一种造纸分散剂星形聚合物的合成及其生产方法.pdf

一种造纸工艺添加剂，具体涉及一种星型聚合物用于造纸分散剂，尤其是用于生活用纸中的分散剂，该分散剂由丙烯酰胺(AM)、丙烯腈(AN)、丙烯酸钠、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐和甲基丙烯酰胺(AAM)五种单体共聚而成。一种生产所述分散剂的方法，其利用水溶液催化剂法产生自由基从而使单体发生聚合。本发明的分散剂具有粘度高、水溶性好、溶解速度快、絮凝性好和润滑性好的特点。

1、  一种用于造纸工艺的分散剂，其特征在于：所述分散剂由丙烯酰胺(AM)、丙烯腈(AN)、丙烯酸钠、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐和甲基丙烯酰胺(AAM)五种单体共聚而成。

2、  如权利要求1所述的分散剂，其特征在于：在共聚过程中各单体与水的重量配比为：
(a)25至35重量％的丙烯酰胺；
(b)20至25重量％的丙烯酸钠；
(c)1至3重量％的丙烯腈(AN)；
(d)5至8重量％的2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐；
(e)2至5重量％的甲基丙烯酰胺(AAM)；
(f)余量为水。

3、  一种生产权利要求1所述分散剂的方法，其包括如下步骤：
(1)选定丙烯酰胺(AM)、丙烯腈(AN)、丙烯酸钠、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐和甲基丙烯酰胺(AAM)五种单体按照一定比例进行配比；
(2)将上述配比好的单体放入蒸馏水中进行溶液的配制；
(3)调整溶液的pH值和温度，使pH值在6.5±0.5，所述温度为15±1℃；
(4)将配制好的单体溶液加入反应容器中，向配制好的单体溶液吹氮气进行保护20分钟，然后向溶液中加入催化剂，诱发15-20分钟以产生自由基，从而使单体发生聚合。

4、  如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述五种单体与水的重量比为：
丙烯酰胺(AM)：30％；
丙烯酸钠(AAN)：22％；
丙烯腈(AN)：2％；
2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐(AMPS)：7％；
甲基丙烯酰胺(AAM)：3％；
水：36％。

5、  如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述催化剂为过硫酸盐或过氧化物；或者为过硫酸盐或过氧化物与还原剂一起组成氧化还原体系；或者为偶氮化合物；所述催化剂也可以由上述催化剂类型中的两种或更多种催化剂组成。

6、  如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述过硫酸盐为过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠中的一种或几种；所述过氧化物为过氧化氢、过氧化苯、甲酰和叔丁基过氧化物中的一种或几种；所述还原剂为亚硫酸盐、亚硫酸氢盐、低价金属盐、有机胺中的一种或几种；所述偶氮化合物为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、偶氮二异丁基脒盐酸盐中的一种或几种。

7、  如权利要求3所述的方法，其特征在于：催化剂的量为单体重量的0.001-3％。

一种造纸分散剂星形聚合物的合成及其生产方法
技术领域
本发明涉及一种造纸工艺添加剂，具体涉及一种星型聚合物用于造纸分散剂，尤其是用于生活用纸中的分散剂，以及所述分散剂的生产方法。
背景技术
随着中国经济持续高速发展以及人们生活水平的不断提高，消费者对生活用纸的要求也越来越高。全球每年大约消费3000万吨生活用纸，人均消费大约为3.4公斤。欧美等发达国家的人均生活用纸消费量则远高于平均水平，其中北美、北欧地区的人均消费生活用纸量已经超过了20公斤。
我国生活用纸市场的增长已成为全球关注的焦点之一。随着我国人均可支配收入的增长和生活节奏的加快，生活用纸需求量将不断扩大。据预测，未来5年我国的增长量会占到全球的一半，而其中高档生活用纸产品将成为市场的主流。
目前卫生纸在我国的消费量大概是每年400万吨，美国大概是800万吨，欧洲大概是800多万吨。近期在我国有160万吨卫生纸的增长需求，都是高档用纸。在未来几年里我国卫生用纸的消费预计将以每年8％左右的速度增长。
在生活用纸生产中纸浆分散剂也是提高产品质量不可缺少的一种化学助剂之一。要求分散剂具有粘度高、水溶性好、絮凝性好和润滑性好的特点，在上网浆料中添加少量的分散剂，可明显提高纸页的匀度，达到改善纸页柔软度和手感的目的。
目前我国聚合物分散剂有聚氧化乙烯(PEO)、阴离子聚丙烯酰胺。而聚氧化乙烯分散性好但是价格高。进口的要8万多每吨，现在国产化的PEO也要在5-6万元之间，这样提高了单吨纸的制造成本。聚丙烯酰胺相对PEO来讲价格便宜，经济适用，然而用于造纸分散剂的聚丙烯酰胺大部分是由丙烯酰胺和丙烯酸钠两种单体共聚而得到的，技术完善的企业可以使用部分共聚部分后水解工艺来实现。生产出的产品溶解速度较慢，一般是60-90分钟才能溶解，而且存在不溶物，使用起来影响成品纸的质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于造纸中的星型聚合物分散剂，该分散剂具有粘度高、水溶性好、溶解速度快、絮凝性好和润滑性好的特点。
本发明的另一个目的在于提供一种生产上述分散剂的方法。
本发明的分散剂是由丙烯酰胺(AM)、丙烯腈(AN)、丙烯酸钠、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐和甲基丙烯酰胺(AAM)五种单体共聚而成。
本发明各单体与水的重量百分比组成为：
(a)25至35重量％的丙烯酰胺；
(b)20至25重量％的丙烯酸钠；
(c)1至3重量％的丙烯腈(AN)；
(d)5至8重量％的2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐；
(e)2至5重量％的甲基丙烯酰胺(AAM)；
(f)余量为水。
更优选地是，各单体与水的最佳重量百分比组成为：
丙烯酰胺(AM)：30％
丙烯酸钠(AAN)：22％
丙烯腈(AN)：2％
2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐(AMPS)：7％
甲基丙烯酰胺(AAM)：3％
水：36％
丙烯酰胺(AM)、丙烯腈(AN)、丙烯酸钠、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐和甲基丙烯酰胺(AAM)五种单体共聚可以形成带侧基的直链结构的聚合物。2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐的引入可以使得这种聚合物的溶解速度，由原来的60-90分钟提快到40-60分钟。甲基丙烯酰胺和2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐带有侧基使得聚合物与纸浆纤维充分接触，分子的尾翼相互缠结缔合，缔合成片状大分子，在与纸浆纤维混合后，其侧面游动的侧翼会有效地抓捕纤维，使得纤维成为有序排列，从而达到有效分散。
一种生产上述分散剂的方法，其包括如下步骤：
(1)选定丙烯酰胺(AM)、丙烯腈(AN)、丙烯酸钠、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐和甲基丙烯酰胺(AAM)五种单体按照一定比例进行配比；
(2)将上述配比好的单体放入蒸馏水中进行溶液的配制；
(3)调整溶液的pH值和温度，使溶液的pH值在6.5±0.5，所述温度为15±1℃；
(4)以水溶液催化剂法产生自由基使上述单体发生聚合。
所述水溶液催化剂法也就是指在分散剂的合成过程中，向配制好的单体溶液吹氮气进行保护20分钟，然后向溶液中加入催化剂，诱发10-15分钟以产生自由基，从而使单体发生聚合。其合成过程可设想为以下分子模式：
在以水溶液聚合的过程中需对溶液吹氮气20分钟，以除去水中的溶解氧，然后在氮气的保护下加入催化剂，停止吹氮气并将聚合釜密闭，诱发10-15分钟，观察是否有温升，当诱发期内有2℃的温升，视为引发成功，否则需要重新加入催化剂再次引发。在保温密闭条件下直至升温结束，保温3小时。
本发明的引发起始温度控制在10-20℃范围之内。优选的起始温度是15±1℃。pH值控制在6.0-7.5之间。pH碱性调解剂主要有氢氧化钠、碳酸钾、氨水。pH酸性调节剂主要有磷酸、硫酸、盐酸、乙酸。优选的pH值控制在6.5±0.5。
对于所述催化剂没有特别限制。聚合催化剂的氧化剂为过硫酸盐或过氧化物，例如过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠、过氧化氢、过氧化苯甲酰或叔丁基过氧化物。本发明中可以使用氧化剂与还原剂一起组成氧化还原体系，所述还原剂可为亚硫酸盐、亚硫酸氢盐、低价金属盐、有机胺等。
偶氮化合物也是本发明优选的催化剂之一，适用的典型偶氮化合物有偶氮二异丁腈(AZDN)、偶氮二异庚腈(V65)、偶氮二异丁基脒盐酸盐(V50)等。可以同时使用两种或两种以上上述催化剂，催化剂的量一般为单体的0.001-3％重量。
本发明的分散剂适用于造纸助剂中的分散剂，是一种粘度高、水溶性好、溶解速度快、絮凝性和润滑性好的星型高分子聚合物。其主要特点是溶解速度快可以节约溶解时间提高纸机速度从而提高产量；产品絮凝性好和润滑性好生产的卫生纸手感好、分散性好使得成品纸无洞眼、粘度高单吨纸用量少等特点。
具体实施方式
下面将根据具体的实施例对本发明的分散剂及其生产过程做详细的说明。
实施例1
各单体与水的重量百分比：AM:AAN:AN:AMPS:AAM:H₂O＝30：22：2：7：3：36。
溶液的配制：在2000ml烧杯中加入蒸馏水360g，加入AM单体300g，AAN单体220g，加入AN单体20g，加入AMPS单体70g，加入AAM单体30g，搅拌溶解30分钟，在搅拌条件下缓慢加入中和剂(氢氧化钠)至pH6.5。继续搅拌溶液熟化30分钟。
溶液的调整：再次调节pH值到6.5±0.5，调节温度15±1℃。
溶液的聚合：吹氮气除氧20分钟，在氮气保护下依次加入催化剂V650.5g/L，V500.05g/L，过硫酸铵0.03g/L，甲醛合次硫酸氢钠0.03g/L，停止吹氮气并将聚合釜密闭，诱发15-20分钟，观察是否有温升，当诱发期内有2℃的温升，视为引发成功，否则需要重新加入催化剂再次引发。在保温密闭条件下直至升温结束，保温3小时。
产品的后处理：将已聚合好的胶体进行造粒，烘干，粉碎成30目，编号为F-1等候检测。
实施例2
各单体与水的重量百分比：AM:AAN:AN:AMPS:AAM:H₂O＝25：20：1：5：2：47。
溶液的配制：在2000ml烧杯中加入蒸馏水470g，加入AM单体250g，加入AAN单体200g，加入AN单体10g，加入AMPS单体50g，加入AAM单体20g，搅拌溶解30分钟，在搅拌条件下缓慢加入中和剂(氢氧化钠)至pH6.5。继续搅拌溶液熟化30分钟。
溶液的调整：再次调节pH值到6.5±0.5，调节温度15±1℃。
溶液的聚合：吹氮气除氧20分钟，在氮气保护下依次加入催化剂V650.4g/L，V500.04g/L，过硫酸铵0.03g/L，甲醛合次硫酸氢钠0.03g/L，停止吹氮气并将聚合釜密闭，诱发15-20分钟，观察是否有温升，当诱发期内有2℃的温升，视为引发成功，否则需要重新加入催化剂再次引发。在保温密闭条件下直至升温结束，保温3小时。
产品的后处理：将已聚合好的胶体进行造粒，烘干，粉碎成30目，编号为F-2等候检测。
实施例3
各单体与水的重量百分比：AM:AAN:AN:AMPS:AAM:H₂O＝35：20：1：5：2：37。
溶液的配制：在2000ml烧杯中加入蒸馏水370g，加入AM单体350g，加入AAN单体200g，加入AN单体10g，加入AMPS单体50g，加入AAM单体20g，搅拌溶解30分钟，在搅拌条件下缓慢加入中和剂(氢氧化钠)至pH6.5。继续搅拌溶液熟化30分钟。
溶液的调整：再次调节pH值到6.5±0.5，调节温度15±1℃。
溶液的聚合：吹氮气除氧20分钟，在氮气保护下依次加入催化剂V650.6g/L，V500.06g/L，过硫酸铵0.04g/L，甲醛合次硫酸氢钠0.04g/L，停止吹氮气并将聚合釜密闭，诱发15-20分钟，观察是否有温升，当诱发期内有2℃的温升，视为引发成功，否则需要重新加入催化剂再次引发。在保温密闭条件下直至升温结束，保温3小时。
产品的后处理：将已聚合好的胶体进行造粒，烘干，粉碎成30目，编号为F-3等候检测。
实施例4
各单体与水的重量百分比：AM:AAN:AN:AMPS:AAM:H₂O＝25：25：3：8：5：34。
溶液的配制：在2000ml烧杯中加入蒸馏水340g，加入AM单体250g，加入AAN单体250g，加入AN单体30g，加入AMPS单体80g，加入AAM单体50g，搅拌溶解30分钟，在搅拌条件下缓慢加入中和剂(氢氧化钠)至pH6.5。继续搅拌溶液熟化30分钟。
溶液的调整：再次调节pH值到6.5±0.5，调节温度15±1℃。
溶液的聚合：吹氮气除氧20分钟，在氮气保护下依次加入催化剂V650.8g/L，V500.08g/L，过硫酸铵0.05g/L，甲醛合次硫酸氢钠0.05g/L，停止吹氮气并将聚合釜密闭，诱发15-20分钟，观察是否有温升，当诱发期内有2℃的温升，视为引发成功，否则需要重新加入催化剂再次引发。在保温密闭条件下直至升温结束，保温3小时。
产品的后处理：将已聚合好的胶体进行造粒，烘干，粉碎成30目，编号为F-4等候检测。
实施例5
各单体与水的重量百分比：AM:AAN:AN:AMPS:AAM:H₂O＝30：20：1：5：2：42。
溶液的配制：在2000ml烧杯中加入蒸馏水420g，加入AM单体300g，加入AAN单体200g，加入AN单体10g，加入AMPS单体50g，加入AAM单体20g，搅拌溶解30分钟，在搅拌条件下缓慢加入中和剂(氢氧化钠)至pH6.5。继续搅拌溶液熟化30分钟。
溶液的调整：再次调节pH值到6.5±0.5，调节温度15±1℃。
溶液的聚合：吹氮气除氧20分钟，在氮气保护下依次加入催化剂V650.5g/L，V500.04g/L，过硫酸铵0.02g/L，甲醛合次硫酸氢钠0.02g/L，停止吹氮气并将聚合釜密闭，诱发15-20分钟，观察是否有温升，当诱发期内有2℃的温升，视为引发成功，否则需要重新加入催化剂再次引发。在保温密闭条件下直至升温结束，保温3小时。
产品的后处理：将已聚合好的胶体进行造粒，烘干，粉碎成30目，编号为F-5等候检测。
上述实施例主要聚合催化剂配方汇总(如表1)。
表1

其中，AO1为过硫酸铵，NFS为甲醛合次硫酸氢钠
对上述实施例产品进行基本性能检测(结果如表2)。
表2