壳聚糖类造纸助剂的作用机理及应用.docx
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1、壳聚糖类造纸助剂的作用机理及应用wangsl导语:随着国民经济的开展和人民生活程度的进步,纸及纸制品的需求发生了明显的改变随着国民经济的开展和人民生活程度的进步,纸及纸制品的需求发生了明显的改变,特种纸、加工纸、高档纸供不应求,国家花费大量的外汇进口这类产品。为了改变这种状况,行之有效的方案之一是研制、开发相应的造纸化学品。当前广泛使用的造纸湿部助剂主要有合成高分子和天然高分子,前者固然具有很多上风,如本钱低、性能独特等,但根本上均为石油下游产品,而现存的石油资源短那么数十年、长那么一百年左右将会枯竭;而且这类合成高聚物绝大多数都不能生物降解,有的甚至有毒性,对生物、生态有不利的影响。显然,科
2、学的开展观直接影响新型造纸助剂的开发领域。天然高聚物以其可再生、无毒、生物相容、环境友好、;丰富,性能优良等特性,日趋受到人们的青睐,正逐步取代合成聚合物。工业上常使用的天然高聚物主要有淀粉及其改性物、纤维素及其改性物、瓜尔胶及其改性物、蛋白质及改性物,但普遍存在着用量大、效果欠佳等缺乏,如淀粉作内部添加剂在纸张上留着性能差、易产生沉积等。而分子构造与纤维素极其相似、易改性的壳聚糖那么早已被造纸化学品研究人员中的有识之士所关注。近年来,国内外对甲壳素及其衍生物在造纸业中的开发利用的研究非常活泼;其中,日本的研究最广泛,包括纸张施胶、增强、助留助滤、整饰和造纸废水处理,以及以壳聚糖为主要组分抄造
3、特种纸等,申请了大量的专利,并有很多成熟的工业产品问世。我国近期也有一些机构从事该项研究工作,主要集中在增强、助留助滤、特种纸上,开展势头良好。为使读者理解这一方面的新近研究和开展方向,本文在总结前人工作的同时,结合笔者近期研究的结果,就壳聚糖及其衍生物在造纸工业上的各类应用及作用机理作一综述。1壳聚糖及其衍生物在造纸工业中的应用壳聚糖及其衍生物能与纤维素强烈作用,是一种性能优良的造纸助剂,迄今发表的大量有关的研究报道及专利文献,几乎涉及到造纸工业的各个工序。1.1外表施胶剂或者辅助施胶剂草类纤维抄造出的纸张品质一般较差,壳聚糖强度高,成膜性好,与纤维素间的作用大,因此壳聚糖作草浆纤维纸张的外
4、表施胶剂更有实际意义,可大幅度改善纸张性能。0.11g/m2壳聚糖涂布于成纸外表上,能进步纸张的外表强度、柔软性及印刷性能。参加N一烷基壳聚糖纤维于硫酸盐浆中,抄造出的纸张有高的撕裂度、耐折度。与松香胶相比拟,壳聚糖作外表施胶剂时,有更高的干湿强度、耐破度、撕裂度,印刷性能、耐水性能及电绝缘性能。新闻纸、印刷纸、地图纸用、氰乙基壳聚糖=1外表处理,在不影响光泽度的前提下,能进步裂断长、耐破度、耐折度等,而且合适于多种浆料所抄纸张,可作为半化学浆、亚硫酸盐浆、硫酸盐浆、棉纤维、亚麻纤维纸张的外表施胶剂。壳聚糖与淀粉或者聚乙烯醇共混,也可作为外表复合施胶剂使用,质量比为1:99:1,以10的比例作
5、纸张外表施胶剂,纸张的撕裂度和断裂长可进步0.751倍;壳聚糖氧化淀粉共混,对双面胶版纸、铜版纸、晒图纸、静电复印纸外表施胶,可明显进步纸张的力学性能、印刷适性、染色鲜艳性。壳聚糖及其衍生物也可用于浆内施胶剂的增效。用烷基二烯酮AKD施胶时,在浆料中参加w壳聚糖醋酸或者盐酸溶液=0.10.4%,与环氧氯丙烷聚酰胺树脂PAE比拟,能有效进步AKD的留着率、填料的留着率及施胶度。这是由于参加到浆料中,壳聚糖阳离子被吸附到阳性AKD乳胶的阴离子部位,使AKD乳粒带上了正电荷,可与带负电荷的纤维吸附,进而进步了AKD的留着率。用wAKD=0.05或者w烯基唬珀酸酐ASA=0.01施胶时,参加壳聚糖=0
6、.5%,w羧甲基纤维素=1或者w羧乙基纤维素=1时,均可进步胶料的留着率,施胶度都可到达38s。1.2纸张增强剂理想的增强剂通常应具备一定的条件:1线型水溶性聚合物,相对分子质量大,成膜才能强,对纤维有足够粘合强度;2与纤维素有好的相容性,不破坏纤维素分子间的氢键;3功能基团能充分接触纸纤维,且能通过离子键或者氢键与之结实结合;4无毒、可生物降解的天然产物。壳聚糖能知足上述条件,因此是理想的纸张增强剂。壳聚糖作为纸张增强剂的作用机理有着大量的文献资料,目前一般以为它能从三个方面进步纸张的机械强度,即干强度,湿强度及初始湿强度。1.2.1干强剂壳聚糖参加到浆料中,首先被带负电的纤维素的外表吸附,
7、成纸时填充于纤维之间,这种填充作用必将增大纤维间的结合面积,同时分子上的诸多基团与纤维外表上的基团彼此间形成相应的化学键氢键、离子键,在枯燥经过中,水分的蒸发为壳聚糖一纤维素分子间的化学作用提供了更多的时机,即可形成更多的氢键,进而进步纸张的强度。w壳聚糖=0.5与w阳离子淀粉=0.05和w环氧氯丙烷聚酰胺=0.0l复配,作阔叶木浆增强剂,成纸裂断长达4.0km,Allan等研究说明,消费印刷纸的纸张强度与壳聚糖颗粒的大小成反比,与脱乙酰度成正比;对于打浆度高或者低的浆料,抗张强度都有明显地进步,其干增强效果比某些常用助剂,如聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺要更好些。将w壳聚糖=0.52喷洒到成形的湿纸
8、页上,抗强度和耐破度得到进步,撕裂因子稍有下降。实验还发现,添加剂的添加方式对纸页强度也有影响,通过喷雾方法将壳聚糖喷洒于纸页上,效果最好量少、经济、方便;用碱液使溶解的壳聚糖沉淀于纤维上,抄造出的纸页的强度次之;让溶解的壳聚糖吸附于纤维外表后抄造出的纸页,其强度增大的幅度最些用三聚磷酸钠、乳酸和壳聚糖处理植物纤维纸,纸的抗水性能大大进步。壳聚糖与其他试剂的共聚物往往具有更好的复合增强效果,Slagel等将丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙基磺酸与壳聚糖共聚后参加到浆料中,替换壳聚糖,在同等条件下抄制手抄片,其耐破强度和抗张强度分别比空白纸页进步54.4和22,1%,而单纯的壳聚糖仅进步12.
9、1和18.5。壳聚糖与阳离子淀粉接枝共聚,能有效地进步纸的物理强度,并促进填料的留着,最正确用量为w共聚物1.0%;与空白纸相比,断裂长进步了77.8%,耐破度进步了44.7%,其增强效果优于阳离子淀粉和壳聚糖。Laleg等研究说明:在pH=5时,w壳聚糖=2可使裂断长进步了8.4%,抗张能量吸收进步24.5%,撕裂指数进步7.7%,戳穿指数进步23%;当pH=10时,上述参数分别进步68%,234,53,及106。1.2.2湿强剂壳聚糖也能增加湿强度。由于浆料经漂白等氧化作用后,纤维素、半纤维素分子上含有一定的醛基,这些醛基在一般的纸抄造经过中就能与壳聚糖上的氨基作用,生成Shiff碱,进而
10、进步了成纸的湿强度。此外,壳聚糖在碱性条件下沉积于浆料外表上时,能大幅度进步湿强度,如当湿度为60%,pH=10,壳聚糖用量为2g/100g纤维时,其湿强度进步4倍多。pH=5时,湿强也能增加3倍以上。壳聚糖盐0.1g/100g纤维与环氧聚酰胺树脂0.2g/100g纤维的混合溶液参加到漂白化学浆中,抄造出的纸张有高的干、湿强度。1.2.3初始湿强剂Allan等最早发现,将壳聚糖喷洒在从未枯燥过的纸片上时,湿纸幅强度明显进步;Laleg等也发现,w壳聚糖1参加到40固含量的磨石磨木浆湿纸幅上,当pH=5,7.5及9时,湿纸幅的撕裂长分别进步50%,60%,及100%。这与很多增强剂不同,普通的增
11、强剂通常不增加湿纸强度,有的甚至会降低这一参数。因此,壳聚糖既可进步成纸的物理机械性能,又能改善纸机设备运行效率,十分合适碱性造纸体系。1.3助留助滤剂季铵化的壳聚糖和酸性溶液中的壳聚糖都是聚阳离子高分子化合物,可通过电荷中和作用,几乎完全吸附于浆料中的纤维、细小纤维、溶解性的半纤维素及亲脂抽出物等胶体状物的外表之上,与溶解性的碳水物,如-、-纤维素间生成聚电解质复合物;与无机填料存在静电中和、桥联、镶嵌及氢键作用,并使之絮凝,因此可进步浆料中的细小纤维、填料以及各种助剂的留着率。Seika研究聚氧乙烯在脱墨新闻纸浆中的留着时发现,壳聚糖比传统的酚醛树脂效果好、使用量少。Allen等在比拟壳聚
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