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本文作者：劉軍海代紅靈王俊宏作者單位：陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院

碳酸鈣用于造紙工業(yè)，能有效地提高紙的白度和不透明度，改進(jìn)紙的平滑度、柔軟度，改善油墨的吸收性能。但碳酸鈣雖然很細(xì)，在使用前常常處于聚集狀態(tài)，很難直接分散在水中，所以一般都需要加入分散劑來(lái)降低表面張力，或者在研磨時(shí)進(jìn)行改性，使得碳酸鈣能穩(wěn)定地分散在水中[1～4]。樹(shù)枝狀大分子是指通過(guò)支化基元（如多官能基單體）逐步重復(fù)反應(yīng)得到的，具有樹(shù)枝狀高度支化結(jié)構(gòu)的大分子。它具有三維的分子結(jié)構(gòu)和大量的官能團(tuán)，還具有溶解性好、黏度低、反應(yīng)性活潑等特點(diǎn)，而且原料不需要特別精制，很適合工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用，是近年來(lái)發(fā)展迅速的一類(lèi)新型合成高分子[5]。根據(jù)樹(shù)枝狀大分子的這些性能特點(diǎn)以及參考碳酸鈣的一些改性方法[6～8]，本文將合成的一種外圍含大量羧基、內(nèi)腔為叔氨基的樹(shù)枝狀大分子與碳酸鈣混合研磨，對(duì)輕質(zhì)碳酸鈣起到很好的分散作用，在造紙中獲得良好的應(yīng)用效果。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1原料與儀器

乙二胺、丙烯酸甲酯、甲醇，分析純；輕質(zhì)碳酸鈣，化學(xué)純；紙漿，打漿度45°SR，白度78％。500ml四口燒瓶、溫度計(jì)、加熱攪拌裝置；上海安德儀器設(shè)備有限公司NDJ-1黏度計(jì)；日本清新株式會(huì)社SKC－2000顆粒分析儀；上海平軒科學(xué)儀器有限公司W(wǎng)SB-1白度儀；日本電子株式會(huì)社JSM-7500F掃描電鏡。

1.2合成方法[9]

以乙二胺為核，以甲醇為溶劑，與丙烯酸甲酯在25℃下反應(yīng)，得到四丙烯酸甲酯的加成產(chǎn)物，該產(chǎn)物與乙二胺進(jìn)行胺解反應(yīng)，得到酰胺化四氨基產(chǎn)物，經(jīng)多次循環(huán)上述反應(yīng)，即可得到不同代數(shù)G的樹(shù)枝狀聚合物聚酰胺基胺（PAMAM）。其中，整代最外層基團(tuán)為-NH2，半代最外層基團(tuán)為-COOCH3。本文通過(guò)計(jì)算分子量，合成2.5G產(chǎn)物，然后滴加等摩爾質(zhì)量的30%NaOH溶液調(diào)節(jié)pH，最后加入適量的蒸餾水調(diào)整含量為35%左右，得到樹(shù)枝狀聚合物分散劑。其反應(yīng)式見(jiàn)圖1。向輕質(zhì)碳酸鈣中加入1%的分散劑，升溫至90℃充分研磨，得到改性的輕質(zhì)碳酸鈣。

1.3輕質(zhì)碳酸鈣懸浮液黏度的測(cè)定

用黏度計(jì)分別測(cè)定加入樹(shù)枝狀聚合物改性前后質(zhì)量濃度為20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%的輕質(zhì)碳酸鈣懸浮液的黏度。樹(shù)枝狀聚合物加入量為輕質(zhì)碳酸鈣重量的1%。

1.4輕質(zhì)碳酸鈣懸浮液的掃描電鏡

用掃描電鏡觀察加入樹(shù)枝狀聚合物改性前后輕質(zhì)碳酸鈣在水中的分散現(xiàn)象。

1.5輕質(zhì)碳酸鈣在造紙中的應(yīng)用

在抄紙時(shí)，加入不同用量的改性前后的輕質(zhì)碳酸鈣抄成紙樣。將樣品切成標(biāo)準(zhǔn)要求的規(guī)格（15mm×250mm），在抗張?jiān)囼?yàn)儀上測(cè)定紙張的抗張強(qiáng)度；將樣品切成100mm×100mm的10張?jiān)嚇?，并?zhǔn)確標(biāo)明正反面，然后在耐破度儀上進(jìn)行耐破度測(cè)定；將樣品切成63mm×75mm大小的8張?jiān)嚇樱荒苓B在一起，正反面朝向一致，于撕裂度儀上測(cè)定撕裂度，此法測(cè)定的是內(nèi)撕裂度；并對(duì)加填紙張進(jìn)行電鏡掃描分析。

1.6白度測(cè)定

測(cè)定加入樹(shù)枝狀聚合物改性前后輕質(zhì)碳酸鈣及其加填紙張的白度。

2結(jié)果與討論

2.1分散劑對(duì)輕質(zhì)碳酸鈣懸浮液黏度的影響

測(cè)得加樹(shù)枝狀聚合物改性前后輕質(zhì)碳酸鈣懸浮液黏度隨著濃度的變化如圖2所示。由圖2可知，不加分散劑時(shí)，輕質(zhì)碳酸鈣懸浮液隨著濃度增加，黏度劇增；當(dāng)加入1%分散劑后，其黏度大大下降，說(shuō)明該樹(shù)枝狀聚合物對(duì)輕質(zhì)碳酸鈣的分散效果明顯，這將有利于配制高固含量的輕質(zhì)碳酸鈣懸浮液，對(duì)生產(chǎn)更加便利。

2.2樹(shù)枝狀聚合物對(duì)輕質(zhì)碳酸鈣懸浮液分散性的影響

加入樹(shù)枝狀聚合物改性前后輕質(zhì)碳酸鈣在水中分散情況的掃描電鏡圖見(jiàn)圖3、圖4。由圖可知，加入樹(shù)枝狀聚合物改性后的輕質(zhì)碳酸鈣在水中分散均勻，聚集現(xiàn)象明顯減弱，說(shuō)明該樹(shù)枝狀聚合物對(duì)輕質(zhì)碳酸鈣有良好的分散效果。

2.3加填量對(duì)紙張抗張強(qiáng)度的影響

當(dāng)加填量為10%、20%、30%時(shí)，使用加入樹(shù)枝狀聚合物改性前后輕質(zhì)碳酸鈣加填紙張的抗張強(qiáng)度如圖5所示。決定紙張抗張強(qiáng)度大小的因素主要是纖維間的結(jié)合力。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)填料被加入紙漿中后，它將使纖維和纖維之間距離增大，減少纖維的接觸面，因而影響到纖維的結(jié)合力，所以填料的加入將會(huì)降低紙張的強(qiáng)度。從圖5可知，隨著加填量的增大，紙張的強(qiáng)度下降，其中經(jīng)過(guò)樹(shù)枝狀聚合物改性的輕質(zhì)碳酸鈣加填的紙抗張強(qiáng)度下降的要比未改性的少。這主要是因?yàn)?，輕質(zhì)碳酸鈣經(jīng)過(guò)樹(shù)枝狀聚合物改性后，結(jié)合了眾多的活性官能團(tuán)，能夠與紙張纖維之間形成較強(qiáng)的結(jié)合作用，而不是單純的附著在纖維表面，因而紙張的抗張強(qiáng)度下降少。

2.4加填量對(duì)紙張耐破度的影響

當(dāng)加填量為10%、20%、30%時(shí)，使用加入樹(shù)枝狀聚合物改性前后輕質(zhì)碳酸鈣加填紙張的耐破度如圖6所示。從圖6可知，紙張的耐破度隨著加填量的增大而降低，加入樹(shù)枝狀聚合物改性輕質(zhì)碳酸鈣加填的紙的耐破度下降的少，也說(shuō)明了其之間具有一定的結(jié)合力。

2.5加填量對(duì)紙張撕裂度的影響

當(dāng)加填量為10%、20%、30%時(shí)，使用加入樹(shù)枝狀聚合物改性前后輕質(zhì)碳酸鈣加填紙張的撕裂度如圖7所示。從圖7可知，加入樹(shù)枝狀聚合物改性的輕質(zhì)碳酸鈣加填紙的撕裂度稍有提高，隨著加填量的增加，紙張的撕裂度下降，但兩者下降趨勢(shì)接近。這是由于紙頁(yè)的撕裂度主要由纖維的長(zhǎng)度和強(qiáng)度決定的。打漿度確定后，纖維長(zhǎng)度大小基本確定，所以撕裂度基本是定值，因此無(wú)論是加入樹(shù)枝狀聚合物改性的輕質(zhì)碳酸鈣進(jìn)行加填，還是加未改性輕質(zhì)碳酸鈣加填，對(duì)撕裂度的影響都不是很大。

2.6加填紙張的SEM分析

從上述紙張強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果看，加入樹(shù)枝狀聚合物改性的輕質(zhì)碳酸鈣加填后，紙張的各項(xiàng)強(qiáng)度性能指標(biāo)比以未改性輕質(zhì)碳酸鈣作填料時(shí)要好，填料量加到30%都還保持著較高的強(qiáng)度。我們對(duì)使用改性前及改性后的輕質(zhì)碳酸鈣加填的紙張進(jìn)行掃描電鏡測(cè)試，其中填料加入量為20%，通過(guò)觀察紙面和撕裂口，結(jié)果如圖8～圖11?？梢?jiàn)，與加未改性輕質(zhì)碳酸鈣相比，加入樹(shù)枝狀聚合物改性的輕質(zhì)碳酸鈣紙面上填料分布均勻、量多，纖維致密。因?yàn)楦男院?，填料表面有更多的官能團(tuán)，與纖維之間產(chǎn)生一定的作用所致。由圖10、圖11可知，由于加入樹(shù)枝狀聚合物改性的輕質(zhì)碳酸鈣加填的紙張力學(xué)性能較好，結(jié)合力較強(qiáng)，紙張強(qiáng)度高，因此在撕裂時(shí)纖維被拉斷而不是拉脫起毛。

2.7加入樹(shù)枝狀聚合物對(duì)白度的影響

測(cè)定加入樹(shù)枝狀聚合物改性前后輕質(zhì)碳酸鈣的白度及加填量為10%、20%、30%時(shí)加填紙的白度，結(jié)果如表1所示。由表1可知，加入樹(shù)枝狀聚合物改性后對(duì)輕質(zhì)碳酸鈣及其加填紙面的白度影響不大，適合使用。

3結(jié)論

3.1加入樹(shù)枝狀聚合物改性后，輕質(zhì)碳酸鈣懸浮液黏度大大下降，可以配制更高固含量的懸浮液，有利于生產(chǎn)加工。

3.2經(jīng)加入樹(shù)枝狀聚合物改性的輕質(zhì)碳酸鈣加填的紙張，其抗張強(qiáng)度、耐破度、撕裂度等都有所提高，紙面纖維間密致，填料分布均勻。

3.3加入樹(shù)枝狀聚合物改性后，對(duì)輕質(zhì)碳酸鈣及其加填紙的白度影響不大。