[发明专利]阳离子水性聚氨酯表面施胶剂的制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于有机粘合剂领域，涉及一种阳离子水性聚氨酯表面施胶剂的制备方法。

背景技术

施胶是造纸过程中的重要环节，它能赋予纸品一定的抗液性能，并增加其强度。施胶 过程是利用憎水性物质覆盖于纸纤维表面形成一层疏水薄膜，降低纤维表面自由能，从而 抗拒水或其它液体在纤维表面的扩散、润湿或渗透，具备这种性能的物质称之为施胶剂。 施胶有两种方法，一种是在纸页成形前(打浆或配料时)将施胶剂添加于纸浆内称为浆内 施胶，另一种是在纸页成形后涂饰于纸张表面称为表面施胶。表面施胶可提高纸和纸板的 印刷性能，改善抗油、抗水、耐久和耐磨性，提高物理强度，减少甚至消除纸张的两面差。

表面施胶剂可分为天然高分子表面施胶剂和合成聚合物表面施胶剂。上世纪九十年 代，淀粉类天然高分子表面施胶剂用量约占表面施胶剂总量的90％以上，但天然淀粉类 表面施胶剂成膜性差、糊化流动性不甚理想，冷却时易变浑浊形成凝胶，这限制了天然淀 粉类表面施胶剂的应用。由于酸性造纸大量转化为中/碱性造纸，合成表面施胶剂能克服 或弥补中/碱性造纸的某些缺点，如熟化较慢、施胶逆转、摩擦系数较低等，且能方便而 经济地改变纸张表面性能，可生产高附加值纸种，因而得到越来越广泛的应用。水性聚氨 酯(WPU)是合成表面施胶剂中的一类，它以水作为分散介质，具有成膜性能好，粘结强 度高，耐磨、耐寒、柔韧等特点，且无毒无味，符合日益严格的环保法规要求，在塑料、 涂料、建筑、纺织等多领域中应用广泛，在造纸行业中也逐渐成为研究热点。

阳离子水性聚氨酯聚合物分子链上带有-NH-COO-基和阳离子基团，其具有一些独特 的性质，阳离子型聚氨酯的正电荷施胶后可与纤维的负电荷直接结合，在纤维表面形成胶 膜而达到较好的施胶效果。德国BK、Bayer、BASF等公司相继推出了基于阳离子的水性 聚氨酯产品，目前，阳离子水性聚氨酯表面施胶剂已经成为造纸化学品中的一个研究热点。 但其耐高温性能不佳，耐水性差。

为解决这一问题，国内陕西科技大学的刘建平、杨小敏在“阳离子聚氨酯施胶剂的研 制及应用实验”一文中，用甲苯二异氰酸酯(TDI)，单硬脂酸甘油酯为原料，以N-甲基 二乙醇胺为扩链剂，以丙酮为溶剂，反应6.5小时得到水性聚氨酯乳液。讨论了原料NCO/OH 值、反应温度与时间、扩链剂用量、溶剂用量对乳业稳定性的影响，并用TEM和FT-IR对 乳液进行了结构表征。得出了聚氨酯最佳的合成条件是：NCO/OH值在1.05～1.15间；扩 链剂用量占总量的12.5％～15％；总反应时间为6.5小时。TEM与FT-IR微观表征表明其 合成出的是一种带氨基的聚酯型聚氨酯乳液。该方法制备的是浆内施胶剂，所用原料较贵， 成本较高，而浆内施胶剂现在应用较多的是廉价的松香型施胶剂，故其应用受到限制。

刘建付，谢益明在“松香型聚氨酯合成施胶剂及在造纸中的应用”一文中，用甲苯二 异氰酸酯(TDI)和酯化松香在70～80℃下反应2.5小时合成聚氨酯预聚体，利用甲基二 乙醇胺扩链，用亚硫酸氢钠(APAM)作封端剂，最后乳化得到阳离子松香型聚氨酯乳液。将 此种施胶剂应用于浆内施胶，研究了扩链剂用量，PH值及APAM用量对聚氨酯施胶性能的 影响。实验表明，中碱性条件下，当施胶剂用量为2％，APAM用量为0.02％时，纸张的 施胶度可达25s，且对纸张有明显的增强作用。但该法用亚硫酸钠作封端，反应较难控制， 且施胶效果难以达到对施胶度要求较高的纸品的要求。

中国专利CN 101440152A报道了一种阳离子水性聚氨酯乳液的制备方法及其在表面 施胶上的应用。该方法通过甲苯二异氰酸酯(TDI)、聚酯二元醇和聚乙二醇在45-55℃下 反应0.5～2小时合成预聚体，60～70℃用1，4-丁二醇扩链2-3小时，用冰醋酸中和成 盐，在高速搅拌下加水乳化，制得阳离子水性聚氨酯乳液。但该制备方法制得的乳液需同 硫酸铝或聚铝协同使用，不符合造纸工业浆内施胶中碱性化的趋势，且施胶度难以满足文 化用纸的要求，离实际应用仍有一定距离。