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您当前位置:创联食用胶网 » 食品增稠剂 » 羧甲基淀粉钠对纸张增强性能的影响

  • 羧甲基淀粉钠对纸张增强性能的影响
  • 来源:爱学术        2020-02-26         4401
【摘要】

摘要:羧甲基淀粉钠(CMS)的应用与羧甲基纤维素钠(CMC)相似,十分广泛,可作乳化剂、增稠剂黏合剂、稳定剂、食品添加剂、上浆剂、悬浮剂、成膜剂和匀化剂等。CMS在造纸工业中可作为一种有效的浆内添加剂。在浆内使用时,有较好的增强效果。这主要是由于CMS分子中有大量的羧基存在,在纸页成形过程中可使纤维之间的结合能力增加,因而可使纸页的强度得到提高。

羧甲基淀粉钠(简称CMS),又称羧甲基淀粉或羧甲基淀粉醚,是变性淀粉的主要品种之一。CMS是一种白色或略带黃色的粉末,为高分子电解质,具有强水溶性,其糊化温度比原淀粉低,可直接溶于冷水。

CMS的应用与羧甲基纤维素钠(CMC)相似,十分广泛,可作乳化剂、增稠剂黏合剂、稳定剂、食品添加剂、上浆剂、悬浮剂、成膜剂和匀化剂等。目前CMC已在我国大规模生产,但生产成本高,原料不易处理。而CMS的基本原料——面粉来源广泛,价廉易得,并具有生产投资少、上马快等优点,且性能稳定性好。

CMS在造纸工业中可作为一种有效的浆内添加剂。在浆内使用时,有较好的增强效果。这主要是由于CMS分子中有大量的羧基存在,在纸页成形过程中可使纤维之间的结合能力增加,因而可使纸页的强度得到提高。

羧甲基淀粉钠对纸张增强性能的影响

淀粉品种和不同加入量对纸张性能的影响

1、淀粉品种对抗张指数的影响

在用量一定的情况下,不同品种的CMS增强效果是有差异的。这主要是由于这些产品的结构存在一定的差异。纸和纸板的抗张强度主要受纤维的结合力和纤维本身强度的影响,其中纤维的结合力是影响抗张强度的决定因素。而不同淀粉品种之间结构的差异导致纤维-CMS-纤维之间结合程度的不同,从而导致其对纸张增强效果的不同。

2、淀粉加入量对抗张指数的影响

实验中所用原纸的定量为63.37g/m2,抗张指数为45.13N·m/g。加入CMS或阳离子淀粉之后,不管是针叶木浆还是阔叶木浆,其抗张指数均有显著的提高。其中CMS在用量为1%时,抗张指数达到最大值。之后随着用量的继续增加,抗张指数基本不变或略有下降。同时与阳离子淀粉相比较,CMS对抗张指数的提高作用更胜一筹。

氯化物含量对纸张增强效果的影响

玉米未洗CMS和玉米洗涤CMS最主要的区别就是氯化物含量的不同。因考虑到氯化物对环境的危害故对玉米未洗CMS用酒精进行洗涤,以减少CMS溶液中氧化物的含量。氯化物含量越高,对纸张增强效果起到的积极作用越大。在CMS加入量为0.5%、1%、1.5%和2%时,玉米未洗CMS对纸张的增强效果均优于玉米洗涤CMS。但是在加入量为1%(最佳用量)时,二者的抗张指数相差仅为1.10N·m/g,且CMS溶液中所含氯化物含量越高。对环境的危害也就越大。

近几年随着人们环保意识的提高,人们更注重于在保证质量的基础上,节约能源和减少污染。因此在降低氯化物含量的同时,提高其对纸张的增强性能是今后发展的一个重要方向。

取代度对于纸张增强效果的影响

取代度反映的是淀粉被羧甲基取代的程度,而羧甲基是CMS的功能基。因此取代度是衡量CMS的重要质量指标。考虑到取代度的差异会影响到CMS对纸张的增强效果,有实验分别取低取代度(DS=0.22)、中取代度(DS=0.62)和高取代度(DS=0.92)的玉米CMS样品,探讨取代度对纸张增强效果的影响。这3种CMS对纸张的增强效果为高取代度(DS=0.92)>低取代度(DS=0.22)>中取代度(DS=0.62)。

由此可见,低、高取代度的CMS比中取代度的CMS对纸张的增强效果要好,其中以高取代度DS=0.92的CMS增强效果最好。但由于本实验的局限性,以及其他因素如氯化物含量、pH等都会影响CMS对纸张的增强效果,所以关于不同取代度CMS对纸张增强效果的影响有待于进一步研究。

不同pH、不同取代度玉米CMS对纸张增强效果的影响

由于CMS带负电荷,而纸浆中的纤维也带负电荷,因此必须在纸浆中加入硫酸铝,使其起到“架桥”作用(又称络合作用),从而使纤维与CMS靠静电引力相互吸引起到增强作用。而浆料的pH又决定着硫酸铝中铝离子的存在形式以及纤维上羧基的电离和CMS的水解程度。分别取低取代度(DS=0.22)、中取代度(DS=0.62)和高取代度(DS=0.92)的玉米CMS样品,在用量一定的情况下(实验CMS用量为1%)探讨pH对纸张增强效果的影响。

目前,硫酸铝是配合增强剂使用的最为广泛的一种阳离子电解质。它不仅能使增强剂和纤维之间形成良好的键结合,而且价格低廉,使用方便。“配位学说”认为,硫酸铝在水中电离成铝离子和硫酸根离子,但铝离子不是以单独的三价铝离子(Al3+)的形式出现,而是与6个水分子配位络合形成三价的水和铝离子。六水铝离子为正八面体结构。同时铝离子的组成会随pH的变化而改变。

当pH≤4-5时,部分段基被质子化,纤维表面电负性比较小,而此时硫酸铝中大部分铝以Al3+形式存在。三价铝的吸附主要靠Al3+与纤维的羧基进行有限量的离子交换来完成,因此吸附能力较小。使得浆料中的硫酸铝不能起到好的“架桥”作用,纤维问结合力较小。所以在pH=5时纸张强度较低,甚至出现负增长现象。

随着pH的增加,大约在pH=7-7.5时,硫酸铝中的铝主要以Al(OH)3沉淀的形式存在,但沉淀表面仍有阳离子电荷存在。表面电荷和低溶解性导致纤维和CMS对Al(OH)3强烈的吸附,进一步形成氢键结合,使纤维问结合力增大,所以在pH=7-7.5时抗张指数达到最大值。

当pH=8时,Al(OH)4-开始形成,Al(OH)3。随之减少,浆料体系中纤维CMS、Al(OH)4-因带同种电荷而相互排斥,硫酸铝不但起不到架桥作用,反而有削弱纤维间结合的作用。

综上所述,当浆科pH在7-7.5之间时,纤维和CMS表面的电性以及硫酸铝的存在形式都有利于纤维-CMS-纤维间形成良好的吸附结合,进而达到最佳的增强效果。

CMS浆内添加替代CMC

PAE和CMC是造纸中常用的增强剂,单独使用时各有各的优点,但是二者都存在一定的局限性。经实验研究表明,在用量相同或更少的情况下,PAE/CMC二元系统对纸张的增强效果优于单独使用PAE或CMC,包括干/湿裂断长,耐破指数和撕裂指数,且在二元增强系统中,PAE和CMC处理纸浆的顺序对增强效果的影响不大。

而CMS的物理化学性质与CMC相似,因此可替代CMC作为浆内添加剂与PAE配合使用。来提高纸张的强度。本实验分别取低取代度(DS=0.22)、中取代度(DS=0.62)和高取代度(DS=0.92)的玉米CMS样品,在不同用量的情况下探讨PAE/CMS二元系统对纸张的增强效果。所用PAE为自制高固含PAE,固含量为35%,用量为1%。不管是PAE/CMS二元系统还是PAE/CMC二元系统,在CMS和CMC用量分别为0.10%、0.20%、0.30%、0.40%和0.50%时,与原纸相比。其抗张指数均有显著的提高。且在用量为0.30%时,抗张指数均达到最大值,之后随着用量的维续增加,抗张指数略有下降。

因此,CMS和CMC的用量分别以0.30%为最佳。与PAE/CMS二元系统相比,PAE/CMC二元系统对抗张指数的提高作用略胜一筹。但是在用量为0.30%时,PAE/CMC增强系统的抗张指数为59.43N.m/g,而PAE/CMS(DS=0.92)为58.09N-m/g,可见二者对纸张抗张指数的影响相差并不大。且近几年随着纤维素的供应日超紧张。CMC价格日益昂贵,而CMS原料来源丰富、价格低廉。因此,完全可以用CMS浆内添加来替代CMC。

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参考文献

徐文烈,梁晖,卢江.淀粉的羧甲基化研究[J].中国胶黏剂,2000,10(5):25-28

张来新,杨琼.羧甲基淀粉钠的制备[J].应用化工,2001,30(4):25-28

卢谦和.造纸原理与工程[M].北京:中国轻工业出版社,2004

李建,王高升,高莉等.PAE/CMC二元增强系统研究[J].中华纸业,2007,28(3):47-49


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