介紹了一種新型造紙助劑——瓜爾膠及其改性產(chǎn)物,揭示了其內(nèi)在的分子結(jié)構(gòu)特點及行為特性,并闡述其性能優(yōu)越的根本原因。研究表明,它能適應(yīng)現(xiàn)代工廠零排放的要求,在提高紙頁留著和濾水的同時能保持或提高紙頁勻度,是一種前景廣闊的環(huán)保助劑。
關(guān)鍵詞:造紙助劑;瓜爾膠;陽離子瓜爾膠;助留助濾
瓜爾膠,英文名為“guargum”,是從廣泛種植于印巴次大陸的一種豆科植物——瓜爾豆中提取的一種高純化天然多糖。由于其獨特的分子結(jié)構(gòu)特點及天然性,使其迅速成為性能優(yōu)越的新型環(huán)保造紙助劑;同時它還被廣泛應(yīng)用于食品、石油、醫(yī)藥等領(lǐng)域。
瓜爾膠就分子結(jié)構(gòu)來說是一種非離子多糖,它以聚甘露糖為分子主鏈,D-吡喃甘露糖單元之間以β(1-4)苷鍵連接。而Ｄ-吡喃半乳糖則以α(1-6)鍵連接在聚甘露糖主鏈上。瓜爾膠中甘露糖與半乳糖單元之摩爾比為2∶1,即每隔一甘露糖單元連接著一個半乳糖分支。文獻(xiàn)中報道,瓜爾膠的分子量在220000左右。瓜爾膠分子的最大特點也即最大優(yōu)點便是與纖維素結(jié)構(gòu)非常相似,這種相似性使它對纖維素有很強(qiáng)的親和性,稱之為直接性(substaｎtivity)。
瓜爾膠的最初出現(xiàn)是作為刺槐豆膠(Locustbeangum)的替代品而產(chǎn)生的。在此之前,刺槐豆膠被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)并造成了需求緊張。后來研究證明,雖然瓜爾膠和刺槐豆膠均為聚半乳糖甘露糖,但二者在化學(xué)組成和行為上有著明顯的區(qū)別。刺槐豆膠要達(dá)到最大粘度需要高溫水煮,而瓜爾膠在冷水中就可以水化。化學(xué)組成上,刺槐豆膠平均每4個甘露糖單元才有1.5個乳糖支鏈。所以瓜爾膠分支單元數(shù)為刺槐豆膠的2倍。而這被認(rèn)為是瓜爾膠比刺槐豆膠更容易水化和氫鍵結(jié)合活性更大的主要原因。除此之外,瓜爾膠的成本僅是刺槐豆膠的一半。
瓜爾膠直鏈上沒有非極性基團(tuán),大部分伯羥基和仲羥基都處在外側(cè),而且半乳糖支鏈并沒有遮住活性的醇羥基。因而瓜爾膠具有最大的氫鍵結(jié)合面積,當(dāng)與纖維結(jié)合時,形成的氫鍵結(jié)合距離短,結(jié)合力大。為賦予瓜爾膠更好的使用性能,通常對瓜爾膠原粉進(jìn)行化學(xué)改性。瓜爾膠的改性主要有兩個方向:一是在分子鏈上引入陽離子基團(tuán),從而獲得一定的正電性。如用季銨鹽3-氯2-羥丙基氯化銨與瓜爾膠原粉在有機(jī)溶劑中醚化反應(yīng)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(fù)電的纖維、填料粒子相互作用從而提高原有的助留、助濾和增強(qiáng)效果。另一改性方向便是設(shè)法增加瓜爾膠分子鏈的長度,增大其分子量,從而增強(qiáng)其架橋連接能力。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(yōu)勢。
另外,許多淀粉分子形成螺旋狀結(jié)構(gòu),而瓜爾膠分子則形成直鏈結(jié)構(gòu)。所以瓜爾膠的活性基團(tuán)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(dá)到較多量陽離子淀粉才能達(dá)到的使用效果。當(dāng)今,聚丙烯酰胺和改性淀粉廣泛應(yīng)用于造紙中的助留助濾劑。但其效果只能達(dá)到一定程度。它們在提高濾水的同時可能使纖維過度凝聚,從而降低紙頁勻度和強(qiáng)度。天然瓜爾膠作為造紙助劑時,可以提高紙頁強(qiáng)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(chǎn)量或提高了干燥部負(fù)荷。而經(jīng)過化學(xué)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(fā)現(xiàn),這些改性的瓜爾膠能在提高紙頁濾水的同時保持或提高紙頁勻度;通過吸附細(xì)小纖維和粒子可以進(jìn)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),所以它并不與“陰離子垃圾”反應(yīng)。鑒于這一點,陽離子瓜爾膠在黑液的存在下仍能有效地發(fā)揮作用。對于新聞紙、未漂硫酸鹽漿、廢紙漿等含有較多雜質(zhì)的漿料,隨著封閉水循環(huán)的推廣,陰離子垃圾的積累將顯著增加。這便會使得許多傳統(tǒng)的造紙助劑如陽離子聚丙烯酰胺(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(fā)現(xiàn),陽離子瓜爾膠在Zeta電位從-8ｍV到0ｍV范圍內(nèi)效果最好。該Zeta電位范圍與絕大部分造紙過程相吻合。
國外對瓜爾膠作為造紙增強(qiáng)劑、助留助濾劑、絮凝劑、打漿增粘劑等領(lǐng)域都進(jìn)行了深入的研究。許多成果應(yīng)用于造紙實踐中。Lindstrom和Soremark將高分子助劑被漿料吸收并發(fā)揮作用的過程分為三步:
①助劑高分子從溶液向溶液—纖維界面遷移;
②穿過界面;
③助劑高分子與纖維重新組織分布并在表面形成氫鍵結(jié)合。
②或③是決定性步驟。
DerekＡbson等人在此基礎(chǔ)上對4種造紙助劑陽離子淀粉(CS)、陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)、陽離子瓜爾膠(CGG)、陽離子聚乙烯醇(CPVA)的助留助濾效果在動態(tài)濾水儀上進(jìn)行了實驗研究。他們發(fā)現(xiàn),步驟①是決定性一步。在4種陽離子助劑中,雖然陽離子瓜爾膠第①步的遷移吸收速率最慢,但無論對細(xì)小纖維還是填料,其助留助濾效果都是最好的。
Swanson研究表明,0.5%的分散刺槐豆膠加入漂白亞硫酸鹽漿可以降低70%的打漿時間并提高32%的耐破度。而瓜爾膠被認(rèn)為效果更佳。Mason認(rèn)為瓜爾膠作為絮凝劑時會覆蓋于纖維表面,并像潤滑劑一樣使粗糙表面平滑,從而使纖維滑過時不產(chǎn)生纏結(jié)。JohnW.Swanson也認(rèn)為瓜爾膠使紙頁勻度改善并不是因為它對纖維有分散作用,而是因為延緩了纖維的凝聚和纏結(jié)。
瓜爾膠使用簡單,不需要單獨溶解設(shè)備,沒有分子鏈的剪切降解問題,無毒無害。陽離子瓜爾膠也可以與陽離子淀粉及合適的有機(jī)酸混合后作為增強(qiáng)和助濾劑,它比單獨使用陽離子瓜爾膠或陽離子淀粉效果都好。隨著對瓜爾膠研究的深入,這種天然的高分子造紙助劑必定會在現(xiàn)代化的造紙工業(yè)中發(fā)揮更大作用。
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