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陽離子瓜爾膠半干法合成及其在造紙濕部的應用

發布日期:2014-10-14 10:42:17
陽離子瓜爾膠半干法合成及其在造紙濕部的應用研究
陽離子瓜爾膠半干法合成及其在造紙濕部的應用
陽離子瓜爾膠半干法合成及其在造紙濕部的應用,討論了半干法合成陽離子瓜爾膠(CGG)的影響因素,優化出合成陽離子瓜爾膠的最佳工藝 條件,并將所合成的陽離子瓜爾膠作為助留劑應用于廢紙脫墨漿。研究結果表明,半干法制備的陽 離子瓜爾膠對廢紙脫墨漿有良好的助留效果,當其用量為0.05%時,填料留著率提高了9%。

瓜爾膠(guar gum)是一 種天然的半乳甘露聚糖膠, 從產于印度、巴基斯坦等地 的瓜爾豆種子的胚乳中提取 得到1q。天然瓜爾膠作為
其混合均勻。再將陽離子醚化劑加入瓜爾膠中攪拌混 勻。放入烘箱,在指定溫度下反應一定的時間,得到 粗產品,粗產品用一定濃度的乙醇溶液浸泡、過濾、 洗滌、真空干燥后可得季銨型陽離子瓜爾膠。
1.2 2陽離子瓜爾膠取代度測定原理
造紙助劑時,可以提高紙頁本實驗采用瑞典產FOSS TECATOR定氮儀測定陽 
強度,減少灰斑形成并提高紙頁勻度。它的缺點是造 成漿料濾水困難,從而増加干燥部負荷。經過化學改 性的兩性或陽離子型瓜爾膠(CGG)很大程度地克服了 這一缺點[3]。瓜爾膠粉與叔胺或季銨鹽發生醚化反應 可以使瓜爾膠帶有一定的正電荷,從而更容易與帶負 電的纖維和填料發生作用[3]。陽離子瓜爾膠助劑在提 高紙頁留著和濾水的同時能保持或提高紙頁勻度,最 顯著的是改善細小纖維和填料的留著率146]。
資料介紹陽離子瓜爾膠的制備是采用溶劑法。溶 劑法使用大量的有機溶劑,生產成本高,安全性差。 而半干法制備工藝具有工藝簡單,反應效率高,能耗 低,環境污染小等特點。本實驗討論采用半干法工藝 制備陽離子瓜爾膠,考察半干法制備工藝中的各影響 因素,優化半干法制備陽離子瓜爾膠的工藝條件,并 將其用于造紙濕部,探索其助留性能。
1實驗
1.1實驗原料
瓜爾膠原粉(水分12.4%):進口;陽離子醚化 劑(環氧丙基三甲基氯化銨):山東某廠提供;廢紙脫 墨漿:天津某紙廠提供。
1.2實驗方法
離子瓜爾膠的含氮量,然后計算出陽離子瓜爾膠的取 代度。測定原理:陽離子瓜爾膠中氮在催化劑 kjeltabscu(該公司提供)的作用下進行消化(消化1h), 使瓜爾膠中的氮轉化成硫酸銨,然后通過蒸餾裝置釋 放出氨氣并收集到25mL、4%的硼酸溶液中,用標準 鹽酸滴定使吸收液由綠色至淺紫色,根據消耗的鹽酸 標準液體積計算出含氮量,然后換算成陽離子瓜爾膠 的取代度。氮含量計算公式:
N% = (T~r ) X C x 14 007
G x 10
其中:T滴定所消耗鹽酸的體積,mL
B——空白值,mL C——標準鹽酸濃度,mol/L r 一一試樣絕干質量,g 取代度計算公式:
_162 x N%
= (1400- 151.5 x N%)
1.2 3陽離子瓜爾膠反應效率測定原理[7]
反應效率(RE%)表示己滲透到瓜爾膠內部并與 瓜爾膠反應的陽離子化試劑占實際加入到反應體系中 的陽離子化試劑總量的百分數。
N1
《中國造紙》2005年第纖2期
將堿溶解在適量水中,噴入瓜爾膠中后攪拌,使 收稿日期:2004 1101(修改稿)
1.2. 1陽離子瓜爾膠的制備
RE% _ DS x -
 
式中:DS —取代度
N1 一加入瓜爾膠的摩爾數,mol N 2——加入醚化劑的摩爾數,mol 1.2. 4抄片實驗
取一定量的漿料于標準纖維疏解器內,按2%的
漿濃疏解5min后,加入一定量的滑石粉繼續疏解
1min,調漿濃0.5%,加入一定量的陽離子瓜爾膠,
攪拌后用Rapid K5then抄片器抄片。
1.2.5填料留著率的測定18]:
D.0■ 94|A - C) x (1 - B - D) x !00%
(B-C) x (1 -A-D) X 100%
其中,纖維灰分C、漿料灰分B、填料灼燒減量D、
紙頁灰分A的測定按TAPPI標準T4130m- 80進行。
2結果與討論
21陽離子瓜爾膠制備的影響因素
影響陽離子瓜爾膠制備的因素很多,陽離子瓜爾膠半干法合成及其在造紙濕部的應用,其中主要的 影響因素有用堿量、體系含水量、反應時間、反應溫 度以及醚化劑用量等。
2.1.1不同用堿量對取代度和反應效率的影響
從圖1可以看出,堿的加入能提高產品的取代度 和反應效率,但用堿量超過1.5%以后,反應效率和 產品取代度都會有所下降。這是由于適量的堿可使瓜 爾膠中羥基轉變為負氧離子,大大増強了瓜爾膠羥基 的親核能力,從而顯著提高了反應速率和反應效率。 但當用堿量超過一定量后,加速了陽離子化試劑中環 氧基和季銨基的分解,取代度和反應效率逐漸下降。 因此,用堿量1.5%左右為宜。
 
注反應條件:醚化劑加入量35%,體系含水量26% , 65 "C,5. Ch 圖1用堿量對取代度和反應效率的影響
2. 1. 2體系含水量對取代度和反應效率的影響
由圖2可看出,隨著體系含水量増加,反應效率和 取代度先増大而后下降。適量的水分可以使催化劑堿 和陽離子化試劑充分滲透到瓜爾膠顆粒中,使陽離子 化反應均勻順利地進行;若體系含水量太少,陽離子化 試劑和瓜爾膠不能混合均勻,而使反應效率和產品取 代度都比較低;含水量過多會促進陽離子化試劑及生 成的陽離子瓜爾膠的水解反應,導致產物取代度和反 應效率降低。由圖2可以看出,體系含水量在20%較 合適,此時產品取代度為0. 182,反應效率為48.6%。
 
注堿用量15%,其他條件同圖1。
圖2體系含水量對取代度和反應效率的影響
2.1.3反應溫度及反應時間對取代度的影響
由圖3可以看出,反應溫度不同,產品到達最大 取代度的時間也不同。反應溫度升高,反應速率加 快,達到最高取代度所需時間減少。反應時間延長有 利于瓜爾膠顆粒膨脹,使催化劑堿和陽離子化試劑容 易滲透到瓜爾膠顆粒中,提高了反應速率和反應效 率。但若反應時間過長,瓜爾膠發生膠化,陽離子化 試劑滲透到瓜爾膠顆粒中的能力下降,同時増加了陽 離子化試劑在堿性條件下的水解速度,使反應效率下 降。所以,在70°C條件下,反應4.5h左右為宜。
 
 
注體系含水量20%,其他同圖2。
圖3反應溫度及反應時間對產品取代度的影響
2. 1. 4醚化劑用量對取代度和反應效率的影響
由圖4可以看出,隨著醚化劑用量増加,陽離子 瓜爾膠取代度逐漸升高,陽離子瓜爾膠半干法合成及其在造紙濕部的應用,但反應效率則是先升后降。 由于瓜爾膠中可用于反應的羥基是恒定的,濃度超過 一定值后,可供取代的羥基相對量減少,另一方面空 間位阻増大,進行取代反應較困難,反應效率也就逐
U. 40"-lini.■ -170
 
注:用堿量1.5%,體系含水量20%,70°C,4 5h 圖4醚化劑用量對取代度和反應效率的影響
漸降低??紤]到產品性能及其成本,認為醚化劑加入 量在37%左右為宜。
2.2陽離子瓜爾膠(CGG)在廢紙脫墨漿中用作助留劑 2.2. 1 CGG用量對助留效果的影響
表1不同CGG用量對助留效果的影響
CGG用
量/ %定量
/ g. m- 2緊度
/ g* cm- 3耐折度 /次撕裂指數
/ mN* m2# g- 1裂斷長
/km填料留 著率/ %
065. 80 459125. 543. 6317 0
0.0169. 20 455115.213.5745 4
0. 0369. 30 464125. 303.7249 3
0. 0569. 90 46275.583.5557. 9
0. 1070. 50 457105. 663. 6768 7
0. 1565. 80 45585.013.4766 8
注 CGG的DS為0. 30(下同),滑石粉灼燒減量46 76%,纖維灰分 4 02% ,漿料灰分11. 85%。
由表1可以看出,隨著CGG用量増大,填料留 著率逐漸増大,紙頁裂斷長基本保持不變,當用量為 0.05%時,填料留著率為57.9%; CGG的加入,對廢 紙脫墨漿不但有助留助濾的作用,還具有一定的増強 作用。綜合考慮,確定CGG用量0.05%較適宜。
2.2.2 pH值對CGG助留效果的影響
表2 pH值對CGG助留效果的影響
pH值定量
/ g. m- 2緊度
/ g* cm- 3耐折度 /次撕裂指數
/ mN* m2# g- 1裂斷長
/ km填料留 著率/ %
470. 40 46697. 353.3553 6
671. 30 452146. 993.4855 1
769. 50 455107.213.5660 0
872. 30 467127. 393. 6660 9
1072. 20 486116. 803.4157 0
注CGG1用量0. 05%,其他條件同表1注,表3同。
由表2可以得出,隨著漿料pH值的升高,助留助 濾效果變好,當pH值為8時,陽離子瓜爾膠半干法合成及其在造紙濕部的應用,助留效果最好,填料留著 率最高達到60.9%。說明這種陽離子瓜爾膠在中堿 性條件下,效果較好。
2.2.3硫酸鋁用量對CGG助留助濾效果的影響
從表3可以看出,隨著硫酸鋁的加入,填料留著率 先升高后下降,紙頁裂斷長先増大后有變小的趨勢。 說明適量硫酸鋁的加入,有助于改善助留效果,并對紙 頁有一定的増強效果。實驗結果還表明,當硫酸鋁用 量超過1.0%時,對紙頁裂斷長和填料留著率都有不 利影響。
表3硫酸鋁用量對CGG助留效果的影響
用量
/%定量
/ g. m- 2緊度
/ g* cm- 3耐折度
/次撕裂指數
/mN* m2# g- 1裂斷長
/ km填料留 著率/%
空白6S. 40 442116. 543. 5417 4
067. 90 44996. 183. 5458 8
0 568. 20 448136. 183.5660 1
1 068. 40 450107. 113.6858 9
1 567. 40 441106.413. 4255 9
2 066. 40 457127. 133. 4455 2
3結論
3.1半干法制備陽離子瓜爾膠的較佳工藝條件為: 催化劑堿用量1. 5%,體系含水量20%,70 °C, 4.5 h,陽離子醚化劑用量為37%。在此工藝條件下, 可以制備出取代度0. 25以上的陽離子瓜爾膠。
3.2陽離子瓜爾膠對廢紙脫墨漿有較好的助留效果。 當DS為0. 30、用量為0. 05%時,填料留著率提高了 40. 9個百分點。CGG的加入,不但有助留作用,還有 一定的増強作用。陽離子瓜爾膠半干法合成及其在造紙濕部的應用,此類陽離子瓜爾膠在中堿性條件下 應用效果較好。
3.3加入適量的硫酸鋁對助留效果略有幫助,但若硫 酸鋁用量超過1. 0%,對CGG的助留效果有不利影響。
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