膜性、耐磨性和耐水耐油性，作为新型造纸化学助剂日益受到重视。

聚氨酯（PU）全名为聚氨基甲酸酯，最初是OttoBayer博士于1937年合成的一种由尿烷键的重复单元组成的高分子化合物，通常由多元醇化合物与二元或多元异氰酸酯反应得到。聚氨酯作为一种新型材料，因其良好的耐水耐油、耐化学腐蚀、耐磨耗、耐射线辐射、高强度、高弹性等性能，被广泛用于制备薄膜、涂料、泡沫、胶合剂和弹性体等。作为新型造纸化学助剂，聚氨酯逐渐被应用于纸张涂布、施胶、纤维改性等方面改善纸张性能。本文在上述三个方面，对近几年聚氨酯类造纸助剂的应用发展概况进行综述。

2、聚氨酯在造纸上的应用

2.1聚氨酯用于纸张涂布

为了满足纸张对外观、印刷及其他特殊用途的需要，可使用涂料对纸张进行涂布处理。胶粘剂占造纸涂料总量的5～20%，对涂料性能和涂布纸质量均有很大影响。苯丙乳液和羧基丁苯乳液是造纸涂料常用的胶粘剂，能够满足一般印刷速度的涂布要求。然而随着高速印刷行业的发展，印刷涂布纸需要更高的表面印刷强度，这对造纸涂料提出了更高要求。对此，有一些学者对水性聚氨酯用做造纸涂料的胶粘剂进行了研究[1]。研究结果表明，聚氨酯胶粘剂能更好的增加颜料粒子之间、颜料和纤维之间的黏结力，从而赋予涂布纸更好的的表面印刷强度，但同时存在油墨吸收性上升、涂布纸光泽度下降的缺陷。为了解决此问题，李佩燚等人[2]提出使用聚氨酯对苯丙乳液进行化学交联改性制备涂料胶粘剂，实验结果表明这样制备的胶粘剂兼顾了二者的优点，苯丙乳液的高光泽度和聚氨酯的强黏结力使涂层的平滑度、印刷表面强度和油墨吸收性明显提高。尚尉等人[3]用咪唑、聚乙二醇600和甲苯-2,4-二异氰酸酯制备封闭型水性聚氨酯，直接用于纸张表面涂布，在涂布量为12g/m2时，纸张的撕裂度、耐折度、抗张强度等物理性能有明显改善，湿抗张指数提高了34.11倍。Shan-ShanJin等人[4]提出用聚二甲基硅氧烷和低分子量六亚甲基二异氰酸酯三聚体合成聚氨酯涂布剂，可以使纸张获得良好的拉伸强度、光泽度、以及热老化后的机械强度稳定性。

2.2聚氨酯用于纸张施胶

在纸上施胶可以提高纸张的抗渗透、平滑度、印刷适应性等性能。水性聚氨酯在其固化过程中形成三维网络结构，易成膜而不发生渗透，作为一种新型的造纸施胶剂成为近年来研究重点。

徐建峰等人[5]将聚氨酯乳液与淀粉溶液混合使用，在聚氨酯含量仅为0.3～1%的情况下便可获得良好的施胶效果。杨志勇等人[6]采用阳离子聚氨酯对木浆、草浆所抄纸进行施胶，结果发现其施胶效果要明显优于烷基烯酮二聚物（AKD）和阳离子松香胶，并且不同于松香类的酸性施胶剂，成纸具有较好的耐碱性，有利于纸张长期保存。杨小敏等人[7]利用甲苯二异氰酸酯和单硬脂酸甘油酯的重键加成反应，成功制备了异氰酸酯基封端的预聚物，然后再进行扩链、中和、乳化等得到自乳化型阳离子聚氨酯乳液，实验结果表明这是一种良好的造纸施胶剂。王小容等人[8]利用二乙醇胺和功能性单体双丙酮丙烯酰胺进行Michael加成反应，合成了含酮羰基的扩链剂，采用自乳化法将酮羰基引入聚氨酯分子中成功合成了可在常温下交联的聚氨酯乳液，然后在乳液中加入己二酸二酰肼作为交联剂，将制备得到的乳液用于纸张表面施胶，纸张性能检测表明此方法制备的温室胶联聚氨酯乳液是一种很好的造纸施胶剂。费贵强等人[9]用聚己内酯二元醇、甲苯二异氰酸酯和二羟甲基丙酸为原料，采用自乳化法制备水性聚氨酯乳液（WPU），并用此聚氨酯乳液与聚乙烯醇（PVA）以及外加交联剂氮丙啶进行复配制得WPU/PVA复合乳液，能兼有WPU胶膜的柔韧性和PVA胶膜的抗拉伸性。研究表明，当复合乳液中WPU含量为75%，此复合乳液具有优异的表面施胶性能，可明显改善特种纸的耐折度和干、湿强度。

2.3聚氨酯用于纤维改性

纸张强度来源于纸张中纤维上羟基之间的氢键结合力，然而氢键结合力的键能较低，且容易与水结合而遭受破坏，所以普通纸张的湿强度一般比较低。纸张的主要成份是纤维，其所含的纤维素、半纤维素和木素有大量羟基结构，可以与异氰酸酯发生氨酯化聚合反应[10]。这为纤维改性提供了新的解决方法：纤维中的羟基在一定条件下与异氰酸酯发生氨酯化反应生成聚氨酯，纤维之间的氢键结合被更加稳定的聚氨酯结构代替，从而增强了纸张的物理强度，特别是湿强度。

谢益民课题组在纤维聚氨酯化改善纸张强度方面做了较多研究：将一定量的溶解甲苯-2,4-二异氰酸酯的四氢呋喃溶液和少量催化剂一起喷洒在纸张的表面上，使纤维发生聚氨酯化反应，结果发现纸张裂断长、耐破度均有明显改善，湿强度提高[11]。王志杰等人做过类似的研究[12]。经过聚氨酯化处理的纸张具有较高强度，但是异氰酸酯（液相）与纤维（固相）反应属于异相反应，效率较低，增强效果有限，而且会促使纸张变脆、柔韧性下降。沈一丁、费贵强课题组在水性聚氨酯材料应用于涂布或表面施胶增强纸张强度方面做了较多研究：以单硬脂酸甘油酯、甲苯-2,4-二异氰酸酯及其它原料反应制备水性聚氨酯，并应用于纸张表面处理，结果纸张强度明显提高[13]。

3、聚氨酯类造纸助剂的发展前景

水性聚氨酯因较好的成膜性、耐磨、耐水耐油性，作为新型造纸化学助剂日益受到重视。然而聚氨酯不易降解，给生态环境安全造成很大危害。因此以淀粉、木素等为天然生物质原料制备可生物降解的聚氨酯材料成为新的研究趋势。木素是自然界中唯一的芳香族天然生物大分子，具有酚羟基、醇羟基等多种活性基团[14]，羟基中的氢原子、羧基中的氢原子、α-H原子、酚羟基邻位和对位上的氢原子，均是活泼氢原子，可以直接单独或者与其它多元醇混合使用制备聚氨酯[15,16,17]，为制备可降解聚氨酯材料提供了一条新思路。目前，木素在聚氨酯中的应用主要体现在聚氨酯泡沫（PUF）、聚氨酯薄膜、聚氨酯胶黏剂、聚氨酯弹性体。孙润仓课题组以玉米芯碱性木素为原料，通过微波液化增加醇羟基含量，然后与异氰酸酯（MDI-50）反应，按照不同的异氰酸酯与羟基基团的比例，制备出了力学性能不同的木素基聚氨酯硬泡材料[18]。周万鹏利用H2O2和甲醛对碱木素进行了连续两步羟基化和胺化改性，将改性后的木素用于聚氨酯薄膜制备，具有较好的拉伸性能和强度性能[19]。以上实验结果表明，使用木素作为多羟基聚合物代替部分聚醚多元醇与异氰酸酯发生反应合成聚氨酯材料，不仅可以制备具有良好强度性能、优异阻隔性能和可降解性的聚氨酯材料，还可以提高资源利用率，拓宽原料来源，降低成本。

4、总结及展望

目前国内对聚氨酯在造纸工业上的应用研究主要集中在纸张涂布、施胶、纤维改性方面等，得到较好的发展，但是也有其缺陷。由于其合成的原材料几乎完全来自石油化学资源，不仅价格昂贵，而且对环境造成巨大压力。因此，利用可再生资源开发环保型聚氨酯已成为聚氨酯类造纸助剂的研究重点。木质素材料因可再生、无毒、可生物降解的特点，被认为是一种潜在的天然化工原料，木素基聚氨酯在造纸工业上的应用会得到更多重视与研究。

参考文献：

[1]杨志勇,谢益民,周燕.聚氨酯技术在造纸工业中的应用[D].2007

[2]李佩燚,王志杰,董现敏.聚氨酯在造纸工业中的应用[J].纸和造纸,2007,26(3):49-51.

[3]尚尉,涂强,孟晓敏.封闭型水性聚氨酯在造纸涂布中的应用研究[J].造纸化学品,2012(3):18-21.

[5]徐建峰,胡惠仁.阳离子水性聚氨酯的制备及其在表面施胶中的应用[J].中国造纸,2009,28(12):44-48.

[6]杨志勇,谢益民,周燕.水性聚氨酯技术在造纸工业中的应用[J].西南造纸,2006,35(1):35-36.

[7]杨小敏,刘建平,沈一丁.阳离子聚氨酯施胶剂的研制及应用实验[J].中国造纸,2002(5):23-26.

[8]王小荣,沈一丁,赖小娟.室温交联型水性聚氨酯的制备及其在造纸中的应用[J].中华纸业,2011,32(8):47-50.

[9]费贵强,王永超,王海花,等.水性聚氨酯/聚乙烯醇复合表面施胶剂在特种纸上的应用[J].功能材料,2014(18):18147-18152.

[11]刘建付.聚氨酯造纸助剂的合成及聚氨酯化的研究[D].山东轻工业学院,2009:32-43.

[12]李佩赕,王志杰,李鸿魁.聚氨酯化改善纸张物理性能的研究[J].中国造纸学报,2006,21(1):39-42.

[13]邹婧.自交联阴离子聚氨酯/聚丙烯酸酯微乳液的制备及与纸基材料的作用机理研究[D].陕西科技大学,2013:21-46.