秦 影 傅英娟 邵志勇 吴倩倩
(齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术教育部重点实验室,山东济南,250353)
·有机微粒助留助滤体系·
阴离子树枝状聚酰胺-胺在有机微粒助留助滤体系中的应用
秦 影 傅英娟*邵志勇 吴倩倩
(齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术教育部重点实验室,山东济南,250353)
通过碱性水解将端酯基的半代树枝状聚酰胺-胺(Gn.5PAMAM)改性为外层基团为羧酸钠的阴离子树枝状聚酰胺-胺(A-Gn.5PAMAM),并通过红外光谱进行了结构表征。将A-Gn.5PAMAM作为有机阴离子微粒组分与星形阳离子聚丙烯酰胺(S-CPAM)及阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)组成有机微粒助留助滤体系,系统地研究了该有机微粒体系对漂白旧报纸脱墨浆的助留助滤效果。结果表明,S-CPAM(CPAM)-(A-Gn.5PAMAM)有机微粒体系对纸料具有较好的助留助滤作用效果;高代数的A-Gn.5PAMAM对纸料小絮块的絮聚能力优于低代数产物;该有机微粒助留助留体系可以适应较宽的pH值范围,且抵抗高剪切作用的能力较强。研究同时表明,A-Gn.5PAMAM有机阴离子微粒与膨润土无机阴离子微粒具有很好的协同作用。
树枝状聚酰胺-胺;端基功能化;阴离子有机微粒;助留助滤;有机微粒助留助滤体系
随着造纸工业的迅猛发展,助留助滤技术面临着诸如高车速、白水封闭循环、高灰分、新型填料、低成本及提高纸机效率等方方面面的挑战。适宜助留助滤体系的选择要全面考虑其对最终产品质量的影响,对剪切力的抵抗性,对水循环系统的适应性,以及是否方便操作等。相比于其他助留助滤体系,微粒体系可以获得更好的填料留着、纸料滤水和纸张成形[1]。在微粒助留助滤剂作用下形成的小而紧密的絮聚体,可以紧紧吸附在浆料组分上,产生一个更开放和均匀的纸张结构[2]。然而,虽然传统的微粒助留助滤体系已经在造纸湿部得到了广泛的应用,但目前的研究工作仍需致力于更好地理解助留助滤体系的作用机理及其对纸张性能的影响,以及开发新的微粒体系或新的助留助滤剂[3-5]。
微粒助留助滤体系发挥作用的关键是微粒组分[1]。目前应用最广泛的是胶体硅、膨润土等无机阴离子微粒[1,6],而有机阴离子微粒仍未得到广泛使用。有机微聚物可以结合有机高分子聚合物和无机微粒两者的优势,既具有柔性的分子链、可控的电荷密度和功能基,又具有理想无机微粒的离子化表面和三维纳米结构[7],有望成为更加有效的助留助滤体系中的微粒组分。当前开发的阴离子有机微粒均是支化的或交联的聚合物[8-10]。如:利用反相微乳液聚合技术合成的阴离子水溶性纤丝状微网络聚合物具有纳米尺度、三维结构、柔韧的聚合物链段、链束、链尾和链圈以及可控的电荷,比无机微粒体系具有更好的助留和助滤性能[11-12]。研究表明,有机微粒与无机微粒协同作用可以使湿部过程更容易控制,且取得成纸光学性能、抗张强度和透气度的较好平衡[13]。
树枝状大分子是由重复增长反应合成而来的高度支化且结构精确的分子,其本身具有纳米尺寸和较大的比表面积,外层聚集大量的端基官能团。通过对端基官能团的改性可以获得具有不同用途的产品[14]。Ottaviani等人[15]在甲醇中采用氢氧化钠对甲酯末端基的树枝状大分子进行水解,得到了外部官能团为羧酸钠的树枝状大分子。这种以羧酸盐为末端基的具有阴离子表面的半代树枝状大分子代表了一类新型的阴离子聚电解质[16]。低代数的树枝状大分子拥有开放的表面结构且分子呈不对称的蝶形,而第5代及更高代数的树枝状大分子拥有更封闭、紧密的表面结构,几乎呈球状[14,17-18],非常适于用作微粒助留助滤体系中的微粒组分。但目前尚未有将阴离子树枝状大分子用作有机阴离子微粒的报道。本课题将较高代数的端基为—COOCH3的半代树枝状聚酰胺-胺(Gn.5PAMAM)进行端基修饰,使其具有聚酰胺-胺树形核和以—COONa 为端基的外壳,因而表面呈阴离子性;并将不同代数的阴离子树枝状聚酰胺-胺(A-Gn.5PAMAM)作为有机阴离子微粒组分,与星形阳离子聚丙烯酰胺(S-CPAM)、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)组成有机微粒助留助滤体系,研究了其对漂白旧报纸脱墨浆的作用效果;同时对阴离子有机微粒与阴离子无机微粒的协同作用进行了研究,旨在开发一种新型的有机阴离子微粒。
1.1 实验原料
漂白旧报纸脱墨浆取自山东华泰集团,打浆度37°SR;端酯基半代树枝状聚酰胺-胺(Gn.5PAMAM)和S-CPAM为实验室自制,S-CPAM的阳电荷密度为2.75 mmol/g,特性黏度为157.5 mL/g;CPAM由北京天使专用化学技术有限公司提供,阳离子度为20%,相对分子质量为500万;沉淀碳酸钙取自济南银星纸业有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 A-Gn.5PAMAM的制备
称取一定量的Gn.5PAMAM于平底烧瓶中,加入适量蒸馏水溶解。将等物质的量的氢氧化钠用少量蒸馏水溶解后,加入平底烧瓶中与Gn.5PAMAM混合,并用蒸馏水调节至所需的反应浓度。在室温、磁力搅拌下反应24 h后,反应物经旋转蒸发,得到淡黄色黏稠物。用乙醚洗涤数次,置于真空干燥箱中干燥,得淡黄色固体粉末,即为A-Gn.5PAMAM。
1.2.2 A-Gn.5PAMAM的红外光谱分析
采用德国Bruker Tensor 27傅里叶变换红外光谱仪对制得的A-Gn.5 PAMAM进行红外光谱分析。
1.2.3 A-Gn.5PAMAM电荷密度的测定
用去离子水将A-Gn.5PAMAM配成所需浓度的溶液,用氢氧化钠或盐酸调节至不同的pH值,每次取10 mL,以聚二甲基二烯丙基氯化铵(P-DADMAC)为标准聚阳离子溶液,采用Mütek PCD- 03电荷分析仪测定其电荷密度。
1.2.4 纸料动态助留助滤实验
利用Britt动态滤水仪(Dynamic Drainage Jar,200目)和722分光光度计配合,测定添加20%沉淀碳酸钙的漂白旧报纸脱墨浆的首程留着率及滤水性能。首先配制出不同浓度的浆料滤液,用722型光栅分光光度计在500 nm波长下测定其透光度,做出滤液浓度与透光度的回归曲线。
每次取500 mL浓度为0.48%、含有20%沉淀碳酸钙的漂白旧报纸脱墨浆料,加入Britt动态滤水仪的1000 mL脱水桶中,在750 r/min的搅拌速度下加入一定量的S-CPAM和CPAM,15 s后将转子转速提高至1500 r/min,混合30 s后将转速调至750 r/min,加入A-Gn.5PAMAM,搅拌30 s后打开排水阀收取滤液,并用秒表记录最初100 mL滤液滤出所需的时间。用722型光栅分光光度计在500 nm波长下测得滤液的透光率,根据透光度-滤液浓度回归曲线换算得出滤液的浓度。
单程留着率(%)=(1-滤液浓度/浆料浓度)×100%
滤水速率(mL/s)=100/滤液滤出时间
2.1 A-Gn.5PAMAM的制备与表征
Gn.5PAMAM的外层末端基为—COOCH3,其在酸或碱性条件下非常容易水解。但酯的水解反应是可逆反应,而碱除了起催化作用外,还能与水解产物中的酸发生反应使反应平衡向水解方向进行,因此利用氢氧化钠为催化剂,使Gn.5PAMAM的外层末端基—COOCH3水解为—COONa,制备了A-Gn.5PAMAM。表1为碱性水解条件对A-Gn.5PAMAM得率的影响。表1表明,提高碱性水解温度或延长反应时间,产物A-Gn.5PAMAM的得率有所提高。可见,虽然Gn.5PAMAM在碱催化作用下容易发生水解,但是由于高代数的树枝状聚酰胺-胺分子呈对称的球形结构,外围末端基—COOCH3呈紧密排列,会对酯的水解反应产生位阻效应,适当提高反应温度或延长反应时间均可提高水解反应的速率,增加产物的得率。G3.5PAMAM、G4.5PAMAM、G5.5PAMAM和G6.5-PAMAM在55℃条件下,碱性水解24 h后所得产物A-Gn.5PAMAM的得率分别达到94.1%、93.3%、93.9%和93.7%。
表1 碱性水解条件对A-Gn.5PAMAM得率的影响
图1 G5.5PAMAM与A-G5.5PAMAM的红外光谱图
A-Gn.5PAMAM的外层末端基—COONa使其表面呈阴离子性。不同酸碱体系下,A-Gn.5PAMAM的阴电荷密度见表2。由表2可以看出,在相同的pH值条件下,随着A-Gn.5PAMAM代数的增加,其表面阴电荷密度逐渐升高。这是由于A-Gn.5PAMAM的表面电荷密度与其端基数量密切相关。G4.5PAMAM、G5.5PAMAM和G6.5PAMAM的理论外层端基数分别为64、128和256,因此高代数的A-Gn.5PAMAM具有更高的阴电荷密度。而且,利用胶体滴定法对A-Gn.5PAMAM的表面电荷密度进行测定时,只有外围的—COONa基团发生作用,因此A-Gn.5PAMAM的阴电荷密度还可以间接表示其端基数量。
表2还表明,随着体系pH值的升高,A-Gn.5-PAMAM的阴电荷密度呈升高的趋势。说明A-Gn.5-PAMAM可以用作微粒助留助滤体系中的有机阴离子微粒,并可望在碱性纸张抄造体系中发挥更好的作用。
表2 体系pH值对A-Gn.5PAMAM的阴电荷密度的影响 mmol/g
2.2 A-Gn.5PAMAM与S-CPAM(CPAM)组成有机微粒助留助滤体系
不同代数的A-Gn.5PAMAM与S-CPAM(CPAM)组成的有机微粒助留助滤体系对漂白旧报纸脱墨浆的作用效果见表3。由表3可以看出,A-Gn.5PAMAM作为阴离子有机微粒与S-CPAM(CPAM)组成的有机微粒体系,在提高纸料单程留着率的同时,可以明显改善漂白旧报纸脱墨浆的滤水性能。由支化结构的S-CPAM和高相对分子质量的CPAM组成的阳离子高相对分子质量聚合物组分先加入到纸料中,通过桥联机理引起纸料组分间的初始絮聚,所形成的絮聚体在高剪切作用下重新分散成小絮块,并暴露出很多阳离子吸附点,而加入带负电荷的、具有纳米尺寸、呈类球形结构的A-Gn.5PAMAM后,A-Gn.5PAMAM与阳离子吸附点作用,并可进入到S-CPAM或CPAM分子的链圈、链尾之间,将小絮块重新连接起来,絮聚成结构紧密的微絮聚体,达到良好的助留和助滤效果。
表3 有机微粒助留助滤体系对纸浆的作用效果
注aS-CPAM用量为0.1%;bCPAM用量为0.05%;cS-CPAM和CPAM用量分别为0.05%、0.025%。有机微粒组分A-Gn.5PAMAM的用量均为0.4%。
图2 A-Gn.5PAMAM用量对有机微粒助留助滤体系作用效果的影响
图3 剪切力对有机微粒助留助滤体系作用效果的影响
由表3还可以看出,在相同条件下,A-G6.5PAMAM的作用效果明显好于A-G5.5PAMAM。这是由于理论上A-G6.5PAMAM的外层具有256个—COONa,是A-G5.5PAMAM端基数量的2倍,而且高代数A-Gn.5PAMAM的分子尺寸相对较大,因此对分散成小絮块的浆料具有更好的絮聚能力。
对于微粒助留助滤体系,目前普遍认为的作用机理是桥联-微絮聚机理。而影响微絮聚的关键因素是聚合物的电荷密度、微粒子的形状和表面化学,以及应用条件如助剂的加入次序、纤维表面电荷、电导率、阳电荷需求量及剪切作用等。实验对S-CPAM(CPAM)-(A-Gn.5PAMAM)有机微粒助留助滤体系的影响因素进行了研究,其中S-CPAM和CPAM用量分别为0.05%和0.025%。
2.2.1 A-Gn.5PAMAM用量的影响
A-Gn.5PAMAM用量对有机微粒体系的助留助滤作用效果的影响见图2。由图2可见,漂白旧报纸脱墨浆的单程留着率和滤水性能随着A-Gn.5PAMAM用量的增加而逐渐提高。当A-G6.5PAMAM的用量为0.4%时,纸料的单程留着率和滤水速率分别为88.6%和7.33 mL/s,助留助滤效果最好。而继续增加A-Gn.5PAMAM用量,助留效果又有所降低。这说明,随着A-Gn.5PAMAM用量的增加,与小絮块表面暴露出的阳离子吸附点作用的球形分子数量增加,纸料重新絮聚的程度提高。而如果A-Gn.5PAMAM的用量过大,则会使小絮块间产生排斥力而不利于小絮块重新凝聚成微絮聚体。而低代数的A-Gn.5PAMAM由于分子尺寸较小,絮聚能力较弱,且分子表面端基数较少,要达到最佳作用效果所需要的量更多。
2.2.2 系统剪切作用的影响
随着纸机车速的提高,纸料在纸机的流送、进浆、上网及脱水过程中所受到的剪切作用力也随之加大,这就要求助留助滤体系具有一定的抵御剪切作用的能力。通过改变DDJ转子转速来模拟剪切力的变化,研究了加入A-Gn.5PAMAM后纸料所形成的微絮聚体受剪切作用的影响情况,实验结果见图3。由图3可以看出,随着搅拌转速的不断提高,漂白旧报纸脱墨浆的单程留着率和滤水速率逐渐降低。由于加入的有机阴离子微粒A-Gn.5PAMAM主要以电荷中和机理引发被分散成小絮块的纸料重新絮聚。因此在系统高剪切作用下,纸料絮聚碎块间的解聚速度要高于凝聚速度,从而影响微絮聚的形成,导致助留助滤效果下降。但该体系在高剪切作用下仍具有一定的作用效果。
图4 作用时间对有机微粒助留助滤体系作用效果的影响
图5 pH值对有机微粒助留助滤体系作用效果的影响
图6 A-Gn.5PAMAM与膨润土的协同作用效果
A-Gn.5PAMAM作为阴离子有机微粒加入到被重新分散的纸料中后的作用时间对有机微粒体系作用效果的影响见图4。由图4可以看出,加入纸料后,A-Gn.5PAMAM可以迅速与纸料小絮聚块作用,将其重新絮聚起来,起到助留和助滤作用。而随着A-Gn.5PAMAM作用时间的延长,漂白旧报纸脱墨浆的单程留着率和滤水速率有所降低,但降低的幅度不大。可见,该有机微粒体系可以抵抗系统的剪切作用。
2.2.3 浆料系统pH值的影响
浆料系统的pH值不但影响聚合物的表面电荷和分子构象,对纸料组分的表面电荷也有一定影响,从而会影响助留助滤体系的作用效果。A-Gn.5PAMAM与S-CPAM(CPAM)组成的有机微粒体系在不同pH值条件下的助留助滤作用效果见图5。图5表明,该有机微粒助留助滤体系在中、碱性体系中具有较好的作用效果。浆料体系pH值对该有机微粒体系的影响比较复杂。一方面,随着pH值的升高,纸机微粒A-Gn.5PAMAM表面羧基的电离程度增强而有利于纸料组分的留着和浆料的滤水。另一方面,酸端基系列树枝状聚合物在不同pH值溶液中的流体力学半径变化显著。如Newkome等人[19]的研究发现,pH值对酸端基树枝形聚合物的形态有很大影响,酸端基的树枝形聚合物在pH值中性条件下的流体力学半径最大。而随着体系pH值的升高,虽然有利于A-Gn.5PAMAM外层端基羧基的离子化,但同时其球形分子内部的胺基不能发生质子化会使分子各分支之间不能相互排斥以利于分子膨胀,A-Gn.5PAMAM分子的流体力学半径下降,不利于其絮聚作用。另外,随着pH值的升高,纸料组分表面羧基的电离程度增强会不利于纸料的留着和滤水效果,且S-CPAM和CPAM的阳电荷密度也会随着pH值的升高而有所降低,减少可暴露出的阳离子吸附点数量,因此该有机微粒助留助滤体系在pH值较高体系中的作用效果会受一定影响。
2.3 阴离子有机微粒A-Gn.5PAMAM与无机微粒的协同作用
将有机微粒与无机微粒结合使用,可以充分发挥各自的特性,有效地实现助留作用,并保证纸料较好的滤水性和纸张的匀度[13]。因此实验研究了具有纳米尺寸类球形结构的A-Gn.5PAMAM有机微粒与盘状的膨润土无机微粒之间的协同作用效果,实验结果见图6。
由图6可以看出,当A-Gn.5PAMAM与膨润土协同作为微粒助留助滤体系的阴离子微粒组分时,漂白旧报纸脱墨浆的单程留着率和滤水速率要好于两者各自单独的作用效果。当A-Gn.5PAMAM和膨润土的用量分别为0.2%、0.25%,S-CPAM与CPAM用量分别为0.05%和0.025%时,漂白旧报纸脱墨浆的单程留着率和浆料的滤水速率可达到91.9%和7.76 mL/s,A-Gn.5PAMAM与膨润土之间具有良好的协同作用。
3.1 采用碱性水解的方法可以将端酯基的半代树枝状聚酰胺-胺(Gn.5PAMAM)转化为端基为—COONa的阴离子树枝状聚酰胺-胺(A-Gn.5PAMAM),其在溶液中表面呈阴离子性,且随着代数的增加以及体系pH值的升高,其表面阴电荷密度逐渐升高。
3.2 A-Gn.5PAMAM可以作为阴离子有机微粒组分与星形阳离子聚丙烯酰胺(S-CPAM)、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)组成有机微粒助留助滤体系,提高漂白旧报纸脱墨浆的单程留着率和滤水性能。高代数的A-Gn.5PAMAM对小絮块的絮聚能力优于低代数的A-Gn.5PAMAM。
3.3 A-Gn.5PAMAM与S-CPAM(CPAM)组成的有机微粒助留助留体系在中碱性范围内具有良好的助留助滤作用效果。应用体系中的高剪切作用会影响该有机微粒体系的作用效果,但在较高的剪切作用下该体系仍具有一定的助留助滤作用。
3.4 有机微粒与无机阴离子微粒具有良好的协同作用。A-Gn.5PAMAM与改性膨润土共同与S-CPAM(CPAM)组成的微粒助留助滤体系对漂白旧报纸脱墨浆具有更好的助留助滤作用。
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(责任编辑:刘振华)
Application of Anionic PAMAM Dendrimers in Organic Retention and Drainage System
QIN Ying FU Ying-juan*SHAO Zhi-yong WU Qian-qian
(KeyLabofPulp&PaperScienceandTechnologyofMinistryofEducation,QiluUniversityofTechnology,Ji’nan,ShandongProvince, 250353)
(*E-mail: fyingjuan@163.com)
The anionic PAMAM dendrimers were obtained through hydrolyzing the ester-terminated groups of Gn.5PAMAM in NaOH solution, the structure of obtained A-Gn.5PAMAM was characterized by FT-IR. The A-Gn.5PAMAM of different generations were used as organic anion microparticles for the microparticle retention and drainage system of the bleached deinked ONP. The results showed that the A-Gn.5PAMAM combined with S-CPAM and CPAM could provide higher furnish retention, and the efficiency of higher generation of A-Gn.5PAMAM was higher than that of the lower one. The S-CPAM (CPAM)/A-Gn.5PAMAM system could adapt to a broad pH range, and the retention and drainage system had better shearing resistance. It also found that the A-Gn.5PAMAM had a strong synergetic effect with bentonite as anionic particulate in the microparticle retention and drainage aid system.
polyamidoamine dendrimer; modification of terminal group; anonic organic particulate; retention and drainage; organic microparticle retention and drainage aid system
秦 影先生,本科在读;研究方向:植物纤维资源全组分高值化利用及纤维素基功能材料。
2016-11- 05(修改稿)
山东省科技发展计划(2011GGX10802);山东省自然科学基金(ZR2012CM021)。
TS727+.2
A
10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.04.004
*通信作者:傅英娟,教授;研究方向:植物纤维资源全组分高值化利用及纤维素基功能材料。