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新型助留助濾劑陽離子瓜爾膠

發布日期:2015-03-03 23:55:48
新型助留助濾劑陽離子瓜爾膠
新型助留助濾劑陽離子瓜爾膠,瓜爾膠,是從種植于印巴次大陸的豆科植物瓜豆中提取的一種植物膠。它在化學組成
上是聚半乳糖甘露糖。由于其獨特的分子結構及物理化學特性,使它成為一種很有潛力的新型環 保造紙助劑。目前國內對此研究很少。
1瓜爾膠的特點
瓜爾膠的首要特點是因瓜豆生長于髙溫、干旱缺水的環境,新型助留助濾劑陽離子瓜爾膠,因此其不耐水,在冷水中便可以水 化、溶解。這與淀粉系列助劑使用前需要棚化相比是一個很大的優勢。
瓜爾膠的另一特點是分子結構與纖維素分子非常相似,這種相似性使它對纖維素有很強的親 和性,稱為直接性。在應用時,瓜爾膠比剌槐豆膠(被廣泛地用于工業生產)更容易水化;在化學組 成上瓜爾膠的分支單元數是次槐豆膠的2倍,并且瓜爾膠直鏈上沒有非極性基團,大部分伯羥基 和仲羥基都處于外側,半乳糖支鏈并沒有遮住活性的醇羥基,閱此具有更大的氫鍵活性。瓜爾膠 分子中甘露糖單元通過1,4 - p苷鍵連接成主鏈,半乳糖支鏈則以1,6 - <x鍵間隔與甘撂糖主鏈相 連。與纖維素分子的相似性使它易于吸附到纖維上而產生助留、助濾和增強效果。瓜爾膠與PAM 等助劑相比,分子量不髙,因而不會產生過度絮凝。所以,瓜爾膠做助留劑時,有明顯的助留效果, 同時并不影響紙頁勻度。另外,造紙過程中對纖維的潤脹及紙頁強度有重要作用的半纖維素(主 要是甘露糖和木糖)會在蒸煮過程中損失,而瓜爾膠的應用可以起到補充天然半纖維素的作用。
它的缺點是造成濾水困難,從而增大了干燥部負荷。經過化學改性的兩性或陽離子性的瓜爾 膠則在很大程度上克服了這一弊病。
2瓜爾膠性能及改性
陽離子瓜爾膠在冷水中可溶,這與陽離子淀粉相比是一個很大優勢。另外,許多淀粉分子形 成螺旋狀結構,而瓜爾膠分子則形成直鏈結構。所以瓜爾膠的活性基團比陽離子淀粉更容易與纖 維接近,從而少量的陽離子瓜爾膠便可能達到較多量陽離子淀粉才能達到的使用效果
為賦予瓜爾膠更好的使用性能,通常對瓜爾膠原粉進行化學改性。瓜爾膠的改性主要有兩個 方向:一是在分子鏈上引人陽離子基團,從而獲得一定的正電性。如用季銨鹽3 -氣-2 -羥丙基 氣化按與瓜爾膠原粉在有機溶劑中醚化反應生成陽離子瓜爾膠。這種帶正電的改性瓜爾膠便可 以與帶負電的纖維、填料粒子相互作用從而提髙原有的助留、助濾和增強效果。另一改性方向便 是設法增加瓜爾膠分子鏈的長度,增大其分子置,從而增強其架橋連接能力。
3與傳統助留助濾劑的比較
當今,聚丙燦酰胺和改性淀粉廣泛應用于造紙中的助留助濾劑。但其效果只能達到一定程 度。它們在提髙濾水的同時可能使纖維過度凝聚,從而降低紙頁勻度和強度。天然瓜爾膠作為造 紙助劑時,可以提高紙頁強度,減少灰斑形成并提高紙頁勻度。但它的缺點便是造成濾水困難,從 而降低了產量或提高了干燥部負荷。而經過化學改性的兩性或陽離子瓜爾膠則在很大程度上克 服了這一弊病。實驗發現,這些改性的瓜爾膠能在提高紙頁濾水的同時保持或提髙紙頁勻度;通 過吸附細小纖維和粒子可以進一步改善濾水,同時提高一次留著率。而在過去,這兩方面都是互
斥的。
由于陽離子瓜爾膠的有效性主要取決于它與纖維的親和性(即直接性),新型助留助濾劑陽離子瓜爾膠,所以它并不與“陰離 子垃圾”反應。鑒于這一點,陽離子瓜爾膠在黑液的存在下仍能有效地發揮作用。對于新聞紙、未 漂硫酸鹽漿、廢紙漿等含有較多雜質的漿料,隨著封閉水循環的推廣,陰離子垃圾的積累將顯著增 加c這便會使得許多傳統的造紙助劑如陽離子聚丙稀醜胺(CPAM)等失去作用效果。陽離子瓜爾 膠可以有效地克服這一點。實驗研究發現,陽離子瓜爾膠在Zeta電位從-8mV到OmV范圍內效 果最好。該Zeta電位范圍與絕大部分造紙過程相吻合。
4研究瓜爾膠的意義
造紙化學品的研究工作發展到今天,已有很多種效果不錯的助留助濾劑被人們開發和應用, 并且取得了顯著的成績。瓜爾膠在造紙中的應用國內尚不多。隨著現代造紙的發展。適應髙速 紙機、零排放以及環保的要求,瓜爾膠及其改性物在造紙中應用的研究有著重要意義:
(1)隨著封閉水循環的推廣。新聞紙、未漂硫酸鹽漿、廢紙漿等漿料的陰離子垃圾的積累將 顯著增加,這就會使許多傳統的造紙助劑,如聚丙烯酸胺(PAM )等失去作用,而陽離子瓜爾膠的吸 附作用主要是因為瓜爾膠的分子結構與纖維分子相似,陰離子垃圾的存在并不能左右瓜爾膠吸附 纖維和填料。所以陽離子瓜爾膠作為濕部添加劑時可以有效地克服這一問題。
(2)聚丙稀釀胺和改性淀粉作為助留助濾劑使用時,在加快濾水的同時可使纖維過度凝聚, 從而降低紙頁的勻度和強度。而陽離子瓜爾膠能在加快紙頁濾水的同時保持或提高紙頁的勻度。
(3)瓜爾膠使用簡單,不需要單獨的溶解設備,沒有分子董剪切問題,且無毒無害,抄造髙檔 卷煙紙尤為適合,在食品包裝紙上也有很大的意義。
5瓜爾膠對紙漿性能的影響
5.1陽離子瓜爾膠加人量對漂白硫酸鹽木漿的助留助濾作用
LZ0
圖1
困2 pH值對陽離子瓜爾膠濾水性能的影響
陽離子瓜爾膠通過電荷中和與架撟作用使細小纖維與填料粒子絮凝到纖維表面,從而起到助 留助濾作用。由圖1可以看出,隨陽離子瓜爾膠加人量增大,打漿度不斷下降,即助濾效果不斷增 加,但加人量超過0. 05%后,打漿度降低的幅度變小,這是因為理論上一定的纖維表面積只能吸附 一定量的陽離子瓜爾膠,當纖維吸附一定的瓜爾膠后,本身可提供的吸附點減少,此時再加人陽離 子瓜爾膠,則瓜爾膠被纖維吸附留著的比例下降,因而對濾水改善的幅度也減少。
由表1可見,隨著陽離子瓜爾膠加人量的增加,細小纖維和填料的留著率明顯增大,新型助留助濾劑陽離子瓜爾膠,在瓜爾膠 用量0.1%時,留著率達最高75. 4%,之后再增加瓜爾膠的用量留著率反而下降。由于紙頁中填 料留著率增大,部分填料粒子將纖維與纖維隔開,減少了彼此之間的接觸面積,影響了纖維之間的 結合力,因而導致紙頁強度下降。從表1看出,陽離子瓜爾膠加人童在0.05%時,紙頁強度包括裂 斷長和撕裂指數較高,但耐折度不高。
表1 陽離子瓜爾膠加入量對留著率及紙頁強度的影響
加入量
/%定量
/g • m _2緊度
/g • m’3裂斷長
/km撕裂指數
/mN • m2 * g 1耐破度
/雙折次留著率
/%
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:溧白木槳,滑石粉25%,加入陽離子瓜爾膠DS =0,10 5-2 pH值對陽離子瓜爾膠助留助濾的影響
由圖2可以看出,pH值在接近中性的6?7范圍內濾水效果最好,PH值偏大或偏小都會降低 瓜爾膠的助濾效果。
表2 pH值對陽離子瓜爾膠助留效果及紙頁弦度的影響
pH值定量
/g * in-3緊度
/g . m_3裂斷長
/km撕裂指數 /mN * m2 * g "1耐破度
/雙折次留著率
/%
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%,加入陽離子瓜爾膠(DS =0.10)0,05%
理論上pH值會影響漿料中懸浮粒子的動電性,pH值越小,新型助留助濾劑陽離子瓜爾膠,粒子表面負電性越弱,季胺化瓜爾 膠的正電荷密度越大,電荷中和產生的填料粒子絮凝占主要作用。PHH值較大時,粒子的負電性 大,粒子間的靜電斥力大,對橋聯絮凝有利。
由表2看出,pH值在7時粒子的留著率最高達75%,但從紙頁強度來看,PH值在8時紙頁的 強度最高。
5.3陽離子取代度對瓜爾膠助留助濾效果的影響
由圖3看出,隨著陽離子取代度不斷增加,打漿度不斷下降,但DS超過0.1后打漿度基本不 再變化。
圖3 不同陽離子取代度對瓜爾膠助濾效果影響 理論分析認為,陽離子取代度越高,與帶負電的細小纖維和填料粒子的電中和能力越強。但 取代度越高,與粒子表面接觸點較多,而伸向溶液中的鏈列短,因而粒子間架橋能力減弱。瓜爾膠 分子量處于中等,其助留機理應以“補丁”機理為主。
由表3看出,隨著取代度的增大,細小纖維和填料粒子的留著率明顯升高,但強度下降較為明 顯,因而,當用陽離子瓜爾膠作用助留助濾劑時應同時加增強劑以補充其強度損失。
表3陽離子取代度對瓜爾膠助留效果及紙頁強度的影響
取代度/DS定量
/g • m-2緊度
/g • nT3裂斷長
/km撕裂指數 /mN * m2 * g-1耐破度
/雙折次留著率
/%
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結論
瓜爾膠由于本身所具有的與纖維結構相似性、天然環保性、水溶性等優點,新型助留助濾劑陽離子瓜爾膠,使它在造紙工業尤 其在卷煙紙等低定量紙的生產領域有著廣泛的應用前景。目前,國外對瓜爾膠作為造紙增強劑、 助留助濾劑、絮凝絮、打漿增粘劑等領域都進行了深人的研究。許多成果應用于造紙實踐中
陽離子瓜爾膠作為造紙濕部助留助濾劑使用時,0.05%的用量其效果已經較好,根據實際情 況可添加到(X 1% (對絕干漿);抄紙pH值在接近中性的6?7范圍內較好;陽離子取代度增大,助 留助濾效果增加,但應根據成本及效益權衡決定使用一定取代度的陽離子瓜爾膠;另外,陽離子瓜 爾膠對填料的留著可導致紙頁強度的下降,應與增強劑配合使用。
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