介紹了一種新型造紙助劑——瓜爾膠及其改性產物,揭示了其內在的分子結構特點及行為特性,并闡述其性能優(yōu)越的根本原因。研究表明,它能適應現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構特點及天然性,使其迅速成為性能優(yōu)越的新型環(huán)保造紙助劑;同時它還被廣泛應用于食品、石油、醫(yī)藥等領域。
瓜爾膠就分子結構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)點便是與纖維素結構非常相似,這種相似性使它對纖維素有很強的親和性,稱之為直接性(substaｎtivity)。
瓜爾膠的最初出現是作為刺槐豆膠(Locustbeangum)的替代品而產生的。在此之前,刺槐豆膠被廣泛應用于工業(yè)生產并造成了需求緊張。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,但二者在化學組成和行為上有著明顯的區(qū)別。刺槐豆膠要達到最大粘度需要高溫水煮,而瓜爾膠在冷水中就可以水化�；瘜W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為刺槐豆膠的2倍。而這被認為是瓜爾膠比刺槐豆膠更容易水化和氫鍵結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,大部分伯羥基和仲羥基都處在外側,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合面積,當與纖維結合時,形成的氫鍵結合距離短,結合力大。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:一是在分子鏈上引入陽離子基團,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高原有的助留、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,增大其分子量,從而增強其架橋連接能力。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。當今,聚丙烯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(fā)現,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),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(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,陽離子瓜爾膠在Zeta電位從-8ｍV到0ｍV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。
國外對瓜爾膠作為造紙增強劑、助留助濾劑、絮凝劑、打漿增粘劑等領域都進行了深入的研究。許多成果應用于造紙實踐中。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:
�、僦鷦└叻肿訌娜芤合蛉芤骸w維界面遷移;
�、诖┻^界面;
�、壑鷦└叻肿优c纖維重新組織分布并在表面形成氫鍵結合。
�、诨颌凼菦Q定性步驟。
DerekＡbson等人在此基礎上對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)濾水儀上進行了實驗研究。他們發(fā)現,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。而瓜爾膠被認為效果更佳。Mason認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生纏結。JohnW.Swanson也認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。
瓜爾膠使用簡單,不需要單獨溶解設備,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酸混合后作為增強和助濾劑,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代化的造紙工業(yè)中發(fā)揮更大作用。
作者：王軍利
