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阳离子壳聚糖在卷烟纸抄造中的应用研究

发布日期:2015-05-09 22:36:39
壳聚糖
壳聚糖(Chitosan,CTS),化学名为聚/3- (1,4)-2-氨基-2-脱氧-D-葡聚糖,化学结构和纤维素类 似,是一种天然高分子多糖,在自然界中储量仅次于 纤维素。近几年来,壳聚糖在造纸工业中的应用研究 也十分令人关注,壳聚糖及其衍生物广泛应用在造纸 生产助留增强中[W,是一类极有发展前途的造 纸用精细化学品。
 
卷烟纸对强度和匀度要求较高,目前在卷烟纸生 产中普遍使用瓜尔胶作为助留助滤剂和增干强 剂?1]。瓜尔胶具有与纤维素相类似的结构,含有一 级和二级羟基,有较高的反应活性。而壳聚糖除了含 有一级和二级羟基外,还含有活性更强的一级氨基, 容易转化为带正电的铵根离子,具有更高的电荷密 度,使得在卷烟纸生产中壳聚糖比瓜尔胶有着更好的 应用前景。但是壳聚糖水溶性较差,只溶于一些稀 酸,目前,卷烟纸抄造的中碱性环境将使得溶于酸的 壳聚糖析出,限制了壳聚糖的应用范围。所以,用水 溶性的壳聚糖衍生物替代瓜尔胶做卷烟纸生产助剂有 着重要的意义。
 
本实验用阳离子醚化剂2, 3-环氧丙基三甲基氯 化铵(ETA)对壳聚糖进行季铵化改性合成了水溶性壳聚糖衍生物2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖 (HTCC),并考察了其对湿部细小组分留着率、灰分 留着率、纸张透气度和抗张强度等的影响
 
1实验1.1原料壳聚糖:脱乙酰度95%,相对分子质量20万, 食品级,济南海得贝海洋生物工程上海快3开奖结果产品; ETA:江苏无锡三开髙纯化工上海快3开奖结果产品,纯度 90%;瓜尔胶:河北天时化工上海快3开奖结果产品,黏度 800 ~1500 mIVs (质量分数1%的水溶液);异丙醇、 无水乙醇、冰醋酸等其他试剂均为分析纯;桉木浆 (打浆度30°SR);北美针叶木浆(打浆度8(TSR)。
 
1.2仪器KDN-08C凯式定氮仪(上海洪纪设备上海快3开奖结果产 品);VECTOR-22 红外光谱仪(American Bruker Optics Co.,美国产);0305S动态滤水仪DDJ (Gist Co.,韩 国产);970154 浆料疏解机(Lorentzen&Wettre Co., 瑞典产);95854标准纸页成形器(Canada Labtech In- strumentsCo.,加拿大产);LP2000-11 浊度仪(HAN- NA Instrument Co.,意大利产);SZP06 Zeta 电位仪 (BTGCa,德国产)。
 
1.3HTCC的合成与表征称取一定量的壳聚糖分散于装有适量异丙醇的三 口烧瓶中,水浴加热并搅拌,60^恒温溶胀40min, 然后慢慢滴加一定浓度的ETA水溶液,缓慢升温至 85^,恒温搅拌9 h后,将产物用无水乙醇洗涤、抽 滤,真空烘箱干燥得HTCC粗产物。将干燥后的 HTCC粗产物溶于水,3G砂芯漏斗过滤,滤液在5 倍体积丙酮中沉淀得到精制产物淡黄色沉淀物。合成 1#和2# HTCC样品的ETA和壳聚糖的物质的量之比 分别为 3.0:1.0 和 1.5:1.0。
 
将精制的HTCC和KBr混合压片,以KBi?为参 比,用红外分光光度计测定HTCC的红外光谱。 HTCC取代度通过凯氏定氮仪按照GB/T 5009. 5— 2003进行测定[12]。
 
1.4浆料Zeta电位的测定浆料配好后量取500 mL,调温到(25±1)尤, 搅拌均匀,用Zeta电位仪测定浆料的Zeta电位。
 
1.5细小组分留着率的测定细小组分留着宰通过采用动态滤水仪DDJ与浊 度仪配合使用的方法来测定[13]。细小组分宁着率是 指浆料通过造纸网留在纸页上的细小组分占浆料总细 小组分的比例。计算公式为:? 26 ?
 
细小组分留着率=(1 -滤液浓度/试样细小组 分浓度)X100%1.6手抄片的抄造与性能检测(1)手抄片的抄造:取一定量打好浆的混合浆 料于浆料疏解机内,按2%的浆浓疏解5 min后,配 成0.5%的浆浓,按要求加入填料和助剂,搅拌后, 用标准纸页成形器抄片。
 
(2)纸张性能检测纸张在恒温恒湿条件下平衡24 h,按国家标准方 法检测纸张性能。透气度按照国家标准GB/T 12655 — 2007进行测定;抗张强度按照国家标准GB/ T 453—1989进行测定。
 
2结果与讨论2.1HTCC的结构表征图1是壳聚糖及其衍生物HTCC的红外光谱图。 对比壳聚糖和HTCC的谱图可知,季铵盐谱图中伯 胺基的N—H面内弯曲振动引起的中强吸收峰 (1595 cm—1)消失,而在l^OcnT1处出现甲基的 弯曲振动强吸收峰与3000 cuT1处出现C一H伸缩振 动峰。W80 cnT1处的强吸收峰是由于一CH2和一 CH3弯曲振动的结合频造成的,说明壳聚糖分子的亲 核中心一NH2上引人了羟丙基三甲基氯化铵的季铵 盐侧链。
 
用凯式定氮法分别对1#和2#壳聚糖季铵盐HTCC 样品进行测定:1#HTCC的取代度为0.5, 2#HTCC 的取代度为0.2。
 
2.2HTCC用量对浆料Zeta电位的影响图2是加人不同用量的壳聚糖及其季铵盐衍生物 后,浆料Zeta电位的变化。由图2可以看出,随着 不同取代度的改性壳聚糖的加入,电位变化趋势基本 相同,都比原来的壳聚糖效果好,加人1#HTCC对浆China Pulp & Paper VoL 29, Na 8, 2010料Zeta电位的影响更明显。这是由于纤维表面的Zeta 电位为负值,HTCC的电位为正值,随着HTCC加入 量的增加,体系电位升高,向正的方向变化。而1# HTCC阳离子取代度较2#HTCC的大,电荷密度大, 能较快地使Zeta电位达到零点。
 
2.3HTCC用量对留着的影响图3是加入不同用量的壳聚糖及其季铵盐衍生物 后,细小组分留着率的变化。由图3可以看出,1# HTCC比2#HTCC对细小组分的留着效果要明显,而 改性的壳聚糖比未改性的助留效果好。
 
86 r_00.51.01.52.02.5不同取代度的HTCC对绝干浆料的质量比/mg ? g-1图3壳聚糖及其季铵盐衍生物用量对 细小组分留着率的影响带正电的HTCC通过架桥和补丁机理将细小组分 (包括细小纤维和填料)吸附连接到显负电纤维上, 从而使得细小组分留着在纸张中,但随着HTCC过 量,使得浆料体系带上正电彼此排斥,细小组分留着 率则开始下降。这是由于1#HTCC的取代度比2# HTCC的高,电荷密度较大,使得要达到同样的留 着,所需的2#HTCC量要多些。当HTCC对绝干浆料 的质量比处在1.0 ~ 1.5 mg/g时,细小组分留着率较 高,此时,浆料Zeta电位在-5mV左右,这与文献 [14]研究得出的Zeta电位微负是最佳留着点的结论 一致。
 
实验对不同用量的瓜尔胶与1#HTCC的助留效果 进行对比,结果如图4所示。
 
由图4可见,在1#HTCC的用量为0.5 mg/g时,《中国造纸》2010年第29卷第8期万方数据助留剂对绝千浆料的质量比/mg ? g"1 图4 ”HTCC和瓜尔胶助留效果的比较1#1^0:灰分留着率28.5%,瓜尔胶的灰分留着率 17.3%,这是由于同样是在水溶液中,未改性的壳聚 糖本身就带正电,这就决定了阳离子改性后, 1#HTCC的电荷密度比瓜尔胶大,留着率比较高。当 1#HTCC用量为lmg/g时,与瓜尔胶具有相近的灰分 留着率。
 
2.4HTCC用量对纸张性能的影响2.4.1HTCC用量对纸张透气度的影响图5是加人不同用量的壳聚糖及其季铵盐衍生物 后,纸张透气度的变化。由图5可以看出,1#HTCC 比2#HTCC使纸张透气度上升得快,HTCC比壳聚糖 使纸张透气度提升得快。这与壳聚糖及其衍生物对纸 料的留着有关,尤其是对填料的留着,因为填料对提 高透气度有帮助。随着壳聚糖及其季铵盐衍生物的加 入,填料的留着率升高,相应的透气度也升高;在最 高点后继续增加壳聚糖及其季铵盐衍生物用量,填料 留着已不再明显增加,透气度的曲线也趋于平缓。由 于1#HTCC的取代度比2#HTCC的髙,填料留着率 高,对纸张透气度的提高相应也大。
 
壳聚糖及其季铵盐衍生物对绝干浆料的质量比/mg ? g-i 图5壳聚糖及其季铵盐衍生物用量对纸张透气度的影响2.4.2HTCC用量对纸张抗张强度的影响图6是不同用量的壳聚糖及其季铵盐衍生物加人 后纸张抗张强度的变化。由图6可以看出,抗张强度 曲线都呈现先上升后下降的变化趋势。1#HTCC比 2#HTCC对纸张抗张强度提高得快,1#和2#HTCC都 比壳聚糖对纸张抗张强度的提高作用好。这与壳聚糖 及其衍生物对浆料细小组分的留着有关,细小纤维对 提高纸张抗张强度有帮助作用,填料对提高纸张抗张 强度有消极作用。开始曲线上升,是因为随着细小组 分的留着上升,这时候主要是细小纤维占主导作用; 随着细小组分留着的增大,留着的填料成为对纸张抗 张强度影响的主要因素,导致纸张抗张强度随之下 降。由于1#HTCC的取代度比2#HTCC的高,对细小 组分的留着效果好,对纸张抗张强度的提高相应也 快,而HTCC比壳聚糖的应用效果好,也归因于对细 小组分的留着。
 
壳聚糖及其季铵盐衍生物对绝干浆料的质量比/mg ? g 1 图6壳聚糖及其季铵盐衍生物用量对纸张抗张强度的影响3结论3.1对壳聚糖进行了季铵盐改性,并通过红外光谱 图证明了壳聚糖季铵盐2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚 糖(HTCC)的生成。
 
3.2对HTCC的助留效果及其对卷烟纸手抄片主 要性能的影响进行了研究。结果表明,取代度为 0. 5的HTCC用量为1 mg/g时,细小组分留着率 达85. 2%,灰分留着率达到了 22. 7%,透气度达 24. 5 cm3/( min,cm2),抗张强度为 1. 54 kN/m。 3.3对取代度为0.5的HTCC和瓜尔胶的助留效果 进行了比较,结果表明,改性后的壳聚糖比瓜尔胶留着效果好。
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