羟丙基瓜尔胶增强剂的制备及其在卷烟纸中的应用

发布日期:2015-05-13 14:02:34
分子量
瓜尔胶(guar gum)是一种植物胶,是目前国际上最为廉价而又广泛应用的天 然亲水胶体之一,主要来源于印度、巴基斯坦和美国得克萨斯州等类似沙漠地区, 它是一种广泛栽培的一年生草本抗旱分子量农作物。瓜尔豆一般含14%?17%的豆壳, 35 %?42%的胚乳及43 %?47%的胚芽。胚乳用机械方法粉碎后,得灰白色瓜 尔豆胶粉,略带瓜尔豆味。
 
近几年来,瓜尔胶抄成的纸在燃烧时没有异味,同时具有优良的助留、助滤 和增强效果,满足卷烟用纸的特殊需求,使瓜尔胶系列助剂在卷烟纸行业中得到 了广泛应用。目前,在国内的各大卷烟纸厂中,由于瓜尔胶无任何毒副作用和燃 烧没有异味,通常是生产卷烟纸和食品包装用纸的有效专用助剂。目前瓜尔胶已 基本取代了淀粉成为增强、助留、助滤剂和纸张表面性能改进剂[1]。
 
一、瓜尔胶的结构及特点 1.1 瓜尔胶的结构瓜尔胶化学成分是半乳甘露聚糖,在结构上,以a-1,4键相互连接的D-甘 露糖为主链,主链的某些C6位上再连接D-半乳糖为支链,其平均半乳糖与甘 露糖之比为1: 2 (见图1),但半乳糖的分布是随意无规则的,因为在其主键的 有一些区段上并没有半乳糖,而在另一些部分则是高取代区。
 
1.2.天然瓜尔胶用于造纸的特点天然的瓜儿胶由于耐菌性差,易被微生物分解,溶液不耐储存,易发生霉变; 不能快速溶胀和水合,溶解速度慢,增加瓜尔胶的使用量影响增强效果,同时 未充分溶解瓜尔胶容易对纸机造成污染,影响纸张质量,增加洗刷频次,影响了 瓜尔胶的使用。
 
2002年Q.Wang等人对影响瓜尔胶的动力学因素进行了详细的研宄,研宄发 现经验对数模型与瓜尔胶的溶解吻合很好,在2003年和2006年间的研宄中同时 还发现瓜尔胶的浓度、粒径、分子量、半乳甘露糖的比例对瓜尔胶的溶解有很大 的影响[2-4],而瓜尔胶的溶解性能对瓜尔胶的使用性能有很大的影响。
 
二、羟丙基瓜尔胶增强剂制备 2.1羟丙基瓜尔胶制备的反应原理在瓜尔胶的分子结构中引入极性亲水基团羟丙基,可以提高瓜尔胶的溶解性 能,使瓜尔胶水溶速度增加,降低水不溶物,工业上目前羟丙基瓜尔胶的制备反应 原理如下[5]:⑴Guar-O-Na+ +CH2—CH——CH3VGuar-O-CH2-CH-CH3 + NaOH OH(2)
 
Guar-OH + NaOHGuar-O—Na+ + H2O2.2改性胶粉的合成在捏合机中,加入瓜尔胶粉,再加入醇水碱液搅拌碱化,升温至50-60°C, 滴加环氧丙烷,反应完毕继续搅拌1-2h,然后将反应好的料液离心,加入表面处 理剂,出料干燥,粉碎,筛分,即得到成品。
 
杨振周等[6]对影响羟丙基瓜儿胶的工艺因素进行了详细的研宄,其中碱的加 量对瓜尔胶的溶解和粘度有很大影响,碱的加量越大溶解越好,但会对粘度造成影响。
 
三、增强剂增强机理纸张增强剂的增强机理得到大家公认的有以下三条[7]:1)纤维间氢键结合和静电吸附是纸张具有干强度的主要原因,特别是氢键 结合点多,结合力强(82kJ/mol),是干强度产生的主要原因。加入增强剂后能 加强氢键结合。总之增强剂可以增加纤维/纤维间的结合力。
 
2)—些含有阴离子基的增强剂可以通过A13+等和带有负电荷的纤维形成配 位键。
 
3)增强剂往往是高效的纤维分散剂,可以提高纸张的匀度,进而提高强度。 这一点对增强的贡献较小。
 
对于瓜尔胶类增强剂,由于表面含有很多羟基基团,与纤维素相类似的结构, 所以能够在纤维表面快速吸附,通过相互间表面的羟基形成氢键,从而能够有效 地促进纤维之间的结合,提高纸张的强度。
 
四、样品的表征 4.1核磁表征对制备的羟丙基瓜尔胶,采用美国VARIAN公司MERCURYplus 400M超导核磁共振波谱仪,核磁共振对样品进行水解后分析,图2是瓜尔胶的1H-NMR图, 图3是瓜尔胶和羟丙基瓜尔胶的1H-NMR图。瓜尔胶分子中同时含有半乳糖和 甘露糖两种结构单元,两种单糖中C-1相连的氧原子最多,相应的H-1处于最低场 (5在4.5?5.4), H-2?H-6化学位移相近,吸收信号严重重叠,很难分开(5在3.3?4.2), 羟丙基上甲基峰化学位移5在1.2左右,同时,根据摩尔取代度(MS)的定义(摩尔 取代度=接枝上的物质的量/被改性聚合物结构单元的物质的量),由羟丙基甲基峰 的积分跟糖环H-1的峰的积分之比可以计算出摩尔取代度[5].
 
4.2分子量测试使用美国Brookhaven公司的GPC-光散射联用仪测定瓜尔胶分子量。
 
通过气相凝胶色谱,我们可以测定瓜尔胶的分子量及分子量分布,从而可以 测定瓜尔胶的链长,图5中瓜尔胶的Mw为2.38*10e6,分布宽度D为1.06。
 
4.3增粘曲线图对于瓜尔胶的增粘特性,会影响瓜尔胶增强剂在配浆时的溶解分散性,因此表 面处理会提高瓜尔胶在水溶液中的分散性,对于制备的样品,采用乌氏流速粘度 计,600rpm下测定时间与粘度的关系,处理前后的增粘曲线图如图6,从图中可以 看出,处理后的羟丙基瓜尔胶在1-3min内粘度没有释放,这样有利用制浆过程中 溶液的配制,防止瓜尔胶粉在水中结块。
 
T (min)
 
图6表面处理前后瓜尔胶增粘曲线图五、现场试验结果对于不同分子量和不同取代度的羟丙基瓜尔胶增强剂,我们在恒丰纸业进行 了多次的实验,我们对同等用量下使用前后的性能进行了对比,试验结果见表1、表2。
 
样品分子量取代度定量/gm2抗张强度KN/m伸长率/%透气度/CU透气度变异系数%白度/%不透明度/%成纸灰分/CaO%填料存留率%试验前//26.81.052.3043.65.3287.572.416.1557.4试验样2460.3726.40.992.3546.45.4587.972.815.9462.21试验前//27.20.981.1848.96.5288.675.719.5963.30试验样2400.2527.30.991.2649.96.7488.375.819.4563.5试验前//27.91.072.3438.26.988.673.217.458.69试验样2380.1828.01.112.2936.46.088.773.017.160.83表1不同取代度的瓜尔胶对增强效果的影响样品分取代定量抗张伸长透气透气度白度不透成纸灰填料存留子度/gm2强度率/%度变异系/%明度分率%量KN/m/CU数%/%/CaO%试验前//27.91.072.3438.26.988.673.217.458.69试验样2380.1828.01.112.2936.46.088.773.017.160.83试验前//27.11.131.6648.87.091.072.816.4065.08试验样2200.1927.21.081.7648.86.391.273.617.8667.37试验前//27.81.062.3838.56.088.472.716.0058.69试验样2550.2027.91.102.4140.36.588.474.016.9461.81表2不同分子量的瓜尔胶对增强效果的影响从表1可以看出,羟丙基取代度对瓜尔胶的增强效果有很大的影响,随着取代 度从0.37降低到0.18,增强效果越来越好,主要原因是取代度越高,瓜尔胶链表面 的羟基数目就越少,而根据纸张增强剂的增强机理,氢键结合点越多,结合力强, 纸张强度就越高,因此合适的取代度可以纸张增强效果。
 
从表2可以看出,在取代度基本一直的情况下,分子量越大,增强效果越好,主 要原因是分子量越大,瓜尔胶链越长,增加了架桥连接能力,提高了纤维/纤维间的 结合力。
 
六、结论羟丙基瓜尔胶增强剂在卷烟纸的增强中能起到很好的增强效果,通过试验发 现,瓜尔胶内部的性质对增强效果有很大的影响,分子量越大,瓜尔胶链越长, 增加了架桥连接能力,增加了纤维与纤维间的结合力,对于羟丙基的取代度,在 达到同等溶解的条件下,取代度越低,表面羟基数目就越多,氢键结合点越多, 结合力强,纸张强度就越高。
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