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瓜尔胶助剂在卷烟纸抄造中的应用研究

发布日期:2015-04-28 10:49:54
瓜尔胶助剂在卷烟纸抄造中的应用研究
  买验药品与仪器 4.1.1实验药品表2-1改性瓜尔胶助剂 Tab.2-1 Modified guar gum additives名称来源粘度(mPa-s)取代度同位两性离子型瓜尔胶实验自制4700.43异位两性离子型瓜尔胶实验自制4200〇。343(阴)
  
  阳离子瓜尔胶无锡金鑫科技有限公司35000.48非离子瓜尔胶无锡金鑫科技有限公司23000.72表2-2实验药品 Tab.2-2 Experimental reagents名称级别产地品品品商商商碳酸钙 针叶木衆 阔叶木衆牡丹江恒丰纸业,白度97%加拿大进口漂白针叶木硫酸盐浆(81°SR) 加拿大进口漂白阔叶木硫酸盐浆(43°SR)
  
  4.1.2买验仪器表2-3实验仪器 Tab.2-3 Experimental instrument名称型号产 地纸样抄取器ZQJ1-B-II陕西科技大学机械制造厂纤维解离器ZQS4陕西科技大学机械制造厂油压机ZQYC—II陕西科技大学机械制造厂水分测定仪HB43梅特勒一托利多仪器(上海)有限公司精密天平AL204梅特勒一托利多仪器(上海)有限公司电脑测控抗张试验机DC-KZ300C四川长江造纸仪器有限责任公司打浆度测试仪—陕西科技大学机械制造厂纸与纸板透气度测定仪J-TQY10四川长江造纸仪器有限公司瓦力打浆机ZQS2-23陕西科技大学机械制造厂电热鼓风干燥箱101A-1B上海安亭科学仪器有限公司箱式电阻炉SX2-12-16上海益众电炉有限公司Zeta电位仪SZP〇6BTG Mutek GmbHd/o色度、白度仪—温州仪器仪表有限公司动态滤水仪DDT-0205BBTG Mutek GmbH4.2.1改性瓜尔胶溶液的配制利用水分测定仪测量得到改性瓜尔胶的水份,计算称取5g绝干改性瓜尔胶,溶于 500ml蒸馏水中,用强力搅拌使之分散均匀溶解。放置2h在粘度达到最高时使用。使 用时根据计算量取定量改性瓜尔胶溶液。
  
  4.2.2浆料的制备与磨浆使用瓦利(Valley;)打浆机进行打浆,获得所需打浆度的浆料(参见GB/T24325-2009;)。 4.2.3浆料的打浆度的测定使用肖伯氏打浆度仪测定浆料的打浆度(参见GB-T 3332-2004)。
  
  4.2.4瓜尔胶助剂的助滤性能[so]将配制好的浓度为0.3%的衆料1000ml,在DDT (Dynamic Drainage Tester)中以设定的转速下搅拌一定的时间,再倒入打衆度仪测定前lOsec中滤出液的体积(实验中应 堵住打浆度仪的下排水口)。 4.2.5瓜尔股助剂的助留性能助剂的助留性能可以通过以填料留着率来反应。通过测定纸张中填料含量和己知的 加入浆料中的填料含量,可以得到填料的留着率。由于浆料中填料碳酸钙添加量一致, 所以助剂的助留性能可以直接由纸张中所含的填料,及通过测定纸张的灰分来反映。
  
  纸和纸板灰分含量的测定参见GB/T742-2003。
  
  4.2.6浆料及白水Zeta电位的测定造纸湿部浆料中的植物纤维、填料、化学助剂和胶料等都具有一定的静电荷,所带 电荷的正负、大小各不相同。近几年,造纸工业发生了突飞猛进的变化,随着化学品助 剂种类的不断增加、纸机车速的持续提高、中性造纸工艺的出现,都给造纸湿部带来巨 大的改变。若仍然采用传统办法,仅通过调节pH值来达到控制造纸湿部的目的已经不能 适应这些变化了,因为pH值并不能真实地反应纸料性质。因此越来越多的人开始借助 Zeta电位来控制纸机湿部的化学过程,Zeta电位比pH值相比能更全面、更准确地反应造 纸湿部情况。
  
  测量Zeta电位的方法主要有微电泳法、流动电位法和流动电流法等,SZP06Zeta 电位仪使用的是流动电位法,具有自动、快速、操作简单、再现性好等特点[51]。
  
  浆料的Zeta电位可以直接测量,白水的Zeta电位需要添加一部分浆料用于形成纤 维塞,从而进行测量。
  
  4.2.7白水浓度测定白水是指在造纸过程中脱出的水的统称,白水中含有纤维和多种非纤维物质(如: 料、助剂等)。
  
  白水浓度测量步骤为[52]:(1)将定量滤纸放在设定温度为102±3°C的恒温干燥箱内,3h后取出,放在电子 天平上称重,精确至O.OOlg,记录为Gi;(2)用量筒量取从白水桶中取来的白水100ml备用;(3)用(1)中的滤纸放在抽虑漏斗中,过滤(2)中的白水;(4)将滤渣和滤纸一起放入恒温箱内,在102±3°C的温度下恒重3h,取出称重, 精确至O.OOlg,记为G2。
  
  白水浓度计算公式:白水浓度KG2-G,)%4.2.8纸张的抄造①准备:测量浆料、瓜尔胶助剂的水份[53~54],称量所需的浆料和改性瓜尔胶,浆料 的组成为:70%的阔叶木漂白化学浆(打浆度为43°SR)和30%的针叶木漂白化学浆(打 浆度为81°SR);将瓜尔胶助剂配制成1%浓度的溶液,放置2h后使用;用纤维解离器 对纤维进行疏解,依次加入瓜尔胶助剂和碳酸钙填料,碳酸钙的添加量为40%[55#](对 绝干浆)。
  
  ②抄纸:具体步骤见常规纸页成型器使用方法QB/T 3703-1999。
  
  4.2.9卷烟纸的定量卷烟纸的定量增加,卷烟纸的不透明度和抗张强度会随之增加,对白度和伸长率影 响不大,但是定量增加会降低卷烟纸的透气性和燃烧型。根据工厂的实际情况,实验中 将卷烟纸的定量设定为27 g/m2。
  
  4.2.10卷烟纸抗张强度的测定测定方法:参见GB/T 12914-2008。
  
  4.2.11卷烟纸透气度的测定透气度高的卷烟纸能够降低抽烟时对人体的危害,因此在卷烟纸工业生产中,对卷 烟纸的透气度也有很高的要求[57]。
  
  实验室常用的透气度测定仪是肖伯尔(Schopper)透气度仪,具体使用方法参照GB/T 458-2002。
  
  由于肖伯尔(Schopper)透气度仪的测定范围有限,不太适合测定高透气度的卷烟 纸等烟用纸张,且肖伯尔(Schopper)透气度仪误差比较大,因此有专用于测卷烟纸的 透气度仪。
  
  我国烟草行业普遍采用CU作为卷烟纸透气度的单位,为了将实验产品与商品卷烟 纸的性能作比较,需要将实验室所测数据转换成卷烟纸常用透气度单位。
  
  透气度单位的转换方法参照《卷烟纸透气度的测定》[58]。
  
  目前在造纸行业中,有很多表示纸张白度的测定方法,其中最常用的有ISO亮度、 CIE白度和D65亮度。论文中是采取使用温州仪器仪表有限公司的WS/SDd/o色度白度 计[59]测试纸张的ISO亮度。
  
  测定原理[6()-61]见 GB/T 7974-2002。
  
  4.3实验步骤4.3.1单次抄纸实验单次抄纸实验即抄纸过程中不进行白水循环。通过变化瓜尔胶的添加量,讨论几种 不同瓜尔胶在不同添加量下对湿部和纸张性能的影响
  
  4.3.2白水循环实验白水循环试验中,将每次抄纸后滤出的白水收集,取出一小部分用于分析检测,测 白水的浓度,再加入浆料测量Zeta电位。再取2L加入所需纸浆,解离,加入碳酸钙与 瓜尔胶,加入剩余白水再次抄纸。重复试验多次。再将多次白水循环试验所抄造的纸张 进行检测,测其灰分、抗张强度、透气度与白度。
  
  4.4实验结果与讨论4.4.1瓜尔胶助剂在单次纸张抄造中的应用效果 4.4.1.1瓜尔股添加量对浆料Zeta在未加入任何其他助剂和填料的情况下,将改性瓜尔胶溶液直接加入浆料中,对其 Zeta电位进行测试,测试的结果如下图:图4-1改性瓜尔胶添加量对浆料Zeta电位的影响 Fig.4-1 The effect of modified Guar gum addition rate on the Zeta potential of pulp由图可知,随着阳离子瓜尔胶添加量的増加,纸浆的Zeta电位快速增加,甚至趋| 于0,而两性瓜尔胶的Zeta电位并无很大变化,相比较起来,同位两性离子型瓜尔胶丨变化则更小。有研究表明,湿部系统的Zeta电位在略低于0时是最佳的,若高于0,则 会影响到其他助剂填料的使用。从这个方面看,两性瓜尔胶在应用中能采用更高的添加 量,且不担心对其他助剂填料使用效果的影响,而同位两性离子型瓜尔胶则更优于异位 两性离子型瓜尔胶。
  
  4.4.1.2瓜尔股添加量对助留助滤效果的影响在纸浆中加入0.3%的非离子瓜尔胶和40%的碳酸钙,研究改性瓜尔胶的在不同添 加量下的助留助虑效果。
  
  图4-2改性瓜尔胶添加量对纸张灰分的影响 Fig.4-2 The effect of modified Guar gum addition rate on the ash of paper通过测定纸张的灰分含量,讨论随着改性瓜尔胶添加量的变化,纸张碳酸钙的留着 情况,由实验结果可以看出,纸张的灰分是随着瓜尔胶的添加量升高的,这是因为阳离 子和两性瓜尔胶中的阳离子基团中和了填料和纤维的电荷,使之排斥力减小,进而提高 填料留着,使纸张灰分含量增加。
  
  图4-3改性瓜尔胶添加量对滤液体积的影响 Fig.4-3 The effect of modified Guar gum addition rate on the volume of filtrate由图4-3可以看出,阳离子和两性瓜尔胶都可以显着加快滤水的速度。这是因为阳 离子和两性瓜尔胶中都含有阳离子基团,这些阳离子基团能够降低纤维、填料等表面的 电荷,促使纤维和填料凝聚,降低了纤维或填料的比表面积,从而加速了脱水作用
  
  4.4.1.3瓜尔股添力口量对纸张性能的影响在非离子瓜尔胶添加量为0.3%,碳酸钙添加量为40% (对绝干浆)的前提下,对 改性瓜尔胶在不同添加量的情况下对纸张的抗张强度、透气度、白度的影响也作了研究, 研究结果如下:图4-4改性瓜尔胶添加量对卷烟纸抗张强度的影响 Fig.4-4 The effect of modified Guar gum addition rate on the tensile strength of cigarette paper-■一阳离子瓜尔胶 +异位两性离子型瓜尔胶 +同位两性离子型瓜尔胶37 H |1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 10.000.010.020.030.040.05图4-5改性瓜尔胶添加量对卷烟纸透气度的影响 Fig.4-5 The effect of modified Guar gum addition rate on the permeability of cigarette paper图4-6改性瓜尔胶添加量对卷烟纸白度的影响 Fig.4-6 The effect of modified Guar gum addition rate on the white degree of cigarette paper改性瓜尔胶添加量%由实验结论可以看出,改性瓜尔胶添加量的改变能使纸张白度得到较大改善,但是 对纸张强度和透气度却没有很大的影响,且应用效果是:同位两性离子型瓜尔胶 >异位 两性离子型瓜尔胶 > 阳离子瓜尔胶。所以在实际应用中,两性瓜尔胶能够完全取代阳离 子瓜尔胶投入使用,而且同位两性离子型瓜尔胶比异位两性离子型瓜尔胶应用效果更 好。
  
  4.4.2瓜尔股助剂在白水循环中的使用效果白水循环实验中助剂和填料的添加量根据工厂中使用情况来确定,阳离子瓜尔胶、 同位两性离子型瓜尔胶、异位两性离子型瓜尔胶添加量为0.03%,非离子瓜尔胶添加f 为 0.3%。
  
  4.4.2.1白水循环实验中白水浓度变化对每次收集起来的白水进行浓度测试,实验结果如下:图4-7白水循环次数对白水浓度的影响 Fig.4-7 The effect of white water cycle number on the concentration of white water由图中结果可以看出白水浓度是不断上升的,因为未留着在湿纸幅上的填料、瓜尔 胶助剂和细小纤维会积聚,使白水浓度增加。
  
  4.4.2.2白水循环实验中白水Zeta电位变化白水中Zeta电位随着白水循环次数的变化如下图:图4-8白水循环次数对白水Zeta电位的影响 Fig.4-8 The effect of white water cycle number on the Zeta potential of white water随着白水循环次数的增加,加入阳离子瓜尔胶的白水的Zeta电位会逐步增加,这是 由于未留着在纸张上的阳离子瓜尔胶会留在白水中,随着循环次数的增加,浆料中的阳 离子瓜尔胶也会增加,阳离子瓜尔胶中带有阳电荷,会使湿部的Zeta电位增加,如果A 水循环的次数继续增加,白水的Zeta电位最终会趋向于0。
  
  而图中,加入两性瓜尔胶的白水的Zeta电位的变化很少,这是因为两性瓜尔胶不〃 具有阳离子基团,也具有阴离子基团,电荷比较平衡,所以两性瓜尔胶的残留和聚集对 白水Zeta电位的影响很少。而同位两性离子型瓜尔胶相比较起来影响更小一些,这是因 为由此种合成方法合成出来的两性瓜尔胶的阴阳离子的基团几乎是1: 1,所以即使经过 了多次白水循环,纸浆的Zeta电位也会基本保持稳定,从而保证了湿部电荷的平衡。
  
  4.4.2.3白水循环实验中纸张性能变化为了使实验尽量贴近实际生产中的上网浆浓,在做与白水循环次数对纸张性能影响 的实验时,将成型时的浆料浓度设定为0.1%。实验中将每次白水收集,重复用于的纤 维疏解、纸张成型。阳离子瓜尔胶、同位两性离子型瓜尔胶、异位两性离子型瓜尔胶的 添加量为0.03%,非离子瓜尔胶添加量为0.3%,碳酸钙添加量40%。对几次实验的纸张 测其抗张强度、透气度及白度,实验结果如下所示:0.90-10.85-A+阳离子瓜尔胶 一?一异位两性离子型瓜尔胶 同位两性离子型瓜尔胶800.75-0.70-白水循环次数图4-9白水循环次数对卷烟纸抗张强度的影响 Fig.4-9 The effect of white water cycle number on the tensile strength of cigarette paperI 145no?r?
  
  -■一阳离子瓜尔胶 -?-异位两性离子型瓜尔胶 ■^同位两性离子型瓜尔胶白水循环次数图4-10白水循环对卷烟纸透气度的影响 Fig.4-10 The effect of white water cycle number on the permeability of cigarette paper50-白水循环次数图4-11白水循环对卷烟纸白度的影响Fig.4-11 The effect of white water cycle number on the white degree of cigarette paper由图4-9、图4-10和图4-11可以看出随着白水循环次数的增加,纸张的抗张强度、 透气度、白度都有所改变,但是强度和透气度改变不明显,白度则有明显改善,这是因 为残留在白水中的改性瓜尔胶会投入下次使用,相当于增加了改性瓜尔胶的添加量,且 未留着的碳酸钙也会在下一次投入使用,因此白度会得到提高,且两性瓜尔胶比阳离子 瓜尔胶的性能好。
  
  而从图4-11可以看出虽然纸张的白度都有所改善,但是当循环次数为5时,添加 阳离子瓜尔胶的纸张的白度已经不再有上升趋势了,这是因为白水中积累的阳离子瓜尔 胶过多,影响了白水的Zeta电位,使助剂和填料的使用效果变差。
  
  4.5本章小结对阳离子瓜尔胶、同位两性离子型瓜尔胶和异位两性离子型瓜尔胶的添加量对浆料 Zeta电位、纸张性能的影响进行了研究,得出结论:阳离子添加量的增加会改变纸浆的 Zeta电位,使之増加,若加入过量的阳离子,贝U会使纸浆的Zeta电位趋于正值,影响 到其他助剂的使用。而两性瓜尔胶添加量的增加并不会对纸浆Zeta电位造成很大的影 响。相比较起来,同位两性瓜尔胶比异位两性瓜尔胶带来的影响更小。改性瓜尔胶添加 量的增加对纸张的抗张强度和透气度影响较小,却能显着提高纸张的白度,加快滤水速 度,提呙填料留着。
  
  对改性瓜尔胶的白水循实验结果证明:随着白水循环次数的増加,白水浓度逐步升 高;加入阳离子瓜尔胶的白水Zeta电位会不断上升,而加入两性瓜尔胶的白水Zeta电 位则变化不明显,且同位两性瓜尔胶几乎对电位变化不造成影响;纸张的抗张强度和透 气度会有波动,但是波动不大;纸张白度也有变化,但阳离子的使用性能随着循环次数 的增加会有下降的趋势。
  
  第五章结论与展望5.1结论(1)用湿法以先合成两性中间体再与瓜尔胶原粉反应的实验步骤合成了同位两性离 子型瓜尔胶,表征了实验中得到的晶体和两性瓜尔胶,证实了两性瓜尔胶已经被成功制 得。测定了同位两性离子型瓜尔胶的主要指标,得到浓度1%的溶液pH为5.8,粘度为 470 rnP^s。研究了湿法合成过程中反应条件对两性醚化剂取代度的影响,得到最佳的工 艺条件为:碱/瓜尔胶质量比为1.25xl〇-2,反应温度为70°C,反应时间为6h。此时取代 度能达到0.43。
  
  (2)用传统方法合成了异位两性离子型瓜尔胶,对反应产物的进行了红外表征,证明 异位两性离子型瓜尔胶已经被成功制得。探讨了碱催化剂添加量、反应温度、反应时间 对瓜尔胶取代度的影响。实验结论为:碱/瓜尔胶质量比为lxlO-2,反应温度为70°C, 反应时间为2h时,为瓜尔胶的最佳反应条件,此时羧甲基取代度为0.343。
  
  (3)若加入过量的阳离子瓜尔胶,则会使纸浆的Zeta电位趋于正值,影响到其他助 剂的使用。而两性瓜尔胶添加量的增加并不会对纸浆Zeta电位造成很大的影响。相比较 起来,同位两性离子型瓜尔胶比异位两性离子型瓜尔胶带来的影响更小。改性瓜尔胶添 加量的增加对纸张的强度和透气度影响较小,却能显着提高纸张的白度,加快滤水速度, 提尚填料留着。
  
  (4)随着白水循环次数的增加,白水浓度逐步升高;加入阳离子瓜尔胶的白水Zeta 电位会不断上升,而加入两性瓜尔胶的白水Zeta电位则变化不明显,且同位两性离子型 瓜尔胶几乎不对电位造成影响;纸张的抗张指数和透气度会有波动,但是波动不大;纸 张白度也有变化,但阳离子瓜尔胶的使用性能随着循环次数的增加会有所下降。
  
  5.2展望本文采用先合成两性中间体,再改性瓜尔胶的方法,用湿法制成了同位两性离子型 瓜尔胶,也用传统方法合成了异位两性离子型瓜尔胶,对其与阳离子瓜尔胶在卷烟纸中 的效果进行了比较,可以看出两性瓜尔胶比阳离子瓜尔胶在白水循环系统中的确有更大 的使用优势。
  
  但是本论文对卷烟纸的抄造过程非常简便,只是使用了碳酸钙填料和瓜尔胶助剂, 并没有使用其他一些助剂,因而对工厂的湿部状况模拟不太准确。且对纸张的性能检测 方面,卷烟纸的性能要求还涉及燃烧性能等,实验所抄造的纸和商品所要求的卷烟纸性 能还有一点差距,这些都需要详细考虑。