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新型助留助滤剂阳离子瓜尔胶

发布日期:2015-03-03 23:55:48
新型助留助滤剂阳离子瓜尔胶
新型助留助滤剂阳离子瓜尔胶,瓜尔胶,是从种植于印巴次大陆的豆科植物瓜豆中提取的一种植物胶。它在化学组成
上是聚半乳糖甘露糖。由于其独特的分子结构及物理化学特性,使它成为一种很有潜力的新型环 保造纸助剂。目前国内对此研究很少。
1瓜尔胶的特点
瓜尔胶的首要特点是因瓜豆生长于髙温、干旱缺水的环境,新型助留助滤剂阳离子瓜尔胶,因此其不耐水,在冷水中便可以水 化、溶解。这与淀粉系列助剂使用前需要棚化相比是一个很大的优势。
瓜尔胶的另一特点是分子结构与纤维素分子非常相似,这种相似性使它对纤维素有很强的亲 和性,称为直接性。在应用时,瓜尔胶比剌槐豆胶(被广泛地用于工业生产)更容易水化;在化学组 成上瓜尔胶的分支单元数是次槐豆胶的2倍,并且瓜尔胶直链上没有非极性基团,大部分伯羟基 和仲羟基都处于外侧,半乳糖支链并没有遮住活性的醇羟基,阅此具有更大的氢键活性。瓜尔胶 分子中甘露糖单元通过1,4 - p苷键连接成主链,半乳糖支链则以1,6 - <x键间隔与甘撂糖主链相 连。与纤维素分子的相似性使它易于吸附到纤维上而产生助留、助滤和增强效果。瓜尔胶与PAM 等助剂相比,分子量不髙,因而不会产生过度絮凝。所以,瓜尔胶做助留剂时,有明显的助留效果, 同时并不影响纸页勻度。另外,造纸过程中对纤维的润胀及纸页强度有重要作用的半纤维素(主 要是甘露糖和木糖)会在蒸煮过程中损失,而瓜尔胶的应用可以起到补充天然半纤维素的作用。
它的缺点是造成滤水困难,从而增大了干燥部负荷。经过化学改性的两性或阳离子性的瓜尔 胶则在很大程度上克服了这一弊病。
2瓜尔胶性能及改性
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
为賦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:一是在分子链上引人阳离子基团,从而获得一定的正电性。如用季铵盐3 -氣-2 -羟丙基 氣化按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髙原有的助留、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,增大其分子置,从而增强其架桥连接能力。
3与传统助留助滤剂的比较
当今,聚丙燦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。它们在提髙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髙纸页匀度;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),新型助留助滤剂阳离子瓜尔胶,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c这便会使得许多传统的造纸助剂如阳离子聚丙稀醜胺(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-8mV到OmV范围内效 果最好。该Zeta电位范围与绝大部分造纸过程相吻合。
4研究瓜尔胶的意义
造纸化学品的研究工作发展到今天,已有很多种效果不错的助留助滤剂被人们开发和应用, 并且取得了显著的成绩。瓜尔胶在造纸中的应用国内尚不多。随着现代造纸的发展。适应髙速 纸机、零排放以及环保的要求,瓜尔胶及其改性物在造纸中应用的研究有着重要意义:
(1)随着封闭水循环的推广。新闻纸、未漂硫酸盐浆、废纸浆等浆料的阴离子垃圾的积累将 显著增加,这就会使许多传统的造纸助剂,如聚丙烯酸胺(PAM )等失去作用,而阳离子瓜尔胶的吸 附作用主要是因为瓜尔胶的分子结构与纤维分子相似,阴离子垃圾的存在并不能左右瓜尔胶吸附 纤维和填料。所以阳离子瓜尔胶作为湿部添加剂时可以有效地克服这一问题。
(2)聚丙稀酿胺和改性淀粉作为助留助滤剂使用时,在加快滤水的同时可使纤维过度凝聚, 从而降低纸页的勻度和强度。而阳离子瓜尔胶能在加快纸页滤水的同时保持或提高纸页的匀度。
(3)瓜尔胶使用简单,不需要单独的溶解设备,没有分子董剪切问題,且无毒无害,抄造髙档 卷烟纸尤为适合,在食品包装纸上也有很大的意义。
5瓜尔胶对纸浆性能的影响
5.1阳离子瓜尔胶加人量对漂白硫酸盐木浆的助留助滤作用
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图1
困2 pH值对阳离子瓜尔胶滤水性能的影响
阳离子瓜尔胶通过电荷中和与架挢作用使细小纤维与填料粒子絮凝到纤维表面,从而起到助 留助滤作用。由图1可以看出,随阳离子瓜尔胶加人量增大,打浆度不断下降,即助滤效果不断增 加,但加人量超过0. 05%后,打浆度降低的幅度变小,这是因为理论上一定的纤维表面积只能吸附 一定量的阳离子瓜尔胶,当纤维吸附一定的瓜尔胶后,本身可提供的吸附点减少,此时再加人阳离 子瓜尔胶,则瓜尔胶被纤维吸附留着的比例下降,因而对滤水改善的幅度也减少。
由表1可见,随着阳离子瓜尔胶加人量的增加,细小纤维和填料的留着率明显增大,新型助留助滤剂阳离子瓜尔胶,在瓜尔胶 用量0.1%时,留着率达最高75. 4%,之后再增加瓜尔胶的用量留着率反而下降。由于纸页中填 料留着率增大,部分填料粒子将纤维与纤维隔开,减少了彼此之间的接触面积,影响了纤维之间的 结合力,因而导致纸页强度下降。从表1看出,阳离子瓜尔胶加人童在0.05%时,纸页强度包括裂 断长和撕裂指数较高,但耐折度不高。
表1 阳离子瓜尔胶加入量对留着率及纸页强度的影响
加入量
/%定量
/g • m _2紧度
/g • m’3裂断长
/km撕裂指数
/mN • m2 * g 1耐破度
/双折次留着率
/%
062.20.5073.798,75649.6
0,0162.10.5153.3509.84958.3
0.0364.30*5233,3109,04066.8
0.0565.00.5223.67010.33469.7
0,165.40*5233,3208.94075.4
0,1565.30.5323.2408,13672.7
注:溧白木桨,滑石粉25%,加入阳离子瓜尔胶DS =0,10 5-2 pH值对阳离子瓜尔胶助留助滤的影响
由图2可以看出,pH值在接近中性的6〜7范围内滤水效果最好,PH值偏大或偏小都会降低 瓜尔胶的助滤效果。
表2 pH值对阳离子瓜尔胶助留效果及纸页弦度的影响
pH值定量
/g * in-3紧度
/g . m_3裂断长
/km撕裂指数 /mN * m2 * g "1耐破度
/双折次留着率
/%
561.80.5203.158.83972.3
664*30,5233.319-04066.8
763.20,5093.049.34375.0
863.00.5243.1510,36372,8
965.30.5293.128.95973,2
注:漾白木菜,滑石粉25%,加入阳离子瓜尔胶(DS =0.10)0,05%
理论上pH值会影响浆料中悬浮粒子的动电性,pH值越小,新型助留助滤剂阳离子瓜尔胶,粒子表面负电性越弱,季胺化瓜尔 胶的正电荷密度越大,电荷中和产生的填料粒子絮凝占主要作用。PHH值较大时,粒子的负电性 大,粒子间的静电斥力大,对桥联絮凝有利。
由表2看出,pH值在7时粒子的留着率最高达75%,但从纸页强度来看,PH值在8时纸页的 强度最高。
5.3阳离子取代度对瓜尔胶助留助滤效果的影响
由图3看出,随着阳离子取代度不断增加,打浆度不断下降,但DS超过0.1后打浆度基本不 再变化。
图3 不同阳离子取代度对瓜尔胶助滤效果影响 理论分析认为,阳离子取代度越高,与带负电的细小纤维和填料粒子的电中和能力越强。但 取代度越高,与粒子表面接触点较多,而伸向溶液中的链列短,因而粒子间架桥能力减弱。瓜尔胶 分子量处于中等,其助留机理应以“补丁”机理为主。
由表3看出,随着取代度的增大,细小纤维和填料粒子的留着率明显升高,但强度下降较为明 显,因而,当用阳离子瓜尔胶作用助留助滤剂时应同时加增强剂以补充其强度损失。
表3阳离子取代度对瓜尔胶助留效果及纸页强度的影响
取代度/DS定量
/g • m-2紧度
/g • nT3裂断长
/km撕裂指数 /mN * m2 * g-1耐破度
/双折次留着率
/%
0.10563,70.5123.6410.210850.51
0.12062,70.5003.599,99948.55
0.14263.40.5143.339.55762.05
0.17164.30.5233.319.04066.8
0.18064.30.5153.5S8.44569.0
6结论
瓜尔胶由于本身所具有的与纤维结构相似性、天然环保性、水溶性等优点,新型助留助滤剂阳离子瓜尔胶,使它在造纸工业尤 其在卷烟纸等低定量纸的生产领域有着广泛的应用前景。目前,国外对瓜尔胶作为造纸增强剂、 助留助滤剂、絮凝絮、打浆增粘剂等领域都进行了深人的研究。许多成果应用于造纸实践中
阳离子瓜尔胶作为造纸湿部助留助滤剂使用时,0.05%的用量其效果已经较好,根据实际情 况可添加到(X 1% (对绝干浆);抄纸pH值在接近中性的6〜7范围内较好;阳离子取代度增大,助 留助滤效果增加,但应根据成本及效益权衡决定使用一定取代度的阳离子瓜尔胶;另外,阳离子瓜 尔胶对填料的留着可导致纸页强度的下降,应与增强剂配合使用。
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