天然的造纸助剂瓜尔胶

发布日期:2015-01-19 15:51:52

造纸助剂

介绍一种新型造纸助剂——瓜尔胶及其改性产物,揭示了其内在的分子结构特点及 行为特性,并阐述其性能优越的根本原因研究表明,它能适应现代工厂零排放的要求,在提 高纸页留着和滤水的同时能保持或提高纸页匀度,是一种前景广阔的环保助剂。

瓜尔胶,英文名为“ guar gum”, 是从广泛种植 于印巴次大陆的一种豆科植物一瓜尔豆中提取 的一种高纯化天然多糖。由于其独特的分子结构 特点及天然性,使其迅速成为性能优越的新型环 保造纸助剂;同时它还被广泛应用食品、石油、 医药等领域
瓜尔胶就分子结构来说是一种非离子多糖, 它以聚甘露糖为分子主链,D-吡喃甘露糖单元 之间以坆1-4)苷键连接。而D-吡喃半乳糖则 以a( 1-6)键连接在聚甘露糖主链上。瓜尔胶中 甘露糖与半乳糖单元之摩尔比为2: 1,即每隔一 甘露糖单元连接着一个半乳糖分支。文献中报 道,瓜尔胶的分子量在220 000左右。瓜尔胶分子 的最大特点也即最大优点便是与纤维素结构非常 相似,这种相似性使它对纤维素有很强的亲和性,
称之为直接性(substantivity)。
瓜尔胶的最初出现是作为刺槐豆胶(Locust bean gum)的替代品而产生的。在此之前,刺槐豆 胶被广泛应用工业生产并造成了需求紧张。后 来研宄证明,虽然瓜尔胶和刺槐豆胶均为聚半乳 糖甘露糖,但二者在化学组成和行为上有着明显 的区别。刺槐豆胶要达到最大粘度需要高温水 煮,而瓜尔胶在冷水中就可以水化。化学组成上, 刺槐豆胶平均每4个甘露糖单元才有1. 5个乳糖 支链。所以瓜尔胶分支单元数为刺槐豆胶的2 倍。而这被认为是瓜尔胶比刺槐豆胶更容易水化 和氢键结合活性更大的主要原因。除此之外,瓜 尔胶的成本仅是刺槐豆胶的一半。
为赋予瓜尔胶更好的使用性能,通常对瓜尔 胶原粉进行化学改性。瓜尔胶的改性主要有两个 方向:一是在分子链上引入阳离子基团,从而获得 一定的正电性。如用季铵盐3-氯2-羟丙基氯 化铵与瓜尔胶原粉在有机溶剂中醚化反应生成阳 离子瓜尔胶。这种带正电的改性瓜尔胶便可以与 带负电的纤维、填料粒子相互作用从而提高原有 的助留、助滤和增强效果。另一改性方向便是设 法增加瓜尔胶分子链的长度,增大其分子量,从而 增强其架桥连接能力。
阳离子瓜尔胶在冷水中可溶,这与阳离子淀 粉相比是一个很大优势。另外,许多淀粉分子形 成螺旋状结构,而瓜尔胶分子则形成直链结构。 所以瓜尔胶的活性基团比阳离子淀粉更容易与纤 维接近,从而少量的阳离子瓜尔胶便可能达到较 多量阳离子淀粉才能达到的使用效果。
当今,聚丙烯酰胺和改性淀粉广泛应用于造 纸中的助留助滤剂。但其效果只能达到一定程 度。它们在提高滤水的同时可能使纤维过度凝 聚,从而降低纸页匀度和强度。天然瓜尔胶作为 造纸助剂时,可以提高纸页强度,减少灰斑形成并 提高纸页匀度。但它的缺点便是造成滤水困难, 从而降低了产量或提高了干燥部负荷。而经过化 学改性的两性或阳离子瓜尔胶则在很大程度上克 服了这一弊病。实验发现,这些改性的瓜尔胶能 在提高纸页滤水的同时保持或提高纸页匀度;通 过吸附细小纤维和粒子可以进一步改善滤水,同 时提高一次留着率。而在过去,这两方面都是互 斥的。
由于阳离子瓜尔胶的有效性主要取决于它与 纤维的亲和性(即直接性;),所以它并不与“阴离子 垃圾”反应。鉴于这一点,阳离子瓜尔胶在黑液的 存在下仍能有效地发挥作用。对于新闻纸、未漂 硫酸盐浆、废纸浆等含有较多杂质的浆料,随着封 闭水循环的推广,阴离子垃圾的积累将显著增加。 这便会使得许多传统的造纸助剂如阳离子聚丙烯 酰胺(CPAM)等失去作用效果。阳离子瓜尔胶可 以有效地克服这一点。实验研究发现,阳离子瓜 尔胶在Zeta电位从-8 mV到0 mV范围内效果最 好。该Zeta电位范围与绝大部分造纸过程相吻
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国外对瓜尔胶作为造纸增强剂、助留助滤剂、 絮凝剂、打浆增粘剂等领域都进行了深入的研究。 许多成果应用于造纸实践中。
Lindstrom和Soremark将局分子助剂被衆料吸 收并发挥作用的过程分为三步:①助剂高分子从 溶液向溶液一纤维界面迀移;d穿过界面;_剂 高分子与纤维重新组织分布并在表面形成氢键结 合。d或③是决定性步骤。Derek Abson等人在 此基础上对4种造纸助剂阳离子淀粉(CS)、阳离 子聚丙烯酰胺(CPAM)、阳离子瓜尔胶(CGG)、阳 离子聚乙烯醇(CPVA)的助留助滤效果在动态滤 水仪上进行了实验研宄。他们发现,步骤①是决 定性一步。在4种阳离子助剂中,虽然阳离子瓜 尔胶第@的迀移吸收速率最慢,但无论对细小 纤维还是填料,其助留助滤效果都是最好的。
Swanson研宄表私0. 5%的分散刺槐丑胶加 入漂白亚硫酸盐浆可以降低70%的打浆时间并 提高32%的耐破度。而瓜尔胶被认为效果更佳。 Mason认为瓜尔胶作为絮凝剂时会覆盖于纤维表 面,并像润滑剂一样使粗糙表面平滑,从而使纤维 滑过时不广生缠结。John W. Swanson也认为瓜 尔胶使纸页匀度改善并不是因为它对纤维有分散 作用,而是因为延缓了纤维的凝聚和缠结。
瓜尔胶使用简单,不需要单独溶解设备,没有 分子链的剪切降解问题,无毒无害。阳离子瓜尔 胶也可以与阳离子淀粉及合适的有机酸混合后作 为增强和助滤剂,它比单独使用阳离子瓜尔胶或 阳离子淀粉效果都好。随着对瓜尔胶研宄的深入,这种天然的高分子造纸助剂必定会在现代化 的造纸工业中发挥更大作用。