表面施胶型 AKD乳液的生产工艺控制

邢仁卫 彭翠翠 陈夫山

(1.寿光蔡伦申兴精细化工有限公司,山东寿光,262700;2.青岛科技大学,山东青岛,266042)

表面施胶型 AKD乳液的生产工艺控制

邢仁卫1彭翠翠1陈夫山2

(1.寿光蔡伦申兴精细化工有限公司,山东寿光,262700;2.青岛科技大学,山东青岛,266042)

阐述了AKD乳液型表面施胶剂具体的生产工艺控制,对每步生产工艺均进行了详细的介绍。实践表明,AKD蜡粉的改性过程中需要注意避免其与水的接触,从而避免 AKD水解反应的发生;AKD的熔融需要在密闭环境中进行,避免与空气中水分的接触,只有严格按照生产工艺生产,才能生产出效果良好的AKD表面施胶剂。

表面施胶;AKD乳液;生产;工艺

表面施胶剂主要包括改性淀粉、聚乙烯醇和共聚型产品,而共聚型产品有更好的使用效果,国内外对共聚型产品的开发研究也较多[1-5]。为了适应降低成本、提高瓦楞原纸以及箱纸板的抗水效果,人们将AKD乳液从浆内添加转移到表面施胶,形成一种专门提高抗水性的表面施胶剂。

新型表面施胶型AKD乳液具有很高的熟化速度,应用于高强瓦楞原纸时一般下机 40 min后就达到全部施胶效果的 85%以上,复卷完成后基本上能够达到其全部的抗水效果。这种新型表面施胶型 AKD乳液与浆内添加乳液不同,生产上要严格执行工艺要求,任何一点的差错都有可能得不到合格的产品。本文介绍生产上的几点经验,希望能对提高该种产品的质量有一定的借鉴意义。

1 生产工艺流程

表面施胶型 AKD乳液与浆内添加 AKD乳液不同,需要先对 AKD蜡粉进行改性,后续工艺相似,但是各步骤的要求又不一样,现将大体工艺列出如下:AKD蜡粉改性→改性蜡粉的熔融→乳化剂的加入→高速搅拌→热水的加入→均质→快速冷却→出料,即为产品。

2 生产工艺控制

2.1 AKD蜡粉的改性

AKD即烷基烯酮二聚体,它的分子中有 1个内酯环和 2个烷基侧链,是一种不饱和内酯,熔点为40～50℃,外观为蜡状固体,在 65.5℃以上极易水解生成酮,应在低温下保存,不宜长期存放。AKD的化学结构具有两个特点:①拥有长碳憎液性能的官能团,即起施胶作用的基团;②拥有能与纤维素键合的反应基,能与纤维素发生作用,形成酯基,取得一定的施胶效果,但反应基也能与水反应,生成无施胶作用的水解物,影响施胶效果。根据 AKD的这种结构特点,为了使 AKD熟化速度加快,需要先对其进行改性。所选择的改性剂应满足两个条件,一是具有能够跟 AKD内酯环反应的基团;二是具有阳离子基团,能够跟纤维直接结合。促进 AKD施胶熟化的机理为:能够跟AKD的内酯环反应的基团先跟AK D反应,使其预先酯化,成为抗水基团,表现出施胶效果。在表面施胶时依靠改性剂的阳离子基团吸附于纤维之上,抗水基团朝上翻转,无需再与纤维反应就表现出一定的抗水性,最终表现为施胶的熟化速度加快。

AKD改性中水的影响比较大,在实验室小试验时加入不同量的水进行 AKD改性,制成乳液后进行表面施胶实验,具体结果如图1所示。

图1 AKD改性过程中水分的影响

由于AKD胶粒的反应官能团是内酯环,因此它除与纤维素羟基反应外,还与水发生反应使 AKD水解,最后的水解产物二烷基酮是一种稳定的蜡状固体。这种酮与AKD相比没有施胶效果,最新研究表明[6]:AKD和酮在玻璃表面具有较强的吸附能力,在纤维素表面 AKD有较强的吸附力,而酮则表现出较弱的吸附能力。酮在纤维表面的扩散方式说明它在纤维素表面的分子取向是不适合施胶的。图1说明,水的参与确实会降低 AKD乳液的最终应用效果,因此,蜡粉与改性剂进行反应时必须杜绝水的参与,反应开始阶段将周围环境彻底干燥,反应釜先升温到110℃,同时开动搅拌,将釜内所有的水分蒸干,然后降温到 90℃时加入蜡粉和改性剂,反应 0.5 h后进入下一道工序。

另外,蜡粉与改性剂的反应温度一定要控制在85～90℃,温度过低影响反应速度,浪费蒸汽能源;温度过高又会使副反应增多,不利于 AKD后续的施胶应用。

2.2 改性AKD蜡粉的熔融

熔融温度主要影响最终产品的熟化速度,将改性好的 AKD按不同的熔融温度制得乳液,应用于表面施胶时使纸张在 90℃烘箱中烘 1 min后,测其 Cobb值,具体结果如图2所示。

图2 熔融温度的影响

由图2可以看出,熔融温度控制在 85～90℃比较合适,这不同于普通乳液的生产。普通 AKD乳液生产时,蜡粉的熔融温度控制在 70～75℃,熔融釜大多是敞开式的,直接与外界空气接触。改性蜡粉的熔融温度控制在 85～90℃,主要是为了促进 AKD与改性剂继续反应,反应越充分,使用改性 AKD生产的表面施胶剂的施胶熟化速度就越快。同时为了防止空气中的水分进入,发生多余的副反应,熔融釜要求密闭。

2.3 乳化剂的加入及初始乳液的形成

为了减少AKD水解现象发生,需要蒸发掉乳化剂中的部分水分才能应用。实验室中对乳化剂的固含量进行调整,然后做成乳液,测定 Cobb值,具体结果如图3所示。

图3 乳化剂固含量的影响

图3表明,乳化剂固含量增加,最终产品抗水性增强,但增强不是很明显。为了节约能源、降低生产成本,确定乳化剂固含量需要提高至 35%。这样乳化剂中还存在不少游离水,将乳化剂升温到 75℃后加入熔融釜,开动高速搅拌,约 10 min后即得白色乳液。

2.4 热水的加入

上道工序所得乳液为油包水型乳液,只有加入大量水后才能得到最终的水包水型乳液。将升温到70℃的热水慢慢加入到反应釜中,待 AKD乳液固含量达到 40%时快速加入剩余水,使乳液固含量为28%。在加水过程中一定要将高速搅拌开至最高速,同时反应釜温度一定要维持在 75℃以上。

2.5 均质冷凝

形成稳定的水包水乳液之后,为了进一步降低其粒径,进一步增加稳定性,必须要过两遍均质机。通过工厂试验表明,对于同样性能的高强瓦楞原纸,使用过 2遍均质机的 AKD乳液用量比使用过 1遍均质机的要少约 20%,因为过均质机在减小乳液粒径的同时,使得乳液的粒径变得更小更均匀,比表面积更大。

均质完后就开始冷凝,由于表面施胶型 AKD固含量有 20%、18%、15%、13%几种,上述工序完成后还有部分水没有加入,冷凝前先要迅速加入剩余冷水,然后再通过冷凝片快速冷凝。工厂试验表明,冷凝速度越快,表面施胶剂的效果越好。

2.6 出料

乳液制成后即可出料,出料时要通过 200目的滤网过滤,过滤后的乳液要尽量缓缓的放入储存罐(桶),防止产生气泡。

3 小 结

表面施胶型 AKD乳液不同于浆内添加型乳液,其生产一定不要按照原先的工艺进行。通过实验研究,表面施胶型 AKD生产中值得注意的是:在进行AKD改性时要严格控制反应温度为 85～90℃;密闭操作,严防空气中水分的进入;熔融蜡粉的温度在85～90℃之间;使用高固含量的乳化剂对最终的施胶熟化有一定的贡献;添加热水时注意 AKD的转相过程,添加速度由慢到快,搅拌速度由低到高;最后均质时,最好过 2遍均质机;出料时必须用 200目的滤网进行过滤。上述工艺必须严格执行,否则产品用量就会大增,熟化速度降低。

[1] 靳光秀,沈一丁.苯乙烯马来酸单酯共聚物乳液表面施胶剂的成与应用[J].中国造纸,2004,23(3):5.

[2] 雷永华,应用合成聚合物表面施胶剂提高纸板抗水性的生产践[J].造纸科学与技术,2004,23(4):55.

[3] Furunaga,Toshikatsu,Yamanaka,et al.Surface sizing agent and recording paper comprising same[P].US:6423182,2002-07-23.

[4] Betremieux,Usseaux,Stoph,et al.Hydrophobic cationic dispersions stabilized by low molecularweightmaleimide copolymers forpaper sizing:US,6830657[P].2004-12-04.

[5] Isoqai,Akira.Research topics in internal and surface sizing[J].Japanese Journal of Paper Technology,2004,7:36.

[6] Wei Shen.An experimental investigation of the redistribution behavior of alkylketene dimmers and their corresponding ketenes[J].Colloids and Surface,2003(212):197.

The Control of AKD Surface Sizing Agent Production Technology

X ING Ren-wei1,＊PENG Cui-cui1CHEN Fu-shan2
(1.Shouguang Cailun Shenxing Fine Chem ical Co.,Ltd.,Shouguang,Shandong Province,262700;2.Q ingdao University of Science&Technology,Q ingdao,Shandong Province,266042)

In this article,the control of AKD surface sizing agent production technology,such as the modification of AKD wax requires to keep off the water in order to prevent from hydrolysis;the melting ofAKD requires a close environment to keep off the water in order to prepare an efficientAKD surface sizing agent,was discussed in detail.

surface sizing;AKD emulsion;production;production technology

TS753.9

B

0254-508X(2010)04-0059-03

邢仁卫先生,博士;寿光蔡伦申兴精细化工有限公司造纸化学品研发中心主任;主要研究方向为造纸化学品。

(＊E-mail:xingrenwei007@163.com)

2009-11-26(修改稿)

(责任编辑:马 忻)